露天鐵礦獨(dú)木北幫邊坡變形區(qū)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方法

佐麗晶 苗青川 唐士剛 任 鵬

（1、遼陽縣國(guó)土資源勘測(cè)中心，遼寧 遼陽111000 2、遼陽市國(guó)土資源局弓長(zhǎng)嶺分局國(guó)土資源服務(wù)中心，遼寧 遼陽111008）

1 問題提出

弓長(zhǎng)嶺露天礦獨(dú)木采區(qū)是有著近半個(gè)世紀(jì)開采歷史的老礦山，該礦的北幫主要是由風(fēng)化程度不同的混合巖構(gòu)成，200m水平以下出現(xiàn)角閃巖夾層及鐵礦體，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，斷層、節(jié)理較發(fā)育，現(xiàn)為礦山生產(chǎn)的推進(jìn)幫。隨著礦山開采深度的加深和揭露范圍的擴(kuò)大，巖體邊坡的高度和范圍逐年增加，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件如斷層、破碎帶、節(jié)理等對(duì)巖體邊坡的穩(wěn)定形成了較大的影響，在北幫巖體邊坡出現(xiàn)了局部的變形、塌陷和滑落現(xiàn)象，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的影響，是目前急需解決的問題。

對(duì)于出現(xiàn)邊坡變形、塌陷和滑落等問題的工作推進(jìn)幫、隨著生產(chǎn)的進(jìn)行邊坡巖體會(huì)逐年剝離掉。然而，在礦山采剝過程中，潛在的不穩(wěn)定的邊坡巖體對(duì)于礦山生產(chǎn)設(shè)備和人員是一種極大的安全隱患。因此，為保證礦山生產(chǎn)安全，防止各類事故的發(fā)生，必須對(duì)不穩(wěn)定區(qū)段的邊坡巖體變形形態(tài)、巖體位移運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)這些重要數(shù)據(jù)的匯總分析，為巖體邊坡滑坡預(yù)報(bào)提供科學(xué)的依據(jù)。（見圖1）

2 目前國(guó)內(nèi)外邊坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的方法

2.1 從邊坡巖體位移監(jiān)測(cè)所用設(shè)備手段上分類大致可分為三類方法：

精密測(cè)量：采用紅外線測(cè)距儀、全站儀等高精度測(cè)量設(shè)備；GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。專用設(shè)備測(cè)量：裂縫計(jì)、測(cè)斜儀、測(cè)斜計(jì)、航空攝影儀等。全自動(dòng)邊坡無線監(jiān)測(cè)：全自動(dòng)無線遙控觀測(cè)系統(tǒng)。

2.2 目前國(guó)內(nèi)邊坡觀測(cè)方法主要有以下幾種：

GPS定位：在被觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置可向衛(wèi)星接收系統(tǒng)發(fā)射信息的發(fā)射源設(shè)備，通過衛(wèi)星接收后轉(zhuǎn)回地面受站由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，最終確定被觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。在我國(guó)露天礦邊坡穩(wěn)定性研究中，北京科技大學(xué)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)在首鋼水廠露天礦邊坡監(jiān)測(cè)中使用。該系統(tǒng)設(shè)備較昂貴需要從國(guó)外進(jìn)口，操作人員需要進(jìn)行較高的理論和技術(shù)培訓(xùn)。

裂縫計(jì)和傾斜計(jì)：該設(shè)備是確定滑坡裂縫開裂移動(dòng)變化和地表下沉后地面傾斜變化的設(shè)備。通過長(zhǎng)期觀測(cè)積累數(shù)據(jù)可以得出裂縫開裂后位移的變化發(fā)展趨勢(shì)。該方法以局部觀測(cè)為主，所控制的范圍有一定的限度。

測(cè)斜儀：該設(shè)備系統(tǒng)是分析和檢測(cè)巖體滑坡的滑動(dòng)界面位置有效的手段。其基本的原理是在邊坡巖體中鉆孔，在鉆孔中放放專門設(shè)地的導(dǎo)管，導(dǎo)管的底部固定在堅(jiān)固的基巖上視為測(cè)量的基礎(chǔ)點(diǎn)。當(dāng)巖體發(fā)生變形移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)管會(huì)彎曲產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角度。從滑體的滑動(dòng)界面直至地表導(dǎo)管的偏轉(zhuǎn)角從零度增加到某一角度。用專門設(shè)計(jì)的探頭測(cè)試不同深度導(dǎo)管的偏轉(zhuǎn)達(dá)角可以獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)。通過偏轉(zhuǎn)角的變化可以確定滑動(dòng)面的位置。

測(cè)斜儀系統(tǒng)主要有四部分組成：

鋁合金導(dǎo)管：長(zhǎng)久安入在豎直鉆孔中，底部深入穩(wěn)定的基巖，在導(dǎo)管內(nèi)壁有導(dǎo)向槽以便為探頭導(dǎo)輪定向。

