基于監(jiān)測手段邊坡滑坡模式分析

王　勝

(遼寧建筑職業(yè)學(xué)院, 遼寧 遼陽　111000)

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基于監(jiān)測手段邊坡滑坡模式分析

王勝

(遼寧建筑職業(yè)學(xué)院, 遼寧 遼陽111000)

摘要:針對露天煤礦開采工作中常見的地質(zhì)災(zāi)害邊坡滑坡,特別是高頻率的滑坡會(huì)對安全生產(chǎn)帶來巨大影響的狀況,采用GPS監(jiān)測手段對內(nèi)蒙古扎尼河露天煤礦采場、非工作幫及排土場進(jìn)行監(jiān)測,得出位移變化量和變化幅度在采場區(qū)最大,非工作幫次之,排土場最小,判斷其滑坡模式為復(fù)合型圓弧滑動(dòng).

關(guān)鍵詞:邊坡; GPS; 變形機(jī)理; 破壞模

隨著露天煤礦開采規(guī)模與開采深度越來越大,邊坡角度的確定、開挖設(shè)備的選擇、保障措施的制定等技術(shù)性問題越來越難,同時(shí)由于地質(zhì)條件、地下水、管理等問題引起邊坡變形過大,導(dǎo)致滑坡的概率也隨之提高.滑坡的發(fā)生對工作人員人身安全造成巨大的威脅,給國家及企業(yè)財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重的損失,也會(huì)對大氣環(huán)境造成較大的污染,是露天煤礦領(lǐng)域不可回避的問題[1].為了避免滑坡,很多學(xué)者已開展了大量研究工作,韋寒波[2]等結(jié)合廠壩露天礦實(shí)際,建立了GPS邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng);佴磊[3]等以GPS監(jiān)測站等監(jiān)測設(shè)施對撫順西露天礦地質(zhì)災(zāi)害開展了多類型的現(xiàn)場監(jiān)測;羅周全[4]等討論了露天礦邊坡位移傳統(tǒng)監(jiān)測方法的缺陷及新型的基于GPS的自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢;崔振杰[5]應(yīng)用GPS技術(shù)及RTK技術(shù),實(shí)施靜態(tài)監(jiān)測以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測,詳細(xì)介紹了GPS-RTK在邊坡監(jiān)測中的觀測方法以及具體應(yīng)用;余偉健[6]等針對廠壩露天礦高陡邊坡滑坡通過正交實(shí)驗(yàn)找出了關(guān)鍵影響因素,分析了影響滑坡的關(guān)鍵作用路徑.本文擬采用GPS監(jiān)測方法對高頻滑坡邊坡的變形機(jī)理和破壞模式進(jìn)行分析.

1工程概況

扎尼河露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū),屬大陸性半干旱氣候,年平均降雨量為350mm,地層自上而下分布為新生界第四系海拉爾組-伊敏組-大磨拐河組-甘河組-中生界白堊系下統(tǒng)的龍江組,本工程開采深度位于海拉爾組和伊敏組兩地層內(nèi).地質(zhì)構(gòu)造為向斜構(gòu)造,存在25條斷層,其中6條斷層對煤層的開采有較大的影響.地下水包括第四系孔隙潛水和伊敏組地層裂隙承壓水.該煤礦自2011年起頻繁發(fā)生滑坡,2013年與2014年每年滑坡次數(shù)均在5次以上,已給安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重隱患,故必須對其進(jìn)行變形機(jī)理和破壞模式的分析,為治理工作提供依據(jù)[7].該工程巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1　巖土體物理力學(xué)參數(shù)

注:C—黏聚力; φ—內(nèi)摩擦角; γ—巖土重度.

2邊坡變形趨勢與破壞模式分析

2.1邊坡變形趨勢分析

GPS全球定位系統(tǒng)最早由美國軍方開始研制,能夠?qū)崿F(xiàn)三維連續(xù)定位,其具有監(jiān)測速度快、精度高、費(fèi)用低、抗干擾能力強(qiáng)和操作簡便等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于邊坡工程變形監(jiān)測工作中[2].GPS設(shè)備主要包括GNSS硬件部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、控制中心、供電部分、避雷系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等.本工程主要采用GPS進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測,根據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果預(yù)測邊坡變形趨勢與破壞模式.在與邊坡走向相互垂直方向,即北西-東南向選取監(jiān)測線BP1,在監(jiān)測線BP1上布置三個(gè)監(jiān)測點(diǎn),分別為BP1-1、BP1-2和BP1-3,其中BP1-1位于排土場處、BP1-2位于非工作幫處,BP1-3位于開采區(qū)地面處.各監(jiān)測點(diǎn)水平位移與垂直位移變化趨勢見圖1,位移變化值見表2.

圖1　BP1監(jiān)測線變化趨勢

位移方向監(jiān)測點(diǎn)最大值/(mm·d-1)各測點(diǎn)平 均最小值/(mm·d-1)各測點(diǎn)平 均BP1-148.013.0水平BP1-293.099.317.027.0BP1-3157.051.0BP1-1-9.0-3.0垂直BP1-25.5-19.2-1.5-3.7BP1-3-54.0-6.6

從圖1可以看出,各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移和垂向位移均在逐漸減小,位置的變化由劇烈逐漸趨于穩(wěn)定.從表2可以看出,BP1-1 、BP1-2和BP1-3變化具有一定規(guī)律,BP1-3的位移量和變化幅度最大,BP1-2次之,BP1-1最小,即位于開采區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)位移變化量和變化幅度最大,位于非工作幫的監(jiān)測點(diǎn)位移變化量和變化幅度次之,位于排土場的監(jiān)測點(diǎn)位移變化量和變化幅度最小.

