露天煤礦邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李敬國(guó) 李春林 劉寶華

摘要：本文根據(jù)白音華三號(hào)礦邊坡滑（移）動(dòng)監(jiān)測(cè)的實(shí)踐，總結(jié)出較深露天礦邊坡監(jiān)測(cè)方法；用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理并繪制出各種變形曲線圖；由多次已經(jīng)發(fā)生的邊坡滑（移）動(dòng)實(shí)踐（兼有滑坡規(guī)律），初步探討出露天礦邊坡滑（移）動(dòng)的普遍規(guī)律性。

關(guān)鍵詞：露天煤礦；邊坡；監(jiān)測(cè)

引言

通過(guò)對(duì)白音華三號(hào)露天礦邊坡巖移監(jiān)測(cè)的實(shí)踐，分析了露天礦邊坡監(jiān)測(cè)方法。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理并繪制出各種變形曲線圖；對(duì)露天礦邊坡滑坡普遍規(guī)律性初步探討。由于露天采礦形成采場(chǎng)，使得該地層自然壓力的平衡遭到破壞。在一定的條件下，容易誘發(fā)產(chǎn)生邊坡滑坡。露天礦滑坡嚴(yán)重地影響著露天采礦生產(chǎn)和人員的安全。因此，用科學(xué)的邊坡滑坡監(jiān)測(cè)方法，利用計(jì)算機(jī)處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并繪制各種變形曲線圖，總結(jié)滑坡與外界條件及變形值的有機(jī)關(guān)系，尋找邊坡滑坡的客觀規(guī)律，逐步做到滑坡預(yù)報(bào)，對(duì)于露天礦生產(chǎn)和安全，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有著極其重要的意義。

白音華三號(hào)露天煤礦設(shè)計(jì)開(kāi)采面積為51.38km2，主要開(kāi)采煤層為2煤組和3煤組，共有5個(gè)主采煤層，2-1上、2-1中、2-1下、3-1、3-3煤層，平均厚度依次為3.80m、7.55m、4.75m、18.77m、6.66m。占總煤量為94%，其中的三個(gè)代表層，分別為2-1中、3-1和3-3煤層，占總煤量的71%。設(shè)計(jì)資源/儲(chǔ)量為1432.89Mt，可采儲(chǔ)量1375.57Mt，生產(chǎn)能力每年14.0Mt，平均剝采比4.38m3/t，服務(wù)年限89年，總投資265108.81萬(wàn)元，生產(chǎn)已初具規(guī)模.伴隨著采礦活動(dòng)，露天礦邊坡滑坡頻繁，尤其二、三標(biāo)段滑坡嚴(yán)重，清邦減重增加大量的剝離量，使基建投資加大，縱觀白音華三號(hào)露天礦邊坡的現(xiàn)狀，邊坡布置觀測(cè)網(wǎng)，設(shè)置觀測(cè)站。

1.觀測(cè)方法

1.1滑坡觀測(cè)線（點(diǎn)）的建點(diǎn)

根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的滑坡實(shí)踐及其理論分析，我們?cè)诓蓤?chǎng)南幫及東西兩端幫及北幫共布設(shè)了21條觀測(cè)線（點(diǎn)）（見(jiàn)圖1）。觀測(cè)線長(zhǎng)300～450m之間，觀測(cè)線布置間距一般為100m。控制點(diǎn)及觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)樁結(jié)構(gòu)分為鋼管、元鋼等幾種類型，外套PVC白色塑料管為混凝土模具，外涂紅、白相間油漆，標(biāo)志。非常直觀醒目，便于尋找。

圖1 采場(chǎng)邊坡觀測(cè)線

1.2觀測(cè)方法

使用經(jīng)過(guò)檢核合格后的全站儀進(jìn)行連測(cè)，在觀測(cè)站全部測(cè)點(diǎn)埋設(shè)10～15天后進(jìn)行觀測(cè)，按“煤礦測(cè)量手冊(cè)”、“煤礦測(cè)量規(guī)程”的要求，采用5″經(jīng)緯儀導(dǎo)線與礦區(qū)GPS #B27、#B40等三角點(diǎn)聯(lián)測(cè)，最終求其觀測(cè)網(wǎng)控制點(diǎn)及觀測(cè)點(diǎn)的三度坐標(biāo)X、Y、Z（H）。使用電子速測(cè)儀（全站儀）對(duì)觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)，大大提高觀測(cè)效率，該儀器有電子經(jīng)緯儀，光電測(cè)距儀，數(shù)據(jù)記錄器或數(shù)據(jù)終端組成。具有測(cè)角、測(cè)距、自動(dòng)記錄和計(jì)算的功能，具有精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、自動(dòng)分析和輸出的功能。