探頭：安裝在導(dǎo)輪架上，能夠測(cè)量導(dǎo)管的傾斜轉(zhuǎn)角及位移。

控制電纜：電纜上有長(zhǎng)度標(biāo)記供提升和下降探頭，同時(shí)傳輸電信號(hào)到地面設(shè)備。

數(shù)據(jù)讀取處理設(shè)備：接收由探頭通過電纜輸送的電信號(hào)并做數(shù)據(jù)處理。

測(cè)斜儀一般測(cè)量的位移變化范圍有限。如果發(fā)生較大的巖體滑動(dòng)，則導(dǎo)管會(huì)發(fā)生擠壓變形或者斷裂，在此情況下就無法進(jìn)行觀測(cè)了。

地面精度測(cè)量系統(tǒng)：地面測(cè)量觀測(cè)可以獲得觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的變化和合成矢量的變化規(guī)律。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過分析可以得出邊坡巖體位置的各方向變化規(guī)律以及確定巖體位移的運(yùn)動(dòng)方向，即巖體滑坡的主滑方向。

地面測(cè)量具有精度高、控制范圍大、抗干擾性強(qiáng)以及靈活實(shí)用等突出的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，也是礦山生產(chǎn)部門上熟知掌握的方法。通過地面測(cè)量觀測(cè)滑體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必須建立相應(yīng)的觀測(cè)網(wǎng)。常用的觀測(cè)網(wǎng)根據(jù)滑動(dòng)區(qū)的規(guī)模、形態(tài)和地形地貌條件可以分為三種形式：

十字交叉觀測(cè)網(wǎng)：對(duì)于滑動(dòng)范圍不大，滑動(dòng)面比較窄，而且滑動(dòng)方向明顯的滑坡區(qū)采用該觀測(cè)網(wǎng)。觀測(cè)樁設(shè)在十字線的交叉點(diǎn)上。觀測(cè)網(wǎng)應(yīng)保證通視良好。

放射線觀測(cè)網(wǎng)：觀測(cè)的范圍較大，可以采用由觀測(cè)置鏡點(diǎn)向觀測(cè)區(qū)做若干條放射線的方式形成觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)樁可以根據(jù)地形的條件沿射線布置。觀測(cè)區(qū)域內(nèi)應(yīng)通視良好。

任意面局觀測(cè)網(wǎng)：地形復(fù)雜的大范圍觀測(cè)往往觀測(cè)點(diǎn)不能按直線形式分布，此時(shí)，觀測(cè)樁可隨地形的變化和觀測(cè)通視條件的要求任意設(shè)置。如果需要兩個(gè)以上的置鏡點(diǎn)，觀測(cè)樁盡可能設(shè)在觀測(cè)線的交點(diǎn)上。

對(duì)于大范圍的巖體的變形、沉降乃至出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，在短時(shí)間內(nèi)難以準(zhǔn)確地確定其變形動(dòng)態(tài)規(guī)律，因此，建立長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)是邊坡綜合治理的必要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是預(yù)防災(zāi)害發(fā)生，保證安全生產(chǎn)的有效措施。

3 影響邊坡觀測(cè)網(wǎng)方案選擇主要因素

各類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著各自的優(yōu)越性能，同時(shí)也存在某此方面的限制因素。在選擇適合弓礦獨(dú)木采區(qū)具體條件下的觀測(cè)網(wǎng)建立方案時(shí)，重點(diǎn)考慮以下幾方面因素：

首先，觀測(cè)網(wǎng)范圍內(nèi)要有數(shù)量足夠的觀測(cè)點(diǎn)，能夠滿足邊坡變形區(qū)域控制精度的要求。選擇觀測(cè)方案首要的問題是能夠解決在較大范圍內(nèi)出現(xiàn)多處規(guī)模不同的邊坡巖體沉降和滑坡的監(jiān)測(cè)問題。高科技觀測(cè)設(shè)備由于費(fèi)用昂貴往往僅能布置少量的觀測(cè)點(diǎn)，在此情況下就會(huì)產(chǎn)生觀測(cè)空白地帶，會(huì)因觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量少而造成對(duì)邊坡巖體滑動(dòng)趨勢(shì)分析依據(jù)不足。因此，觀測(cè)網(wǎng)方案首先必須能夠控制整個(gè)邊坡巖體滑動(dòng)地帶，不能出現(xiàn)漏測(cè)區(qū)段。

其次，觀測(cè)設(shè)備要具有抗外界因素干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的條件是比較復(fù)雜和惡劣的，各種干擾因素很多，如高壓線路的電場(chǎng)、磁場(chǎng)，大型設(shè)備所產(chǎn)生的地表震動(dòng)，爆破震動(dòng)，雷電的干擾等等。某些無線設(shè)備一旦處于礦山復(fù)雜環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)故障和異常，影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮正常的觀測(cè)功能。

