鉆孔測斜儀在某露天礦深層巖移監(jiān)測中的應(yīng)用

王翠珀 李繼濤

1 概述

撫順西露天煤礦采礦坑坐落于撫順市區(qū)東南部,開采于1914年,有近百年的開采歷史。現(xiàn)已形成東西長6.6 km,南北寬2.2 km,平均深度約405 m,面積約10.87 km2的露天采坑。該煤礦采坑北幫緊鄰撫順市區(qū),并有中直企業(yè)撫順石油一廠、遼寧省直企業(yè)撫順發(fā)電廠等企業(yè)單位。長期高強度的礦山開采誘發(fā)了一系列滑坡地質(zhì)災(zāi)害。為了防止和減輕撫順西露天礦坑北幫邊坡滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生給周邊企業(yè)、采煤安全和居民造成生命財產(chǎn)的損失,于2006年6月10日正式啟動撫順西露天礦北幫滑坡變形監(jiān)測、預(yù)警工作。

對于滑坡變形地質(zhì)體來講,不僅要監(jiān)測其地表位移,也要監(jiān)測其深部巖體位移情況,這樣才能對整體的位移進行判斷。通過監(jiān)測了解深部巖體位移情況,特別是滑動面處的滑移變形和滑動方向。鉆孔測斜儀的出現(xiàn)較為圓滿地解決了該問題,現(xiàn)已成為觀測深部橫向(或水平)位移的標(biāo)準(zhǔn)手段。鉆孔測斜儀是一種測定鉆孔水平位移的原位監(jiān)測儀器。通過對鉆孔的逐段測量可以獲得鉆孔在整個深度范圍內(nèi)水平方向的位移,從而可以比較準(zhǔn)確地確定其變形的大小、方向和深度。西方國家自20世紀(jì)60年代就開始大量應(yīng)用鉆孔測斜儀,國內(nèi)也應(yīng)用了近20年。鉆孔測斜儀對邊坡、地基、地下洞室等巖土工程進行變形監(jiān)測,效果很好。由于其適應(yīng)于各種類型的斜坡且穩(wěn)定可靠,被廣泛應(yīng)用于滑坡監(jiān)測當(dāng)中。本文探討了利用鉆孔測斜儀對撫順西露天礦北幫深層巖移監(jiān)測的有關(guān)問題,結(jié)合長期應(yīng)用CX-3C系列測斜儀對撫順西露天礦北幫深層巖移監(jiān)測分析,測斜成果證明鉆孔測斜儀對深層巖移進行監(jiān)測的可行性。

2 鉆孔測斜儀的組成及原理

鉆孔測斜儀是一種測定鉆孔橫向位移的原位監(jiān)測儀器,在邊坡工程原位監(jiān)測中應(yīng)用最為廣泛。通過監(jiān)測可以確定巖(土)體內(nèi)滑裂面的位置、大小和滑動方向,對分析邊坡穩(wěn)定性、確定滑坡動態(tài)起著重要的作用。按使用方式的不同,測斜儀可分為滑動式測斜儀和固定式測斜儀,撫順西露天礦北幫邊坡監(jiān)測工程采用的是CX-3C滑動式測斜儀。它主要由測頭、測讀儀、電纜和測斜槽4部分組成。該儀器采用最新進口傾角傳感器作為敏感元件,它是一個力平衡式的伺服系統(tǒng),當(dāng)傳感器探頭相對于地球重心方向產(chǎn)生傾角θ時,由于重力作用,傳感器中敏感元件相對于鉛錘方向擺動一個角度,通過高靈敏的微電子換能器將此角度轉(zhuǎn)換成信號,經(jīng)過分析處理,直接在液晶屏上顯示被測點的水平位移增量Δi,并存入儀器中,通過串口送入計算機中處理。

測斜儀工作原理公式如下(見圖1):

其中,L為探頭輪距,一般為0.5 m;θi為某一深度傾斜角;Sn為各分段位移增量的總和。

測斜探頭上滑輪順槽而下(孔口)或由下而上(孔底)逐點(測距一般為0.5 m)測試,從而可精確測出每段的水平位移增量Δin。

測孔時,為了更精確測出Δin值,應(yīng)根據(jù)滑體滑動方向,在測讀儀里設(shè)定正反方向(南北或東西)各測一次,將正向測值 Δi正、反方向值Δi負代入計算公式,ΔXY=0.5(Δi正-Δi負),即得到該點位置ΔXY的數(shù)值,單位為mm。