上述結(jié)果表明,目前該區(qū)域開采區(qū)地面變形最為嚴(yán)重,排土場隨排土高度的增加,變形逐漸減小.開采區(qū)邊坡應(yīng)力受煤層開挖擾動(dòng)影響較大,引起非工作幫一側(cè)的邊坡變形,從而帶動(dòng)排土場邊坡變形.分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),短時(shí)間內(nèi)邊坡變形速度會(huì)以勻速并略有減緩的趨勢為主,但邊坡變形速率的變化主要取決于開采活動(dòng),故控制開采活動(dòng)是防止邊坡變形加劇的重要手段.進(jìn)入冬期以后,隨著邊坡凍土層的形成及逐漸加深,邊坡變形速率會(huì)出現(xiàn)局部增加,但總體上應(yīng)以勻速為主要趨勢;氣溫回升后,伴隨凍土層逐漸解凍及冰雪融水的滲入作用,邊坡變形速率會(huì)再次出現(xiàn)加劇,因此在氣溫回升前,應(yīng)完成邊坡維護(hù)的各項(xiàng)工作,確保邊坡的變形速度得以控制.

2.2邊坡破壞模式分析

從BP1監(jiān)測線各監(jiān)測點(diǎn)的位移矢量圖2中可以看出,監(jiān)測點(diǎn)BP1-1、BP1-2和BP1-3都伴隨水平位移及垂直沉降,即由排土場向采場方向移動(dòng)并向下沉降,各監(jiān)測點(diǎn)平均位移方向與水平方向夾角分別為-15°、-6°和-15°,各監(jiān)測點(diǎn)的平均位移速度分別為30、39和100 mm/d.因此,BP1-3控制區(qū)域首先出現(xiàn)變形,當(dāng)變形值累積到某一數(shù)值或因此而形成張拉裂縫后,BP1-2區(qū)域隨之產(chǎn)生變形,變形范圍逐漸向排土場擴(kuò)大,其潛在的滑動(dòng)模式為復(fù)合型圓弧滑動(dòng).

圖2　監(jiān)測點(diǎn)位移矢量

該露天煤礦邊坡的巖土體構(gòu)成為上部是第四系巖土,下部為白堊系煤巖層,在這個(gè)邊坡系統(tǒng)中,第四系黏土層及9#煤層底板至10#煤層底板之間巖石強(qiáng)度較其他巖層低,為邊坡體潛在弱層,尤其本地區(qū)9#煤層與10#煤層之間含多層夾矸,弱層分布密集,該區(qū)間是控制整體邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵部位.隨著9#煤層的開挖,上覆巖土體的重力載荷及采礦卸荷對弱層起到了活化作用,加速其變形發(fā)展.

從邊坡變形的時(shí)空規(guī)律來看,非工作幫邊坡是控制邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵區(qū)域,其變形機(jī)制為采場邊坡帶動(dòng)排土場邊坡,滑動(dòng)面為黏土弱層及10#煤層頂板弱層,其滑坡模式為復(fù)合型圓弧滑動(dòng),見圖3.

圖3　邊坡變形及滑坡模式示意圖

圖3所示第一階段在采礦卸載作用下,滑弧首先沿地面切入,上部沿黏土弱層、下部沿10#煤層頂板泥巖弱層產(chǎn)生滑動(dòng)趨勢;第二階段在第一階段的拉張及卸載作用下,變形范圍后擴(kuò),產(chǎn)生次一級(jí)沿黏土弱層滑動(dòng)趨勢;第三階段變形范圍繼續(xù)后擴(kuò),仍然沿黏土弱層滑動(dòng),與第二階段類似.

3結(jié)論

(1) 監(jiān)測工作表明,開采區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)位移變化量和變化幅度最大,非工作幫的監(jiān)測點(diǎn)位移變化量和變化幅度次之,位于排土場的監(jiān)測點(diǎn)位移變化量和變化幅度最小.

(2) 邊坡變形機(jī)制為采場邊坡帶動(dòng)排土場邊坡,滑動(dòng)面為黏土弱層及10#煤層頂板弱層,其滑坡模式為復(fù)合型圓弧滑動(dòng).

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【責(zé)任編輯: 祝穎】

LandslideModeAnalysisBasedonMonitoringData

Wang Sheng

(LiaoningJianzhuVocationalUniversity,Liaoyang111000,China)

Abstract:As a common geological disaster in open-pit coal mine, landslide, especially high frequency landslide, brings huge impact to safety production. GPS monitoring method is used to monitor the working slope, non-working slope and discharge field in Zhanihe open coal mine. Monitoring data indicates that working slope is the largest area of displacement variation and magnitude, non-working slope is the second largest area, and discharge field is the smallest area. The landslide model is composite circular sliding.

Key words:slope; GPS; deformation mechanism; failure mode

文章編號(hào):2095-5456(2016)03-0234-04

收稿日期:2016-02-24

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474050); 中國建設(shè)教育協(xié)會(huì)教育教學(xué)科研課題(2015108); 遼寧省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會(huì)科研規(guī)劃項(xiàng)目(LZY15084); 遼寧省教育評價(jià)協(xié)會(huì)教學(xué)改革與教育質(zhì)量評價(jià)研究課題(PJHYYB15391).

作者簡介:王勝(1984-),男,遼寧沈陽人,遼寧建筑職業(yè)學(xué)院講師,碩士.

中圖分類號(hào):U 451+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A