再者，礦山邊坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)往往要進(jìn)行數(shù)年，周期比較長(zhǎng)。大量的基礎(chǔ)工作由現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)單位組織完成，所以應(yīng)盡可能選擇現(xiàn)場(chǎng)熟知掌握的設(shè)備建立觀測(cè)系統(tǒng)。

綜上所述在考慮多種因素前提下做到精確、實(shí)用、性能好，易于操作和經(jīng)濟(jì)適用是選擇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總的方針。因此我們認(rèn)為使用現(xiàn)有的礦山測(cè)量設(shè)備全站儀建立精密測(cè)量觀測(cè)網(wǎng)是首選的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。

4 精密觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)

4.1 復(fù)合式觀測(cè)網(wǎng)的建立

弓礦獨(dú)木采區(qū)北幫混合巖邊坡出現(xiàn)塌陷和滑落現(xiàn)象的范圍是X-380~X-550，Y3600~Y4000，水平標(biāo)高為245m~350m。在此范圍內(nèi)較嚴(yán)重的巖體變形滑落有兩處。西側(cè)滑坡發(fā)生在245m~267m并段后的組合臺(tái)階上，長(zhǎng)度約為120，東側(cè)從350m標(biāo)高巖體發(fā)生嚴(yán)重下沉，落差最大7m左右，直至274m水平仍能發(fā)現(xiàn)地表巖體開裂現(xiàn)象。在東側(cè)302m水平已達(dá)設(shè)計(jì)境界，302~350m水平巖體的下沉現(xiàn)象已屬境界之外，但該現(xiàn)象已擴(kuò)展到境界之內(nèi)，將來對(duì)礦山的安全生產(chǎn)會(huì)有一定的影響。在該區(qū)段內(nèi)發(fā)育的斷層和貫通性的節(jié)理往往與邊坡面相交后形成規(guī)模不同，形式不同切割狀態(tài)，很可能存在潛在的滑體。因此，對(duì)該區(qū)邊坡全范圍的監(jiān)測(cè)是十分必要的。

觀測(cè)網(wǎng)選取十字交叉和射線相復(fù)合的形式。這樣布置觀測(cè)網(wǎng)是采納了射線網(wǎng)觀測(cè)范圍大而十字叉網(wǎng)布置觀測(cè)點(diǎn)很規(guī)律等不同的優(yōu)點(diǎn)。觀測(cè)樁沿縱向?yàn)樯渚€形分布，橫向近似在直線上布點(diǎn)形成較為規(guī)則的觀測(cè)網(wǎng)。在南邦X-1019.84 Y-3800.95點(diǎn)設(shè)立置鏡點(diǎn)，在觀測(cè)網(wǎng)的范圍內(nèi)通視良好。可以控制整個(gè)北邦巖體變形的情況。觀測(cè)網(wǎng)平面位置分布圖見圖2所示。

4.2 對(duì)照樁和觀測(cè)樁的設(shè)置

對(duì)照樁和觀測(cè)樁的設(shè)置是在每條射線的端點(diǎn)設(shè)立一個(gè)對(duì)照樁，其作用是校核該射線上各測(cè)點(diǎn)的三維從標(biāo)變化情況。對(duì)照樁必須設(shè)置在不發(fā)生移動(dòng)的基巖上，其坐標(biāo)值觀視為固定值。觀測(cè)樁沿每條射線縱向分布，盡可能布置在正發(fā)生開裂，下滑，沉降等現(xiàn)象的巖體上，問題嚴(yán)重的地帶可適當(dāng)加密觀測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)開采水平上應(yīng)至少有一個(gè)觀測(cè)樁，根據(jù)地形和觀測(cè)范圍的需要共設(shè)置五條射線，觀測(cè)樁18個(gè)，對(duì)照樁5個(gè)。對(duì)照樁和觀測(cè)樁的規(guī)格為200×200m，中心點(diǎn)設(shè)置標(biāo)志物以便測(cè)量立鏡

5 結(jié)束語

通過選擇精密測(cè)量觀測(cè)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上建立的復(fù)合式觀測(cè)網(wǎng)對(duì)獨(dú)木采區(qū)北幫邊坡變形區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為獨(dú)木采區(qū)北幫邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠的科學(xué)依據(jù)，對(duì)礦山安全生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。建立礦山邊坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方法對(duì)邊坡進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)是礦山邊坡研究和安全生產(chǎn)的重要組成部分，為礦山安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益做出貢獻(xiàn)。

[1]陸峰.邊坡監(jiān)測(cè)的模式識(shí)別和極限分析研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2001-08-01.