基于多元信息監(jiān)測的高陡邊坡穩(wěn)定性分析

牛付州

（中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京100039）

基于多元信息監(jiān)測的高陡邊坡穩(wěn)定性分析

牛付州

（中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京100039）

針對高村采場邊坡出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題，通過建立邊坡多元信息監(jiān)測網(wǎng)，對采場深部開采過程中的坡體應(yīng)力和位移進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，以此對采場的邊坡巖體變形機(jī)制與破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，揭示了采場邊坡的滑坡類型，并對采場深部開采中的邊坡穩(wěn)定性作出了評價和預(yù)測。

高陡邊坡；多元監(jiān)測；安全開采；穩(wěn)定性分析

0 引言

隨著礦山開采規(guī)模和開采深度的逐漸增大，國內(nèi)外露天礦山開始從山坡型露天礦轉(zhuǎn)為深凹露天礦，我國冶金礦山邊坡的最大凹陷深度將達(dá)到或超過500 m[1]。隨著邊坡的加高和開采深度的增加，開采難度和采場破壞越來越大，開采安全性越來越差。邊坡監(jiān)測作為評價邊坡穩(wěn)定性的一種成熟和直觀的方法在邊坡穩(wěn)定性預(yù)測預(yù)報中發(fā)揮著重要的作用。眾多學(xué)者基于邊坡監(jiān)測對高陡邊坡的破壞機(jī)制、穩(wěn)定性分析開展了大量的研究。李紅中[2]對邊坡監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析并對未來技術(shù)的發(fā)展作出了展望，薛桂玉[3]介紹了測斜儀的原理和應(yīng)用方法，并對三峽邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測和分析，蔡路軍[4]等基于大冶鐵礦掛幫礦的開采提出了高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的原則，通過現(xiàn)場監(jiān)測確保高陡邊坡的安全。陳志波[5]等通過位移監(jiān)測分析了滑坡的成因和發(fā)展趨勢，提出了將位移監(jiān)測資料與斜坡變形破壞現(xiàn)象結(jié)合起來綜合判定和預(yù)測邊坡施工及其使用過程中邊坡的穩(wěn)定狀況的新方法。單一手段的邊坡監(jiān)測對處在穩(wěn)定和不穩(wěn)定的邊坡能夠做出成功的預(yù)測，當(dāng)邊坡進(jìn)入深凹開采后，影響高陡邊坡巖體穩(wěn)定性的各個因素處于動態(tài)變化中，邊坡巖體變形往往受不確定性的、內(nèi)在或外在的隨機(jī)因素影響，這就需要邊坡開采過程中多種手段的監(jiān)測[6]。通過調(diào)研高村采場地質(zhì)情況，建立了高村采場邊坡多元信息監(jiān)測系統(tǒng)，對采場深部開采過程中應(yīng)力和位移進(jìn)行了實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，并基于此對區(qū)域邊坡穩(wěn)定性及開挖過程中邊坡巖體變形機(jī)制與破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，揭示了高村采場邊坡的滑坡類型，并對采場深部開采中的邊坡穩(wěn)定性作出了評價和預(yù)測。

1 工程背景

馬鋼集團(tuán)南山礦業(yè)公司高村采場為大型露天礦山，開采深度較大，是二期已達(dá)產(chǎn)的礦山。設(shè)計規(guī)模為年采礦石700萬t，采剝總量1 850萬t，開拓運(yùn)輸采用汽車-鐵路聯(lián)合運(yùn)輸方式運(yùn)輸。高村露天采場進(jìn)入二期開采后，采礦范圍由一期南北長780 m，東西寬575 m擴(kuò)大到南北長1 500 m，東西寬820 m，露天采場最高開采水平由+66 m提高到+90 m，露天底標(biāo)高由-162 m下降到-186 m，形成一個大型深凹露天礦，開采規(guī)模和開采深度的增大，對邊坡的穩(wěn)定性提出了較高的要求，采場主要的運(yùn)輸通道布置在北幫邊坡，深部開采過程中北幫邊坡多次出現(xiàn)滑移跡象和浮石滾落，嚴(yán)重影響采場的安全開采，因此深部開采過程中需要對采場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對邊坡穩(wěn)定性作出準(zhǔn)確的預(yù)測和評價，這對于保障采場的安全高效開采具有重要的意義。

2 邊坡多元信息監(jiān)測網(wǎng)

