滑動式測斜儀在露天礦邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

王濤，劉干，李博，李曉俊，王磊

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

滑動式測斜儀在露天礦邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

王濤，劉干，李博，李曉俊，王磊

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

以新疆地區(qū)某露天煤礦端幫邊坡為例，根據(jù)勘察資料、采掘計劃布設(shè)測斜監(jiān)測孔，定期進(jìn)行測斜監(jiān)測，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，明確潛在的滑移弱面，為工程治理措施的制定和實施提供指導(dǎo)。

露天邊坡；滑動式測斜儀；軟弱層；穩(wěn)定性分析

露天礦生產(chǎn)過程中邊坡巖體位移及其變化速率是判斷采礦作業(yè)能否安全進(jìn)行的主要指標(biāo)之一。邊坡位移監(jiān)測工作一方面可以監(jiān)測巖體動態(tài)變化，防止邊坡突然滑塌造成人員經(jīng)濟損失。另一方面通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，確定潛在滑面的位置，估算滑坡方量，指導(dǎo)邊坡防護(hù)工程方案的編制與實施工作，避免盲目的邊坡支護(hù)引起的不必要經(jīng)濟損失[1]。高邊坡巖體深部位移的變化一般都具有時效蠕變性，監(jiān)測難度較大。目前來說，測斜監(jiān)測是監(jiān)測邊坡巖體深部位移的變化，確定巖體易于擾動的地質(zhì)弱面最有效的方式之一[2-3]。

測斜監(jiān)測是在研究區(qū)域布設(shè)監(jiān)測孔，埋設(shè)測斜套管，利用監(jiān)測探頭測定套管偏轉(zhuǎn)角度求出巖體水平位移的一種巖體原位監(jiān)測儀器。我國從20世紀(jì)80年代初期陸續(xù)引進(jìn)了英美等國家生產(chǎn)的測斜監(jiān)測儀器進(jìn)行巖土工程領(lǐng)域的監(jiān)測，并開始自行研制測斜儀器。目前測斜監(jiān)測已廣泛應(yīng)用于礦山、交通、水利水電等大型巖土工程項目之中，并取得了良好的監(jiān)測效果[4]。

1 滑動式測斜儀工作原理

滑動式測斜儀主要有電纜、加速度計、讀數(shù)儀、線控器等部件組成。測斜儀加速度計組成如圖1。

圖1 測斜儀構(gòu)件系統(tǒng)

測斜探頭為一個鉛垂擺，可依據(jù)自身提供的恢復(fù)能力在受擾動后恢復(fù)到零點位置，測斜桿偏轉(zhuǎn)角度越大，鉛垂擺歸零所需的恢復(fù)力越大，恢復(fù)力的大小可轉(zhuǎn)換成電信號，通過與計數(shù)器相連的電纜上傳至計數(shù)器。測斜儀結(jié)構(gòu)與工作原理如圖2[5-7]。

圖2 測斜儀結(jié)構(gòu)與工作原理圖

2 邊坡變形監(jiān)測

露天礦在降深、推進(jìn)過程中地表不斷出現(xiàn)平行推進(jìn)方向發(fā)展的裂縫。地表裂縫的產(chǎn)生是邊坡內(nèi)部巖體擾動后的外在表現(xiàn)，本次研究利用滑動式測斜儀對變形邊坡進(jìn)行監(jiān)測，旨在確定邊坡地質(zhì)弱層，為邊坡治理方案的實施提供依據(jù)。

2.1 工程地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)主要有大面積分布的第四系、新近系及侏羅系地層。

1）松散巖組。松散第四系在礦區(qū)廣泛分布，主要是中、細(xì)礫石層，厚度0.85～33.98 m。無膠結(jié)，或膠結(jié)差，大都為散體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體呈顆粒碎屑狀，易滑塌，屬極不穩(wěn)固型。

2）風(fēng)化巖組。新近系上新統(tǒng)葡萄溝組及中新統(tǒng)桃樹園組在勘探區(qū)中部及北部大面積出露，為河流相土黃色粉紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖互層，底部以一層灰色鈣質(zhì)礫巖與下伏地層侏羅系、石炭系等地層呈超覆不整合接觸，厚度4.26～188.80 m。該地層均已受到不同程度的風(fēng)化，使巖石結(jié)構(gòu)松散，除泥巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已不清楚，其他巖石結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。散體結(jié)構(gòu)，以Ⅱ、Ⅲ級結(jié)構(gòu)面為主，結(jié)構(gòu)面多為泥膜、碎屑和泥質(zhì)物充填。結(jié)構(gòu)體形態(tài)為組合板狀體或薄板狀體，近松散介質(zhì)，具塑性特征，易發(fā)生壓縮沉降、塑性擠出、鼓脹等，屬極不穩(wěn)固型。

