露天鐵礦獨(dú)木北幫邊坡變形區(qū)長期監(jiān)測方法

佐麗晶 苗青川 唐士剛 任 鵬

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

1 問題提出

弓長嶺露天礦獨(dú)木采區(qū)是有著近半個世紀(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，必須對不穩(wěn)定區(qū)段的邊坡巖體變形形態(tài)、巖體位移運(yùn)動的趨勢等進(jìn)行監(jiān)測，通過對這些重要數(shù)據(jù)的匯總分析，為巖體邊坡滑坡預(yù)報提供科學(xué)的依據(jù)。（見圖1）

2 目前國內(nèi)外邊坡長期監(jiān)測的方法

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

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

2.2 目前國內(nèi)邊坡觀測方法主要有以下幾種：

GPS定位：在被觀測點設(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，最終確定被觀測點的坐標(biāo)。在我國露天礦邊坡穩(wěn)定性研究中，北京科技大學(xué)從國外引進(jìn)技術(shù)在首鋼水廠露天礦邊坡監(jiān)測中使用。該系統(tǒng)設(shè)備較昂貴需要從國外進(jìn)口，操作人員需要進(jìn)行較高的理論和技術(shù)培訓(xùn)。

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

測斜儀：該設(shè)備系統(tǒng)是分析和檢測巖體滑坡的滑動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)管的底部固定在堅固的基巖上視為測量的基礎(chǔ)點。當(dāng)巖體發(fā)生變形移動時，導(dǎo)管會彎曲產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角度。從滑體的滑動界面直至地表導(dǎo)管的偏轉(zhuǎn)角從零度增加到某一角度。用專門設(shè)計的探頭測試不同深度導(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面的位置。

測斜儀系統(tǒng)主要有四部分組成：

鋁合金導(dǎo)管：長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，能夠測量導(dǎo)管的傾斜轉(zhuǎn)角及位移。

控制電纜：電纜上有長度標(biāo)記供提升和下降探頭，同時傳輸電信號到地面設(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并做數(shù)據(jù)處理。

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

地面精度測量系統(tǒng)：地面測量觀測可以獲得觀測點三維坐標(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)動方向，即巖體滑坡的主滑方向。

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

十字交叉觀測網(wǎng)：對于滑動范圍不大，滑動面比較窄，而且滑動方向明顯的滑坡區(qū)采用該觀測網(wǎng)。觀測樁設(shè)在十字線的交叉點上。觀測網(wǎng)應(yīng)保證通視良好。

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

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

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

3 影響邊坡觀測網(wǎng)方案選擇主要因素

各類監(jiān)測系統(tǒng)有著各自的優(yōu)越性能，同時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)具體條件下的觀測網(wǎng)建立方案時，重點考慮以下幾方面因素：

首先，觀測網(wǎng)范圍內(nèi)要有數(shù)量足夠的觀測點，能夠滿足邊坡變形區(qū)域控制精度的要求。選擇觀測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)測問題。高科技觀測設(shè)備由于費(fèi)用昂貴往往僅能布置少量的觀測點，在此情況下就會產(chǎn)生觀測空白地帶，會因觀測點數(shù)量少而造成對邊坡巖體滑動趨勢分析依據(jù)不足。因此，觀測網(wǎng)方案首先必須能夠控制整個邊坡巖體滑動地帶，不能出現(xiàn)漏測區(qū)段。

其次，觀測設(shè)備要具有抗外界因素干擾性能強(qiáng)的特點。礦山生產(chǎn)現(xiàn)場的條件是比較復(fù)雜和惡劣的，各種干擾因素很多，如高壓線路的電場、磁場，大型設(shè)備所產(chǎn)生的地表震動，爆破震動，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)境中會出現(xiàn)故障和異常，影響監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮正常的觀測功能。

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

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

4 精密觀測網(wǎng)的設(shè)計

4.1 復(fù)合式觀測網(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并段后的組合臺階上，長度約為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)，將來對礦山的安全生產(chǎn)會有一定的影響。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，對該區(qū)邊坡全范圍的監(jiān)測是十分必要的。

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

4.2 對照樁和觀測樁的設(shè)置

對照樁和觀測樁的設(shè)置是在每條射線的端點設(shè)立一個對照樁，其作用是校核該射線上各測點的三維從標(biāo)變化情況。對照樁必須設(shè)置在不發(fā)生移動的基巖上，其坐標(biāo)值觀視為固定值。觀測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)加密觀測點，在每個開采水平上應(yīng)至少有一個觀測樁，根據(jù)地形和觀測范圍的需要共設(shè)置五條射線，觀測樁18個，對照樁5個。對照樁和觀測樁的規(guī)格為200×200m，中心點設(shè)置標(biāo)志物以便測量立鏡

5 結(jié)束語

通過選擇精密測量觀測網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上建立的復(fù)合式觀測網(wǎng)對獨(dú)木采區(qū)北幫邊坡變形區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，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)，對礦山安全生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實意義。建立礦山邊坡長期監(jiān)測方法對邊坡進(jìn)行長期觀測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)測的模式識別和極限分析研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院，2001-08-01.