某露天礦采場邊坡變形監測系統構建及監測數據分析

蔡彬亭 李樹建，2 趙 雷 王孟來，2

（1.云南磷化集團有限公司；2.國家磷資源開發利用工程技術研究中心）

目前，隨著科學技術的發展和儀器設備的更新，工程巖體災變監測早已實現從早期的人工監測過渡到現在的實時自動化監測，監測手段越來越多，監測精度也越來越高［1］。以采場邊坡監測為例，監測內容主要有變形監測［2-5］、采動應力監測［6-7］、巖體破裂監測［8-9］、爆破振動監測［10］、水文氣象監測［11］和視頻監測［12］等，其中變形監測應用最為廣泛。本項目以某露天礦采場邊坡為工程背景，構建了一套以表面位移在線監測為主，內部位移手動監測和裂隙變形在線監測為輔的監測系統，為類似采場邊坡變形監測提供了一套可借鑒的工程經驗。

1 工程背景

通過現場勘察，露天礦采場邊坡屬于裂隙巖質高邊坡（圖1），主要有+1 110，+1 090，+1 070，+1 046，+1 022，+998 m平臺。其中，采場邊坡最高標高為+1 178 m，最低標高為+962 m，最大垂直高度達到216 m，階段邊坡角為65°~68°，+1 070，+1 110 m平臺的寬度約為8.0～12.0 m，+1 046，+1 022，+998 m平臺的寬度為3.0~5.0 m，東西長度約為900 m，南北寬約為230 m。與此同時，采場邊坡部分區域巖體基本質量級別為Ⅴ級和Ⅳ級，可能因風化作用、雨水侵蝕、爆破作業、汽車運輸、坡腳開挖等因素影響出現局部失穩現象。此外，采場邊坡變形破壞區域主要集中在南幫+1 070~+998 m范圍內，破壞類型主要以楔體滑塌為主。由于該露天礦剩余開采年限較短，采場邊坡變形破壞區域治理面積較大且治理費用偏高。因此，對潛在危險區域采用監測預警措施來掌握巖體災變失穩情況顯得至關重要，一方面保證了作業人員生命安全和生產作業正常進行，另一方面可為采場邊坡整治工程設計提供信息參考并控制采場邊坡治理費用。

2 采場邊坡變形監測系統構建

2.1 監測原則

在采場邊坡變形監測系統構建前，應掌握巖體失穩斷裂特性，了解采場邊坡自身工程特點，特別是變形破壞區域調查和穩定性影響因素分析。與此同時，采場邊坡變形監測系統構建成敗與監測內容、監測設備、監測區域的選取直接相關。根據采場邊坡變形監測工作經驗，邊坡監測原則總結［13］如下。

（1）可靠性原則。即監測系統需要采用可靠的監測設備及在監測期間應保護好已布置的監測點。

（2）加密監測原則。采場邊坡穩定性差的位置應加密監測，特別是采場邊坡已出現裂隙或發生過局部滑塌現象的區域應加密監測，從而保證作業人員及設備的安全。

（3）綜合監測原則。隨著高新技術和現代監測儀器的推廣和應用，坡體深部一體化監測、多源信息融合監測、實時在線綜合監測將成為采場邊坡變形監測的發展趨勢。

（4）方便實用原則。即監測系統構建與使用應做到方便實用。

（5）經濟合理原則。即合理控制監測費用，選擇合適的監測系統，能滿足采場生產作業需要即可。

2.2 監測內容

（1）采場邊坡表面位移在線監測。根據露天礦采場邊坡工程概況和現場施工條件，采用測量機器人監測技術持續獲取表面位移空間數據，監測采用單臺極坐標持續監測方式。按測線水平間距不大于100 m及測點垂直間距不大于50 m的原則，共設計布置了38個表面位移監測點，見圖2。其中，圓點代表表面位移監測點設計位置。根據圖2可知，由于112勘探線與+1 046 m平臺相交處靠近運輸道路，故表面位移監測點N09布置在+1 046 m平臺與111勘探線相交處。