3）無煤巖組。無煤巖組多為碎裂結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，彼此交切的結(jié)構(gòu)面多被充填，或為泥夾碎屑、或為泥膜。結(jié)構(gòu)面光滑度不等，形態(tài)不一。結(jié)構(gòu)體形態(tài)為碎屑和大小不等、形態(tài)不同的巖塊。易形成小型巖層滑動，易軟化泥化。

4）含煤巖組?；緸檐涃|(zhì)巖石，易軟化，坍塌、滑移、壓縮變形均可產(chǎn)生。

2.2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

露天礦位于新疆戈壁灘之中，全年干旱少雨，影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素主要有爆破振動、地下水、軟弱夾層、節(jié)理裂隙等。

1）軟弱夾層的影響。在露天礦中常遇到的軟弱夾層有黏土層、泥巖層、頁巖層等。軟弱夾層巖石顆粒膠結(jié)性能很差，所含黏土礦物成分主要是蒙脫石，吸水軟化，強度降低，易引起邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

2）節(jié)理裂隙的影響。按成因可分為構(gòu)造裂隙(節(jié)理)及非構(gòu)造裂隙(原生裂隙、風(fēng)化裂隙、卸荷裂隙、爆破裂隙等)。前者是在構(gòu)造運動過程中生成的，產(chǎn)狀較穩(wěn)定。后者除原生裂隙外，產(chǎn)狀較雜亂。

現(xiàn)場揭露巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，第四系風(fēng)化層存在沿節(jié)理裂隙楔形滑塌現(xiàn)象，下部平臺散落巖塊較多，多為受爆破振動影響巖節(jié)理面滑落。

3）爆破振動影響。露天礦爆破作業(yè)對邊坡穩(wěn)定性的影響：①爆破震動對邊坡的滑動力起到促進(jìn)提高作用；②爆破作用破壞邊坡巖體整體性，加速巖體破壞，使雨水、地下水易于沿爆破裂隙滲透，加速巖體風(fēng)化。

露天礦現(xiàn)場生產(chǎn)過程中爆破作業(yè)較為頻繁，基本為每天1～2次，爆破作業(yè)是該露天礦邊坡穩(wěn)定性最大隱患。

4）地下水的影響。水對邊坡的不利影響主要表現(xiàn)在：軟化巖石，降低其強度，以及對邊坡的靜水壓力與動水壓力作用。露天礦處于新疆戈壁灘中，常年干旱少雨，影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的水源主要為地下水，露天礦生產(chǎn)過程中應(yīng)做好礦坑內(nèi)排水，防止泥巖等軟弱巖層遇水泥化，強度降低引起露天礦滑坡事故發(fā)生。

2.3 測斜孔布設(shè)

根據(jù)地表裂縫的分布情況、采掘降深位置考慮開展鉆探所需施工條件確定測斜監(jiān)測位置。

1）鉆孔。根據(jù)設(shè)計位置，測量放線，鉆孔采用汽車式回轉(zhuǎn)鉆機，孔徑110 mm，由于巖層地質(zhì)條件較差，鉆進(jìn)過程中采取泥漿護(hù)壁。鉆進(jìn)結(jié)束后立即下放套管，防止時間過長孔內(nèi)出現(xiàn)坍塌。

2）下管。測斜管為2 m/節(jié)，各節(jié)之間通過管套及螺絲連接。下管之前應(yīng)檢查測斜管有無損壞，下管過程中管與管之間螺絲應(yīng)擰緊連好。下管過程中如遇到浮力太大難以下放時，可往測斜管內(nèi)注入清水，以方便下放。下放過程中應(yīng)及時旋轉(zhuǎn)測斜管，確保管內(nèi)側(cè)十字凹槽同坡頂線垂直。