邊坡監(jiān)測采用了多元信息監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)主要包括邊坡深部雙向多點(diǎn)位移計和邊坡應(yīng)力監(jiān)測裝置，位移計原理參見[7]，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用分布網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)位移和應(yīng)力的自動化采集。通過數(shù)據(jù)采集模塊，自動觀測接口錄入實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并按照采集時間順序存儲在數(shù)據(jù)庫中。用戶可通過邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查閱、實(shí)時顯示、繪制曲線等功能。根據(jù)邊坡巖土勘察結(jié)果，邊坡的北幫-80平臺布置1#和2#兩個位移監(jiān)測點(diǎn)和兩個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，確保采場主要運(yùn)輸平臺的安全穩(wěn)定；-120平臺布置3#、4#兩個位移監(jiān)測點(diǎn)和兩個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，以此評估主要斷層影響下的此區(qū)域邊坡穩(wěn)定性。每個位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)3個監(jiān)測探頭，深度分別為10 m、20 m和30 m，應(yīng)力監(jiān)測裝置安裝在坡體深度12 m處，儀器安裝調(diào)試完成進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測之后，根據(jù)監(jiān)測需要調(diào)整實(shí)時監(jiān)測頻率，及時繪制壩體不同深度應(yīng)力和位移隨時間變化曲線，從局部到整體，對邊坡的實(shí)時穩(wěn)定性作出評價和分析，儀器的安裝布置如圖1所示。

圖1 邊坡多元信息監(jiān)測布置圖

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 邊坡多點(diǎn)位移監(jiān)測

邊坡深部雙向多點(diǎn)位移計能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡巖體不同深度內(nèi)位移監(jiān)測，儀器每隔30 min對邊坡各測點(diǎn)位移進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集，根據(jù)采集結(jié)果將每個測點(diǎn)根據(jù)淺部、中部和深部數(shù)據(jù)繪制各測點(diǎn)位移隨時間變化曲線，因數(shù)據(jù)眾多，將1周作為時間間隔，繪制各測點(diǎn)不同深度巖體位移隨時間變化曲線，邊坡位移監(jiān)測曲線如圖2。

圖2（a）和圖2（b）監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化曲線可知，-80 m平臺10 m處深部位移監(jiān)測點(diǎn)的位移變化較大而20和30 m處深部位移監(jiān)測點(diǎn)位移變化較小，說明-80 m平臺的滑動面位置距坡面較淺，10 m處監(jiān)測點(diǎn)尚未穿過其滑面位置，20 m和30 m處深部位移監(jiān)測點(diǎn)已經(jīng)穿過其滑面位置，因此，每次爆破作業(yè)前后引起滑面的滑移并沒有對深部位移監(jiān)測點(diǎn)造成較大的影響，相反，10 m監(jiān)測點(diǎn)的位移值波動范圍較大，這是因?yàn)?80 m平臺是采場重要運(yùn)輸通道，機(jī)械振動以及爆破沖擊對邊坡滑體造成較大影響?？傮w上-80 m平臺巖體各深度處的位移變化趨勢較一致，基本經(jīng)歷了“急劇增長—緩慢增長—基本穩(wěn)定”3個階段，這是典型的順層邊坡，根據(jù)監(jiān)測曲線可以看出采場深部開采過程中，-80 m平臺以上的邊坡總體上是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，開采過程中應(yīng)注意浮石滾落造成的安全隱患。

圖2 邊坡位移監(jiān)測曲線

圖2（c）和圖2（d）監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線圖可知，-120平臺處的邊坡位移在經(jīng)歷穩(wěn)定狀態(tài)之后，出現(xiàn)了明顯的增長趨勢，其中3#監(jiān)測點(diǎn)位移出現(xiàn)了負(fù)向增長，這說明J1和J2兩個軟弱結(jié)構(gòu)面切割邊坡在采動影響下產(chǎn)生了滑移，造成4#監(jiān)測點(diǎn)較-80 m平臺發(fā)生了較大的位移增長變化，因此-120平臺由東往西開采到楔形體的坡腳處時，應(yīng)采取了爆破減震、削坡減載等措施，并加強(qiáng)采場作業(yè)期間邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，確保生產(chǎn)安全。