為比較邊坡滑動(dòng)前后變化，確定滑體形狀大小，在滑坡后繪制1：1000滑坡區(qū)平面圖，在圖上應(yīng)表示滑動(dòng)裂縫位置、凸起和凹下等變形發(fā)生的位置及有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.實(shí)施觀測(cè)

2.1觀測(cè)內(nèi)容

預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)的目的是發(fā)現(xiàn)邊坡何時(shí)開(kāi)始滑動(dòng)，可根據(jù)季節(jié)和觀測(cè)線具體情況每7～30天進(jìn)行一次觀測(cè)，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)下沉大于30mm時(shí)，即為滑動(dòng)開(kāi)始。

滑動(dòng)期觀測(cè)：滑動(dòng)期觀測(cè)一般每月觀測(cè)一次，在滑動(dòng)速度快、變形大的情況下，應(yīng)縮短觀測(cè)時(shí)間，活躍期7天觀測(cè)一次，以便全面掌握和研究滑坡規(guī)律。

2.2資料整理

首先建立三維假定坐標(biāo)系統(tǒng)：

W軸------------沿鉛垂線方向

X′軸-----------沿觀測(cè)線方向

Y′軸-----------沿觀測(cè)線方向

①填寫(xiě)觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程表

②填寫(xiě)觀測(cè)點(diǎn)水平距離表

③按觀測(cè)線計(jì)算測(cè)點(diǎn)下沉W值和下沉速度。

V值

Wn=Hn-Hon

（mm/晝）

式中：Hon，Hn-------分別為n點(diǎn)滑動(dòng)前后的高程

-------為n號(hào)點(diǎn)在數(shù)值面內(nèi)兩次觀測(cè)分量之差

--------為n號(hào)點(diǎn)兩次觀測(cè)時(shí)間間隔差。

①測(cè)點(diǎn)的水平移動(dòng)v和點(diǎn)間水平變形

～n+1 （mm/m）

②測(cè)點(diǎn)在垂直面內(nèi)的移動(dòng)向量W

③測(cè)點(diǎn)在平面的移動(dòng)向量V

④應(yīng)繪制觀測(cè)線垂直下沉曲線圖

⑤觀測(cè)點(diǎn)水平移動(dòng)與水平變形的曲線圖

3.應(yīng)用實(shí)踐

3.1滑坡發(fā)生前的客觀條件

白音華三號(hào)露天礦顯著滑坡的發(fā)生條件有如下共性：

發(fā)生在雨季（大雨當(dāng)中或大雨過(guò)后）；

發(fā)生在斷層處或軟巖層處（如頁(yè)巖）；

滑坡前均出現(xiàn)與邊坡走向近于平行的裂縫（大的裂縫寬達(dá)300～400mm）；

邊坡點(diǎn)變形大，且速度快，空間變形達(dá)400～500mm，變形速度達(dá)300～500mm/天。

3.2對(duì)滑坡發(fā)生的理論分析

滑坡與時(shí)間因素有密切關(guān)系，邊坡暴露時(shí)間越長(zhǎng)，由于各種因素影響的積累，使邊坡越來(lái)越不穩(wěn)定，超過(guò)一定限度，就會(huì)發(fā)生滑坡。

對(duì)白音華三號(hào)露天礦滑坡的實(shí)測(cè)資料分析表明：滑坡都是發(fā)生在順層邊坡的剪切性破壞。這里的巖體中存在著抗剪強(qiáng)度較低的弱層面（如頁(yè)巖），而且朝向采場(chǎng)（即順層邊坡），當(dāng)弱層面上部巖體的自重和其他外部負(fù)荷所構(gòu)成的下滑力超過(guò)沿弱層面的抗滑力時(shí)，上部巖體將沿此弱層面，向下滑（移）動(dòng)，即形成滑坡。特別是在雨季，由于大量雨水在巖體裂隙中流動(dòng)并形成一定的水位，產(chǎn)生水壓，成為附加載荷作用于邊幫上，改變了邊坡巖體的受力狀態(tài)，加之流水在某些弱層面的溶解和沖刷作用及其浮力作用，都將降低邊坡巖體的穩(wěn)定程度。

3.3滑坡因素分析

從白音華三號(hào)露天礦滑坡觀測(cè)站觀測(cè)工作中，不斷的深入現(xiàn)場(chǎng)觀看，滑坡之動(dòng)態(tài)變化，總結(jié)影響滑坡因素：