3）孔壁回填。測斜管下放完畢后采用細(xì)砂對孔與管壁間隙進(jìn)行回填，回填過程間斷進(jìn)行，確?；靥畛鋵崱?/p>

本次研究工作中在北端幫按1條測線布設(shè)監(jiān)測孔，監(jiān)測孔共計4個，各測孔相對位置如圖3。各孔詳細(xì)信息見表1。

圖3 測斜監(jiān)測孔布設(shè)位置圖

表1 測斜孔具體信息m

2.4 測斜監(jiān)測

考慮到礦山地表已出現(xiàn)裂縫且有逐步增加的趨勢，本次邊坡穩(wěn)定性研究工作加大監(jiān)測頻率，每隔2 d現(xiàn)場測斜1次。

觀測時將測頭導(dǎo)輪卡置在測斜導(dǎo)管的導(dǎo)槽內(nèi)，輕輕將測頭放入測斜導(dǎo)管中，并放松電纜使測頭滑至孔底，然后做好深度標(biāo)記。當(dāng)接近孔底時應(yīng)減緩下放速度，避免探頭猛烈的沖擊。測頭應(yīng)在孔底停留5 min，以便在孔內(nèi)溫度下保持穩(wěn)定。

將測頭拉起至最近深度標(biāo)記作為測讀起點，每0.5 m測讀1個讀數(shù)，利用電纜標(biāo)記測讀至導(dǎo)管頂端為止，每次測讀時都應(yīng)將電纜對準(zhǔn)標(biāo)記并拉緊，靜止片刻，讀數(shù)穩(wěn)定后保存讀數(shù)。將測頭調(diào)轉(zhuǎn)180°重新放入測斜導(dǎo)管中，然后滑至孔底，再次重復(fù)上述步驟[8]。

3 測斜數(shù)據(jù)整理分析

持續(xù)3個多月測斜監(jiān)測，監(jiān)測過程中每隔2 d現(xiàn)場測斜1次，由于數(shù)據(jù)量龐大，本次研究分析取部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制累計位移量變化曲線。

1）ZK4測斜數(shù)據(jù)分析。累計位移變化量曲線表明，ZK4孔擾動范圍為深度15～59 m，標(biāo)高為+457 ～+501 m。12月13日累計位移變化量最大，最大值為47 mm，其余日期監(jiān)測的累計位移變化量大都處于-10～20 mm間呈振蕩變化。ZK4累計位移變化量如圖4。

圖4 ZK4累計位移變化量

2）ZK7測斜數(shù)據(jù)分析。累計位移變化量曲線表明，ZK7孔擾動范圍為深度40～75 m，標(biāo)高為+456 ～+421 m?？咨?8～48 m，標(biāo)高+448～+458 m處累計位移呈急劇增加狀態(tài)，表明該范圍內(nèi)可能存在易變形的地質(zhì)弱面。累計最大位移值發(fā)生在1月3日，最大值約為59 mm。ZK7累計位移變化量如圖5。

圖5 ZK7累計位移變化量

3）ZK5測斜數(shù)據(jù)分析。累計位移變化量曲線表明，ZK5孔擾動范圍為深度20～78 m，標(biāo)高為+394 ～+452 m?？咨?0～30 m，標(biāo)高+442～+452 m處累計位移呈急劇增加狀態(tài)，表明該范圍內(nèi)可能存在易變形的地質(zhì)弱面。累計最大位移值發(fā)生在12月19日，最大值約為98 mm，不同的監(jiān)測時間，累計位移值呈振蕩變化。ZK5累計位移變化量如圖6。

圖6 ZK5累計位移變化量

4）ZK6測斜數(shù)據(jù)分析。累計位移變化量曲線表明，ZK6孔擾動范圍為深度2.5～50.0 m，標(biāo)高為+ 403～+450.5 m。孔深2～7 m，標(biāo)高+446～+451 m處累計位移呈急劇增加狀態(tài)，表明該范圍內(nèi)可能存在易變形的地質(zhì)弱面。累計最大位移值發(fā)生在11月28日，最大值約為67 mm，不同的監(jiān)測時間，累計位移值呈振蕩變化。ZK6累計位移變化量如圖7。

圖7 ZK6累計位移變化量

由4個測斜孔累計位移變化量曲線圖可知，各孔測斜數(shù)據(jù)突變段規(guī)律基本一致。在標(biāo)高+450 m附近測斜數(shù)據(jù)均發(fā)生明顯突變，表明該位置處可能存在易于變化的地質(zhì)弱面?，F(xiàn)場開挖探槽表明該位置位于最下部可采煤層之中，巖層為中砂巖與泥巖。中砂巖膠結(jié)程度差，手掰能碎，泥巖遇水易泥化，強度降低[9-10]。

目前影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素主要有爆破振動與地下水。露天礦正常生產(chǎn)過程中每天均須爆破作業(yè)，爆破作業(yè)前后測得巖體位移變化較為明顯，受爆破振動影響，巖體位移呈振蕩變化?，F(xiàn)場第四系松散層臺階受爆破振動影響多處出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。露天礦生產(chǎn)過程中應(yīng)做好防爆減振措施，做好爆前審查、爆后巡查工作，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患采區(qū)清理措施，避免小范圍滑塌引起人員傷亡[11-13]。

