深部位移監(jiān)測(cè)在賀斯格烏拉露天煤礦的應(yīng)用

陳應(yīng)顯，Davron Toirov，楊紅霞

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

滑坡是我國(guó)山區(qū)交通、礦山、水利、建筑等工程建筑中尤為常見(jiàn)的多發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害[1－2]。為了保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，最大限度地預(yù)防或減少滑坡帶來(lái)的危害，對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)就顯得及其重要[3－5]。在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)的工作中，邊坡深部位移能夠直接反映邊坡內(nèi)部的變形和位移情況，它往往作為分析邊坡滑動(dòng)特征及判斷邊坡滑移趨勢(shì)的重要依據(jù)[6－7]。

目前，深部位移監(jiān)測(cè)設(shè)備主要分為3 類：移動(dòng)式鉆孔測(cè)斜儀、固定式鉆孔測(cè)斜儀、深部多物理量測(cè)量?jī)x[8]。陣列式位移計(jì)（SAA）測(cè)試技術(shù)作為近年發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感測(cè)試技術(shù)被有效應(yīng)用于巖土工程[9－10]。李劍萍等就利用了陣列式位移計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)滑坡體的深部變形，初步驗(yàn)證了陣列式位移計(jì)在滑坡體深部變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值[11]；Abdoun T 也介紹了陣列式位移計(jì)2 個(gè)成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[12]?？傮w來(lái)說(shuō)，基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陣列式位移監(jiān)測(cè)儀能準(zhǔn)確巖土層不同深度地層的水平位移量、水平位移方向和變形速率，進(jìn)而有效地捕捉深部相對(duì)位移的大致位置及錯(cuò)動(dòng)距離[13]。

采用深部多物理量測(cè)量?jī)x進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)深入巖土層內(nèi)部的變形觀測(cè)，測(cè)量巖土層不同深度地層的水平位移量、水平位移方向和變形速率，對(duì)巖土層的當(dāng)前變形狀態(tài)、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行識(shí)別和判定。相比較于傳統(tǒng)方法，該儀器能夠更加清晰地了解滑坡體不同部位、不同深度的變形滑動(dòng)特征，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠用于對(duì)露天礦滑坡變形等特征進(jìn)行較準(zhǔn)確地定量分析，對(duì)滑坡及滑坡區(qū)潛在滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與滑坡災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)[13－15]。

1 深部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 工作原理

深部多物理量測(cè)量?jī)x采用ZL－GB614 型MEMS陣列式位移計(jì)進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)。該設(shè)備將由多段連續(xù)柔性吸能節(jié)串接而成的傾斜測(cè)量單元陣列自上而下構(gòu)成，每個(gè)傾斜測(cè)量單元長(zhǎng)度為0.5 m 或1 m，內(nèi)含三軸高精度MEMS 傾角傳感器。整套設(shè)備放入鉆孔內(nèi)部，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生變形時(shí)，MEMS 傾斜測(cè)量單元同步發(fā)生傾斜。以測(cè)量單元底端為基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)各單元測(cè)量到的傾斜角度及單元長(zhǎng)度，累加計(jì)算鉆孔附近巖土層水平位移沿深度的變化。

與傳統(tǒng)的單軸或者兩軸傾角傳感器解算傾斜位移方式不同，本設(shè)備采用MEMS 三軸加速度測(cè)量值解算水平面x、y 2 個(gè)方向的傾斜位移，不僅能夠更準(zhǔn)確的計(jì)算傾斜位移，而且能夠準(zhǔn)確確定傾斜方向。其中，底端固定點(diǎn)i＝0，在i＝j(luò) 點(diǎn)處x方向傾斜位移、y方向傾斜位移分別為：

式中：L0為MEMS 測(cè)量?jī)x器長(zhǎng)度（通常為0.5 m或 者1 m）；為第i測(cè)量段MEMS三軸加速度在x、y、z方向的加速度測(cè)量值。

1.2 深部多物理量測(cè)量?jī)x功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

深部多物理量測(cè)量?jī)x功能特點(diǎn)：①采用了CAN總線通訊模式，分布式采集存儲(chǔ)，集中發(fā)送數(shù)據(jù)，可對(duì)超深孔進(jìn)行測(cè)量，克服了超深孔測(cè)量時(shí)電纜傳輸信號(hào)丟包及數(shù)據(jù)丟失的弊端；②自動(dòng)化實(shí)時(shí)遙測(cè)，數(shù)據(jù)定時(shí)采集，SD 卡本地存儲(chǔ)，DTU 模塊無(wú)線傳輸；③云端化智能管理，可云端在線升級(jí)終端系統(tǒng)，云端智能解算深部位移。

深部多物理量測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①鎧裝MEMS傾斜傳感陣列由MEMS 傾斜測(cè)量單元與柔性接頭串聯(lián)構(gòu)成實(shí)現(xiàn)了隨地層的大位移、協(xié)同變形，其測(cè)量量程更能實(shí)現(xiàn)米量級(jí)測(cè)量；②可以自由定制MEMS測(cè)量單元數(shù)量，超深孔滑帶測(cè)量最大可實(shí)現(xiàn)256 m，能精確辨識(shí)潛滑動(dòng)面的位置和方向；③工廠一體化生產(chǎn)，φ23 mm 小管徑結(jié)構(gòu)，滿足施工現(xiàn)場(chǎng)便攜式現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2 深部位移監(jiān)測(cè)在露天礦中的應(yīng)用

