遼寧海州露天礦邊坡預應力錨索遠程監測系統

毛開江，張宏偉，韓 軍 ，李 勝

（遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧阜新 1 23000）

0 引言

海州露天礦是一個長4.0km、寬2.0km、采深近360m的露天采場。長期以來，海州露天礦礦坑及周邊地區滑坡等地質災害非常嚴重，截至2004年共發生滑坡70余次，平均每年發生1～2次滑坡［1］，邊坡安全問題日趨突出。在海州露天礦北部有阜新發電廠、阜新礦業集團機修廠和材料庫、國家礦山公園等重要工業及民用設施。為了確保這些工業及民用設施的安全，必須對海州露天礦邊坡進行監測。目前國內外主要采用的監測方法有：GPS監測、坡表大地測量、激光微小位移監測、紅外遙感監測等。但隨著科技水平的提高，從坡表變形監測到坡體內部空間非接觸、全遙控、高智能、高精度的綜合監測技術應用是邊坡監測的發展趨勢［2］。因此基于預應力錨索研發海州露天礦邊坡遠程監測系統。

1 邊坡預應力錨索遠程監測系統

1.1 海州露天礦工程地質條件

海州礦位于阜新市區南部太平區境內，地質構造較為復雜，斷裂構造發育，主要含煤地層共有5個煤層群，按埋藏順序為水泉層、孫家灣層、中間層、太平上下層及高德層。查明巖層中有1#至9#軟弱夾層，這些軟弱夾層是邊坡主要控制結構面，尤其北幫歷次滑坡都是沿著這些層面滑動的［3］。巖性由顆粒不等的砂巖、砂礫巖 、砂質頁巖和煤層構成，巖相和厚度變化均較大，可采煤層頂板以上巖層是由粗顆粒砂巖，砂礫巖和厚層砂質頁巖構成煤層底板以下巖層是由泥質砂頁、砂巖夾薄煤層構成泥質砂頁巖層理發育，風化后多呈薄片狀碎塊，遇水后軟化呈可塑狀，巖石內自然含水率較高，力學強度低于煤層頂板上巖層。

1.2 系統原理

巖體在力的作用下產生變形，邊坡內部應力狀態發生變化，當下滑力達到巖體強度時，滑體會沿滑動面下滑，從而導致滑坡事故的發生，通過對錨索施加預應力來主動監測巖體的應力情況，當巖體應力發生變化時，應力傳感器記錄應力情況，及時掌握滑坡動態，從而對邊坡進行預警和及時采取治理措施。監測系統力學模型如圖1所示。

圖1 邊坡監測力學模型Fig.1 The mechanical model of slope monitoring

1.3 系統結構

監測系統由邊坡應力監測端和計算機接收端組成。邊坡應力監測端由智能應力傳感器、太陽能供電系統、數據采集系統和數據發射系統組成，計算機接收端由數據接收系統、數據處理系統和監測報警系統組成，應用GPRS遠距離無線傳輸技術對數據進行傳輸（圖2）。

圖2 邊坡遠程監測系統結構圖Fig.2 The slope remote monitoring system structure diagram

1.4 預應力錨索參數設計

錨索由錨固段、自由段、張拉段組成，錨固段是錨索在錨孔底部的錨固長度，自由段是在張拉時可以自由彈性伸長的錨索長度，張拉段是從錨固端外側至承壓墊座之間的距離。錨索錨固長度的驗算根據公式（1）和公式（2）［4］進行：

式中：La——按砂漿與預應力筋粘結強度計算的錨固段長度（mm）；

K——錨索安全系數，1.5～2.0；

Nt——錨索設計荷載（N）；

d——預應力筋外徑（mm）；

n——預應力筋根數，6根；

τa——砂漿與預應力筋粘結強度（MPa）；

τb——砂漿與孔壁巖石粘結強度（MPa）；

Lb——按錨固體砂漿與孔壁巖石粘結強度計算的錨固段長度（mm）；

D——錨索鉆孔直徑（mm）。

根據煤礦預應力錨固施工技術規范（MT/T879-2000），取K為2.0，τb為3.25MPa，τb為0.66MPa，錨索鋼絞線選用Ф15.24mm低松弛鋼絞線，其標準抗拉強度為1860MPa，錨索由6根鋼絞線組成，故d為15.24mm，n取6，取110mm。計算得La≈2m，Lb≈8m。根據計算結果，本設計錨固段長度為8m，自由段在滑面以下不小于1.5m，故滑面以下應不小于9.5m。