當(dāng)測斜管埋設(shè)進入相對穩(wěn)定土層或非變形土層時,則可認(rèn)為管底是位移不動點,管口的水平位移值 Sn即為各分段位移增量的總和。

3 測斜鉆孔的布點注意事項

1)鉆孔應(yīng)布設(shè)在地面位移較為明顯的地帶;2)測斜管的埋設(shè)要便于鉆機鉆孔的施工;3)測斜管與地球重心方向的夾角應(yīng)在0°～±30°;4)測試深度最大1 000 m,水壓10 MPa;5)工作溫度:-10℃～+60℃。

撫順西露天礦北幫邊坡監(jiān)測中使用并開展深層巖移監(jiān)測的鉆孔有9個,主要監(jiān)測F1a斷裂帶兩側(cè)的深部基巖的位移情況,因此鉆孔布設(shè)在F1a斷裂帶附近。其中,9個分布在撫順發(fā)電廠院內(nèi),由西向東布設(shè)了3條監(jiān)測剖面,每條監(jiān)測剖面從北到南分別布置有ZK1,ZK2,ZK3;ZK4,ZK5,ZK6;ZK7,ZK8,ZK9 9個孔,ZK3,ZK6,ZK9位于 F1a南側(cè),其余孔位于F1a北側(cè)。

4 測斜儀的工作方法

本次使用測斜儀型號為“CX-3C型重力加速度計式鉆孔測斜儀”,對西露天礦北幫不同深度巖層的水平位移量進行監(jiān)測。以孔底為基準(zhǔn)分別在其主滑方向和垂直主滑方向上(即南北方向)進行正反兩回次自下而上的測讀,監(jiān)測點間距為1.0 m,測量精度為0.1 mm/500 mm。測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機后,可自動生成日報表、趨勢報表,并繪制位移曲線。儀器設(shè)定每個測孔的第0次數(shù)據(jù)組為初始值,以第0次數(shù)據(jù)組為參照,數(shù)據(jù)為正值表示向南位移,負值則表示向北移動。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析特征表

5 CX-3C測斜儀的數(shù)據(jù)分析

撫順西露天礦北幫邊坡深層巖移監(jiān)測主要監(jiān)測F1a斷裂帶兩側(cè)的深部基巖的位移情況,自2008年3月以來共取得135組測斜數(shù)據(jù),現(xiàn)以ZK7(F1a北端)、ZK8(F1a中間)、ZK9(F1a南端)剖面的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例分析說明F1a附近的深部基巖的位移情況。深部基巖的位移情況主要由總水平位移的變化情況來反映。

根據(jù)CX-3C測斜儀的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(見表1),以上3組測斜數(shù)據(jù)的特征反映了ZK7,ZK9總體是不斷向北移動的,ZK8是分層向南或向北移動的,由于CX-3C測斜儀是由孔底為基準(zhǔn)的,從數(shù)據(jù)變化量上看,測斜孔下部水平變化速率比上部快。

6 使用鉆孔測斜儀注意事項

1)滑動式CX-3C測斜儀每段測試深度要控制在0.1 mm～2 mm之間,即0.5 m(或1 m)的標(biāo)記每次都在同一位置讀數(shù)。2)測斜孔口上要做深度讀數(shù)標(biāo)記。3)要符合規(guī)定的水溫、水壓及測斜角度。

7 結(jié)語

本文通過對鉆孔測斜儀在撫順西露天監(jiān)測中的應(yīng)用,得到的相關(guān)數(shù)據(jù)可以確定出巖(土)體內(nèi)滑裂面的位置、大小和滑動方向,對分析邊坡穩(wěn)定性、確定滑坡的機制和滑動形式起著重要的作用,而且可有效地指導(dǎo)滑坡治理工程活動。因此鉆孔測斜儀將會在深部巖移監(jiān)測中起到越來越重要的作用。

[1] 梁志全,胡賀松.利用鉆芯孔測斜法對工程樁傾斜率測試的分析[J].山西建筑,2008,34(8):140-141.