（2）采場邊坡內部位移監測。為實現坡體內部和表面一體化監測，全面準確地評價采場邊坡穩定性，采用鉆孔測斜法對潛在滑移區域內部變形情況進行監測。采場邊坡內部位移監測縱斷面選擇應視采場邊坡地質條件、穩定性情況、施工條件等因素而定，通常還應滿足：內部位移監測縱斷面至少布置3個監測點，且監測點之間的垂直間距不大于50 m。結合采場邊坡工程概況，采場邊坡南幫109勘探線至112勘探線范圍內出現了多處變形破壞區域；因此，可將內部位移監測點布設在采場邊坡南幫111勘探線+1 110，+1 070和+1 022 m平臺；但根據現場踏勘，采場邊坡南幫+1 022，+1 046，+1 090 m平臺都不具備鉆孔測斜法施工條件，采場南幫+1 110 m平臺后方為一平地。綜上所述，采場邊坡內部位移監測點最終布置在采場邊坡南幫111勘探線+1 110 m平臺及其后方、+1 070 m平臺。內部位移監測點布設位置如圖3所示。

（3）采場邊坡裂隙變形在線監測。由于裂隙的存在，不僅弱化了采場邊坡巖體力學性質，還為雨水、地下水、積雪等提供了充水通道。與此同時，裂隙擴展與否直接影響著采場邊坡穩定性。由此可知，裂隙變形在線監測對采場邊坡穩定性評價顯得至關重要。根據現場踏勘，選擇了5條較大裂隙進行在線監測。每條裂隙布置2個裂隙傳感器，其布置位置根據裂隙的走向和長度來定，通常將裂隙傳感器分別布設在裂隙最寬處和裂隙末端。裂隙變形在線監測如圖4所示。

3 變形監測數據分析

3.1 表面位移監測數據分析

對于表面位移在線監測而言，選取采場邊坡南幫111勘探線監測斷面中監測點S01、S09、S13和S21的某一周監測數據，其結果如圖5所示。根據類似工程經驗，表面位移變形速率預警閥值可設為10 mm/d，表面位移累計變化量預警閥值可設為12 mm。在圖5中，ΔX、ΔY和ΔZ分別表示表面位移監測點X方向、Y方向和Z方向累計變化量。由圖5可知，表面位移監測點各方向累計變化量都未超過預警閥值，表明采場邊坡南幫111勘探線附近巖體整體上處于穩定狀態。另外，根據圖5可知，各監測點ΔX、ΔY和ΔZ均產生了不同程度的波動，雖然表面位移波動程度很小，但總趨勢是向下移動。因此，需繼續加強監測，持續關注采場邊坡變形情況。通過目前監測結果來看，表面位移在線監測系統能夠滿足采場邊坡日常變形監測工作需要。

3.2 內部位移監測數據分析

為了實現采場邊坡地表和內部一體化監測，對布置在采場邊坡南幫111勘探線內部位移監測點的監測數據進行了分析，某一次內部位移監測點監測結果如圖6所示。在圖6中，3個內部位移監測點各個深度偏移量都很小。由此可知，采場南幫111勘探線附近區域巖體未發生明顯的大變形位移，這一結論與表面位移監測結果相一致。值得注意的是，采場邊坡變形積累達到一定程度是需要一段時間的。因此，無論表面位移在線監測，還是內部位移手動監測，只有長時間持續監測，才能實現采場邊坡災變預警的目的。

3.3 裂隙變形監測數據分析

對于裂隙變形在線監測而言，在安裝好裂隙傳感器時可獲得裂隙變形初始值。與此同時，在監測網絡平臺中人為設置好裂隙變形預警閥值。當裂隙傳感器所獲取的裂隙變形當前值超過其預警閥值時，通過手機短信或監測網絡平臺可及時掌握裂隙擴展情況，從而實現采場邊坡災變預警目的。表1為10個裂隙傳感器經過一段時間后所獲取的裂隙變形監測數據。由表1可知，所監測的裂隙都未發生變形。根據現場測量，裂隙變形監測結果與工程現場相符。由此可知，裂隙變形在線監測可應用到采場邊坡災變監測預警中。

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4 結 論

（1）根據露天礦采場邊坡工程概況和現場施工條件，構建了一套以表面位移在線監測為主，內部位移手動監測和裂隙變形在線監測為輔的監測系統，為類似采場邊坡提供了可借鑒的工程經驗。

（2）變形監測數據分析結果表明：基于測量機器人技術的表面位移在線監測系統能夠滿足采場邊坡日常變形監測工作需要，采用鉆孔測斜法能夠獲取采場邊坡巖體內部變形情況，裂隙變形在線監測可應用到采場邊坡災變監測預警中。

（3）采場邊坡變形積累達到一定程度是需要一段時間的。因此，無論表面位移和裂隙變形在線監測，還是內部位移手動監測，只有長時間持續監測，才能實現采場邊坡災變預警目的。