錨索預應力設計原則和預警原則［5］根據公式（3）和（4）進行：

式中：p0——錨索預應力（kN）；

pmax——錨索最大載荷（kN）；

p——預警載荷（kN）。

在考慮的一定安全系數情況下，取pmax=1000kN，錨索初始施加的預應力設計為300～400kN，錨索應力的預警值設計為750kN。

實際施工后監測點E18-2錨索預應力為409kN，E18-1錨索預應力為403kN，E8-3錨索預應力為451kN，E8-2錨索預應力為401kN，E8-1錨索預應力為202kN，W1-3錨索預應力為437kN，W1-2錨索預應力為393kN，W1-1錨索預應力為363kN。

1.5 監測點布置

在分析海州露天礦邊坡巖體變形及潛在滑坡區的基礎上，在海州露天礦北幫邊坡共布置3條監測線，分別位于邊坡的中部及兩側邊緣，監測點布置于滑動影響范圍78～150m，現場測線距離分別為754m（W1-E8）和856m（E8-E18）。測點間距為105～250m。共設計了W1-1、E18-1、W1-2、E8-1、E8-2（地面），W1-3、E18-2、E8-3（邊坡上）等 8 個監測點（圖3），具體的測點參數為：鉆孔直徑110mm，方位角都為328°，地面鉆孔傾角為30°，邊坡上鉆孔傾角為45°；W1-1、W1-2、E8-1、E8-2鉆孔深度為39m，W1-3鉆孔深度為71m，E8-3鉆孔深度為43m，E18-1和E18-2鉆孔深度分別為64m和84m。

2 邊坡穩定性分析

海州露天礦邊坡遠程監測系統通過遠程、實時、連續自動監測應力變化，預測和評價邊坡穩態，監測端（圖4）采用太陽能電池板進行供電，計算機接收端（圖5）接收和分析邊坡應力狀態，系統于2011年1月17日開始運行，每8h自動發送一個數據，也可發送指令查看實時應力情況，經過一年多的監測，得到大量的監測數據（圖6）。

圖3 海州露天礦邊坡監測點布置圖Fig.3 Arrangement diagram of monitoring pointin Haizhou open-pitm in

圖4 邊坡應力監測端施工圖Fig.4 Working diagram of slope stress monitoring terminal

圖5 計算機接收端界面Fig.5 Interface of computer receiver

圖6 海州礦邊坡監測應力曲線圖Fig.6 The stress curve of slope monitoring in Haizhou open-pit mine

從監測應力曲線可以看出，所有的監測點在監測前期處于較高水平，但2～3個月以后都有所降低，分析認為錨索在施加預應力后，隨著時間的變化，錨墩在錨索拉力作用下被拉入土體，錨索伸長量減小，預應力有所降低。E18-1、E8-1、W1-3、E8-2、W1-2監測點錨索應力值在2011年4月以后變化平穩，且增長趨勢不明顯，表明以上監測點處于穩定狀態；而E18-2在2011年8月到10月左右應力值有劇烈變化，經到現場檢查，發現在2011年8月到10月期間該監測點處正在進行壓坡腳工程活動，對巖體應力造成擾動，導致應力值劇烈變化，后應力值趨于平緩，表明該處邊坡處于穩定狀態；E8-3監測點在2011年12月20日以后應力值呈上升狀態，在2012年2月4日初達到峰值，此后有所減低，表明邊坡暫處于穩定狀態，但應加強邊坡的監測；W1-1監測點在2011年12月到2012年1月期間應力值具有明顯的脈沖波動，波動后又恢復到正常的應力值，其并不影響應力值曲線的整體走勢，表明此處邊坡處于穩定狀態。

從整體上看，海州礦北幫暫處于穩定狀態，但復雜的地質構造、氣象、地下水活動以及工程活動使海州礦北幫成為滑坡高風險區，應加邊坡的監測和檢查工作，及時分析邊坡監測數據，確保海州露天礦北幫安全。

3 結論

（1）海州露天礦邊坡預應力錨索遠程監測系統屬于主動監測邊坡的應力變化來獲取巖體變形特征和滑移信息，通過監測邊坡應力變化能夠提前對邊坡穩態進行預測和預警。

（2）海州露天礦邊坡預應力錨索遠程監測系統采用GPRS遠距離無線傳輸技術，實現了對邊坡應力數據的遠程、連續、自動、實時、準確、采集存儲，消除了人工現場測讀數據受精度、天氣、安全等因素的影響；系統采用太陽能供電，克服了遠程監測需要頻繁更換電池的困難，適用于中長期邊坡監測。

（3）通過對海州露天礦邊坡的監測，系統記錄了大量的監測數據，為海州露天礦邊坡的穩定狀況和潛在危害的正確分析評價、預報預警及工程治理提供了可靠資料和科學依據。通過監測數據進行分析和評估，認為海州礦北幫目前暫處于穩定狀態。

（4）通過對海州露天礦一年多的邊坡監測應用實踐證明，海州露天礦邊坡預應力錨索遠程監測系統能夠對邊坡穩定性進行實時監測。

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