3.2 邊坡應(yīng)力監(jiān)測

圖3邊坡應(yīng)力監(jiān)測曲線可以看出，深部開采擾動作用下，坡體內(nèi)應(yīng)力經(jīng)歷了“平衡—失衡—新的平衡”的過程，對照位移監(jiān)測曲線可以看出此過程中的平衡—失衡階段是預(yù)測預(yù)報滑坡的關(guān)鍵階段。此次監(jiān)測中滑坡預(yù)測預(yù)報最關(guān)鍵的時間出現(xiàn)在監(jiān)測第4周左右，主要原因這段時間深部開采作業(yè)比較頻繁，-120平臺邊坡前緣受工程爆破擾動影響使?jié)撛诨泼姹磺心_引起邊坡應(yīng)力增大失衡，第4周之后邊坡位移急劇增長，1周之后邊坡內(nèi)部巖體應(yīng)力逐漸在平衡，雖然邊坡位移有所增加但是現(xiàn)階段邊坡整體上是處于穩(wěn)定狀態(tài)的。

圖3 邊坡應(yīng)力監(jiān)測曲線

通過邊坡多元信息監(jiān)測分析可以斷定-80～-120 m邊坡滑坡滑體屬于順層(沿裂隙面)滑坡，破壞類型為滑移-拉裂型破壞：由于礦區(qū)采場-120平臺發(fā)育兩組剪切裂隙J1和J2（測點(diǎn)布置區(qū)域），互相交叉切割巖層及礦體，破壞了巖層的完整性，在礦山-120 m水平開采過程中，當(dāng)開采到4＃點(diǎn)位置邊坡前緣受工程爆破擾動影響使?jié)撛诨泼姹磺心_引起滑移體下滑移向，這是造成此區(qū)域邊坡失穩(wěn)的主要機(jī)理。

4 結(jié)論

1）通過位移監(jiān)測可以看出高村采場邊坡滑移經(jīng)歷了“急劇增長—緩慢增長—基本穩(wěn)定”3個階段，-80 m平臺的滑動面位置距坡面較淺，滑移面尚未形成，是典型的順層滑移邊坡，爆破震動是影響此區(qū)域邊坡穩(wěn)定的主要因素。

2）-120平臺處的邊坡滑移屬于楔形體滑坡，其破壞機(jī)理為J1和J2兩個軟弱結(jié)構(gòu)面切割控制下的邊坡。在采動影響下，位移在經(jīng)歷穩(wěn)定狀態(tài)之后，出現(xiàn)了明顯的增長趨勢。-120平臺的開采作業(yè)，保護(hù)坡腳，提高楔形體自撐力成為控制此區(qū)域邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3）深部開采擾動作用下，坡體內(nèi)應(yīng)力經(jīng)歷了“平衡—失衡—新的平衡”的過程，邊坡內(nèi)部巖體應(yīng)力平衡之后雖然邊坡位移有所增加但是邊坡整體上是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，通過多元信息監(jiān)測綜合分析得出邊坡巖體內(nèi)應(yīng)力的平衡—失衡階段是預(yù)測預(yù)報滑坡的關(guān)鍵階段。

［1］趙志峰.基于位移監(jiān)測信息的巖石高邊坡安全評價理論和方法研究江蘇［D］.河海大學(xué)，2007.

［2］李紅中.邊坡變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國水運(yùn)，2008.20（1）：39-41.

［3］薛桂玉，李民何，金平.三峽工程中高邊坡測斜儀的施工埋設(shè)與監(jiān)測［J］.大壩觀測與土工測試，1999，23（1）：5-7.

［4］陳志波，簡文彬.位移監(jiān)測在邊坡治理工程中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2005（S1）：64-68.

［5］孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

［6］黃潤秋，許強(qiáng).中國典型災(zāi)難性滑坡［M］.北京：科學(xué)出版社.2008.

［7］華北科技學(xué)院.一種邊坡位移預(yù)測方法：CN103207952A［P］.2013-07-17.

【責(zé)任編輯：陳毓】

Stability analysis of high and steep slope based on multivariate information monitoring

NIU Fuzhou
(China Railway Resources Group Co.,Ltd.,Beijing 100039,China)

In view of the slope stability problem in Gaocun stope,through the establishment of slope multi information monitoring network,we carry out real time dynamic monitoring on stress and displacement of slope in the process of deep mining,and analyze the slope deformation and failure mechanism in the stope,and reveal the landslide type of slope,and make the evaluation and prediction on the slope stability in deep mining of stope.

high and steep slope;multivariate monitoring;safe mining;stability analysis

TD824.7

B

1671－9816（2017）01－0019－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.006

牛付州.監(jiān)測的高陡邊坡穩(wěn)定性分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：19-22.

2016-08-11

牛付州（1985—），男，助理工程師，從事礦山工程管理、生產(chǎn)經(jīng)營工作。