2.1 工程背景

賀斯格烏拉露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟烏拉蓋管理區(qū)境內(nèi)，自2006 年開(kāi)始開(kāi)采位于露天礦北部的試采區(qū)，核準(zhǔn)產(chǎn)能1 500 萬(wàn)t/a。從煤東北露頭位置拉溝，工作線垂直走向布置，由北向南推進(jìn)，并形成北排土場(chǎng)、東排土場(chǎng)。其地層巖性主要為黏土、風(fēng)化砂巖、煤以及泥巖等，此外，通過(guò)以往的工程地質(zhì)補(bǔ)充鉆探表明，南、東排土場(chǎng)基底條件較差，基本處于飽和狀態(tài)，且排土場(chǎng)西側(cè)有大范圍積水區(qū)，長(zhǎng)期對(duì)基底的浸泡，會(huì)造成排土場(chǎng)的失穩(wěn)；首采區(qū)土層賦存較薄，有流沙層且局部滲水，不利于端幫邊坡穩(wěn)定；二采區(qū)土層賦存較厚，主要為黏土，受地下水影響穩(wěn)定性較差。目前，北部的試采區(qū)剝采工程基本結(jié)束，礦山工程主要圍繞首采區(qū)開(kāi)展。通過(guò)分析以往的地質(zhì)資料可知，賀斯格烏拉露天礦的采場(chǎng)、排土場(chǎng)邊坡均為典型的軟巖邊坡，其西端幫、南排土場(chǎng)先后發(fā)生過(guò)滑坡和大變形現(xiàn)象，給露天礦帶來(lái)了一定的安全隱患。隨著采場(chǎng)不斷延深、擴(kuò)展及排土場(chǎng)的日益增高，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題必將更加突出，嚴(yán)重影響露天礦安全高效生產(chǎn)。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

通過(guò)分析，確定深部位移計(jì)布設(shè)原則如下：①應(yīng)貫穿潛在滑面并確?？椎紫鄬?duì)穩(wěn)定，避免無(wú)效監(jiān)測(cè)；②盡量布置在潛在危險(xiǎn)區(qū)和重要區(qū)段；③須利用現(xiàn)有勘探孔，節(jié)約成本；④盡量走向或傾向呈線型布置，便于分析相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)和滑坡機(jī)制。

按照上述原則，深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在6 個(gè)鉆孔中，共有199 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。鉆孔位置坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔位置坐標(biāo)

2.3 深部監(jiān)測(cè)結(jié)果

深部位移監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)將深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取存儲(chǔ)到SQL Server2008 數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)自動(dòng)定期從云平臺(tái)獲取199個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從2019 年12 月14 日開(kāi)始錄入數(shù)據(jù)到2020 年10 月24 日，共采集到118 0750條記錄。

深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在鉆孔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示中設(shè)置了按鉆孔號(hào)顯示該鉆孔內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能，BK1－3 深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 ZK1－3 深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

各深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接得到的監(jiān)測(cè)值是x 和y方向的位移量，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移向量、速率和加速度。通過(guò)比較分析可以了解這些監(jiān)測(cè)值及計(jì)算結(jié)果隨時(shí)間變化的關(guān)系。以鉆孔BK1－3 為例，從2020 年1 月至2020 年10 月的，深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移向量變化曲線如圖1。BK5－5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移向量變化曲線如圖2，ZK5－5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移速率變化曲線如圖3，BK5－5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移加速度的變化曲線如圖4。

圖1 深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移向量變化曲線

圖2 BK5－5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移向量變化曲線

圖3 BK5－5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移速率變化曲線

圖4 BK5－5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移加速度的變化曲線

位移向量變化曲線圖表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移隨鉆孔深度變大逐漸減小；同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移向量隨時(shí)間增加而增大。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移向量及經(jīng)計(jì)算得到的速度和加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系由位移向量曲線、向量速率曲線和加速度曲線分別表示?？梢酝ㄟ^(guò)比較曲線了解監(jiān)測(cè)的位移向量、位移向量速率和加速度變化，為邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)和預(yù)警提供依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種基于SAA 新型監(jiān)測(cè)技術(shù)的露天煤礦深部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟賀斯格烏拉露天煤礦應(yīng)用。根據(jù)深部位移監(jiān)測(cè)得到的位移數(shù)據(jù)計(jì)算位移速率和加速度，對(duì)位移、位移速率和加速度的的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。

1）深部位移監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿潛在滑面并確?？椎紫鄬?duì)穩(wěn)定，避免無(wú)效監(jiān)測(cè)，盡量布置在潛在危險(xiǎn)區(qū)段和重要區(qū)段，利用現(xiàn)有勘探孔，節(jié)約成本，布置盡量走向或傾向呈線型，便于分析相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)和滑坡機(jī)制的原則。

2）分別在賀斯格烏拉露天煤礦南排東北幫滑坡區(qū)、南幫底鼓區(qū)和采場(chǎng)各布置了2 個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)孔，累計(jì)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度199 m。3 組不同深部布設(shè)的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效地捕捉深部相對(duì)位移的大致位置及錯(cuò)動(dòng)距離，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定可靠。

3）通過(guò)分析大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以深部位移向量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制位移向量曲線、位移向量速率曲線和加速度變化曲線，通過(guò)變化曲線特征穩(wěn)定性的判斷作為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的依據(jù)。