地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為弱層的遇水泥化，強度進(jìn)一步降低，加速邊坡滑塌現(xiàn)象?，F(xiàn)場生產(chǎn)過程中邊幫最下部可采煤層頂板有出水現(xiàn)象，應(yīng)做好礦山防排水措施，防止泥巖層遇水泥化強度降低造成邊坡滑塌事故[14-15]。

4 結(jié)語

經(jīng)過幾個月的持續(xù)監(jiān)測，累計位移變化量曲線圖呈一定規(guī)律性，結(jié)合現(xiàn)場勘查資料及巡查情況主要得出如下結(jié)論：

1）對于層狀巖質(zhì)邊坡，尤其是中間含有軟弱層的邊坡，沿特定滑動面滑動變形的可能性較大，利用測斜監(jiān)測能夠取得良好的監(jiān)測效果，通過累計位移變化量曲線能夠直觀的監(jiān)測各層位的巖移變化。

2）根據(jù)各孔的累計位移量變化曲線對比，可以確定邊坡軟弱層分布情況及其深度。對邊坡穩(wěn)定性評價工作提供地層層位基礎(chǔ)，同時使下一步邊坡防護(hù)工程開展更具針對性。

3）露天礦位于新疆戈壁灘，影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素主要有爆破振動和地下水。露天礦生產(chǎn)過程中應(yīng)做好減振措施及防排水工作，盡可能降低主要因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。

［1］許延春，張旗.滑動式測斜儀在采礦工程中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2014，46（10）：187-190.

［2］李國維，胡龍生.滑動式測斜儀測試與誤差處理方法［J］.河海大學(xué)學(xué)報，2013，41（6）：44-50.

［3］徐順平，張杰.基于滑動測斜儀的邊坡巖體穩(wěn)定性分析［J］.公路與汽車，2012（4）：35-37.

［4］孫役，王浩.全站儀和滑動測微計在水布埡地下廠房監(jiān)測中的應(yīng)用［J］，巖土力學(xué)，2008，29（2）：273-277.

［5］陳開圣，彭小平.測斜儀在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.巖土工程技術(shù)，2006，20（1）：43-45.

［6］劉觀仕，胡德明.測斜儀在軟基路堤施工監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2004，18（3）：59-62.

［7］濮久開.烏溪江大壩工程測斜監(jiān)測及其精度控制［J］.

大壩與安全，2000（4）：39-42.

［8］盧寶忠.智能數(shù)顯滑動式測斜儀在滄黃高速公路高填方路基水平位移觀測中的應(yīng)用［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2008（4）：111-113.

［9］李守義，呂生龍，張長喜.某工程邊坡蠕滑機制與監(jiān)測資料分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1998，17（2）：23-29.

［10］王康.元寶山露天礦東幫順傾層狀邊坡穩(wěn)定性研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013：18-22.

［11］楊國梁，楊仁樹，車玉龍.周期性爆破振動下圍巖的損傷累積效應(yīng)［J］.煤炭學(xué)報，2013，38（S1）：30-34.

［12］張志毅，楊年華.中國爆破振動控制技術(shù)的新發(fā)展［J］.爆破，2013，30（2）：31-38.

［13］裴來政.爆破振動對金堆城露天礦高邊坡穩(wěn)定性影響研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005：34-38.

［14］王道臨，董瑞榮.水對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響及治理措施［J］.露天采礦技術(shù)，2013（6）：60-64.

［15］楊麗萍.伊敏三號露天礦疏干防排水設(shè)計［J］.露天采礦技術(shù)，2014（11）：22-25.

【責(zé)任編輯：張東旭】

Application of sliding inclinometer in open-pit mine slope monitoring

WANG Tao,LIU Gan,LI Bo,LI Xiaojun,WANG Lei
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Taking the end slope in the open-pit mine of Xinjiang for example,according to the survey data and mining plan,the mine layouts survey monitoring hole,does monitoring on survey.Through analyzing the monitoring data,we can define the potential weak slip surface,which provide guidance for the formulation and implementation of engineering control measures.

open-pit slope;sliding inclinometer;weak intercalations;stability analysis

TD824.7+3

B

1671－9816（2017）01－00012－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.004

王濤，劉干，李博，等.滑動式測斜儀在露天礦邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：12-15.

2016-07-23

王濤（1989—），男，山東濟寧人，助理工程師，工學(xué)碩士，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，主要從事露天采礦設(shè)計及邊坡穩(wěn)定性研究工作。