采場(chǎng)剝離和開(kāi)采的強(qiáng)度系影響滑坡的第一因素，如三號(hào)礦南幫（非工作幫）。各標(biāo)段除三標(biāo)南幫以外各標(biāo)段滑坡均比較嚴(yán)重，而當(dāng)時(shí)三標(biāo)已停止剝離，礦坑內(nèi)有積水，其南幫地面觀測(cè)點(diǎn)比較穩(wěn)定，后來(lái)三標(biāo)段開(kāi)始生產(chǎn)剝離，結(jié)果南幫地面觀測(cè)點(diǎn)開(kāi)始迅速下沉和移動(dòng)，滑坡開(kāi)始，業(yè)已形成連續(xù)錯(cuò)落的倒臺(tái)階，景象可觀。

地面降水也是影響三號(hào)礦坑滑坡之重要因素，今年降雨量大，排土場(chǎng)流下的水，南幫地表水，緩慢的沉入地下，值得提出的是，三號(hào)礦9月份之前沒(méi)有建設(shè)排水溝，導(dǎo)致積水緩慢沉入地下，并且含水層的水也流入礦坑，業(yè)已構(gòu)成了滑坡的潤(rùn)滑劑。

從地質(zhì)水文條件來(lái)分析，地下水層，露天剝離開(kāi)采形成了降落漏斗，工作幫外圍有疏干井，而非工作幫（南幫）沒(méi)有疏干排水設(shè)施，含水層的水流入礦坑過(guò)程中，由于滑床的土質(zhì)問(wèn)題，很快的產(chǎn)生大量的水下滲之現(xiàn)象。

從地質(zhì)條件來(lái)看，白音華三號(hào)露天礦巖層：為細(xì)沙粘土層，泥巖層，地質(zhì)軟巖比例大，利于滑坡，煤層，巖層的向北傾斜也造成同時(shí)也造成了滑坡的重要條件。

4滑坡預(yù)報(bào)方法研究

4.1滑坡過(guò)程

滑坡從早期征兆出現(xiàn)到滑坡完成，經(jīng)歷著三個(gè)時(shí)期，即初始期、恒速度滑動(dòng)期和加速滑動(dòng)期。

4.2預(yù)報(bào)內(nèi)容

滑坡預(yù)報(bào)包括三部分內(nèi)容（三要素）：滑坡位置（范圍）、滑坡形態(tài)（類型）和滑坡發(fā)生時(shí)間。從邊坡管理角度，滑坡預(yù)報(bào)又分為：

長(zhǎng)期預(yù)報(bào)（幾個(gè)月至幾年），側(cè)重宏觀掌握邊坡穩(wěn)定狀態(tài)；

短期預(yù)報(bào)（幾天至一、二個(gè)月），認(rèn)真做好監(jiān)測(cè)及其它工作并采取相應(yīng)的安全措施；臨時(shí)預(yù)報(bào)（幾個(gè)小時(shí)到1～2天），采取安全措施；上述三種預(yù)報(bào)，以短期預(yù)報(bào)和臨時(shí)預(yù)報(bào)最為重要。

4.3預(yù)報(bào)方法

由以上分析可以看出，影響滑坡的因素是復(fù)雜的、綜合性的，因此滑坡預(yù)報(bào)也只能采取（至少目前是這樣）綜合的概率統(tǒng)計(jì)的定性預(yù)報(bào)法，我們可以利用回歸分析原理，通過(guò)對(duì)時(shí)間位移曲線的觀察，對(duì)加速變形階段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用冪級(jí)數(shù)回歸的二次曲線方程去擬合觀測(cè)點(diǎn)圖。回歸分析建立的前提條件是：監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移一定是進(jìn)入加速階段中后期，采用如下的冪級(jí)數(shù)回歸二次曲線去擬合

Y= a0+a1x+ a2 x2

式中：a0、a1、a2為待定系數(shù)。采用最小二乘法原理及求極值的法則，解出待定系數(shù)。

結(jié)束語(yǔ)

影響滑坡的因素是復(fù)雜的、綜合性的，利用回歸模型進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào)，采取綜合的概率統(tǒng)計(jì)的定性預(yù)報(bào)法時(shí)，要綜合考慮邊坡巖體內(nèi)有斷層，且存在弱層面；連降大雨過(guò)程中或大雨過(guò)后；露天開(kāi)采邊坡周邊原始地面下沉量較大區(qū)域。