鉆孔測斜儀在某露天礦深層巖移監測中的應用

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東南部,開采于1914年,有近百年的開采歷史。現已形成東西長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,并有中直企業撫順石油一廠、遼寧省直企業撫順發電廠等企業單位。長期高強度的礦山開采誘發了一系列滑坡地質災害。為了防止和減輕撫順西露天礦坑北幫邊坡滑坡地質災害的發生給周邊企業、采煤安全和居民造成生命財產的損失,于2006年6月10日正式啟動撫順西露天礦北幫滑坡變形監測、預警工作。

對于滑坡變形地質體來講,不僅要監測其地表位移,也要監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。鉆孔測斜儀的出現較為圓滿地解決了該問題,現已成為觀測深部橫向(或水平)位移的標準手段。鉆孔測斜儀是一種測定鉆孔水平位移的原位監測儀器。通過對鉆孔的逐段測量可以獲得鉆孔在整個深度范圍內水平方向的位移,從而可以比較準確地確定其變形的大小、方向和深度。西方國家自20世紀60年代就開始大量應用鉆孔測斜儀,國內也應用了近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測,效果很好。由于其適應于各種類型的斜坡且穩定可靠,被廣泛應用于滑坡監測當中。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測的有關問題,結合長期應用CX-3C系列測斜儀對撫順西露天礦北幫深層巖移監測分析,測斜成果證明鉆孔測斜儀對深層巖移進行監測的可行性。

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測儀器,在邊坡工程原位監測中應用最為廣泛。通過監測可以確定巖(土)體內滑裂面的位置、大小和滑動方向,對分析邊坡穩定性、確定滑坡動態起著重要的作用。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,當傳感器探頭相對于地球重心方向產生傾角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換成信號,經過分析處理,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,應根據滑體滑動方向,在測讀儀里設定正反方向(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的數值,單位為mm。

當測斜管埋設進入相對穩定土層或非變形土層時,則可認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)鉆孔應布設在地面位移較為明顯的地帶;2)測斜管的埋設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測中使用并開展深層巖移監測的鉆孔有9個,主要監測F1a斷裂帶兩側的深部基巖的位移情況,因此鉆孔布設在F1a斷裂帶附近。其中,9個分布在撫順發電廠院內,由西向東布設了3條監測剖面,每條監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,其余孔位于F1a北側。

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測。以孔底為基準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,監測點間距為1.0 m,測量精度為0.1 mm/500 mm。測斜儀監測數據導入計算機后,可自動生成日報表、趨勢報表,并繪制位移曲線。儀器設定每個測孔的第0次數據組為初始值,以第0次數據組為參照,數據為正值表示向南位移,負值則表示向北移動。

表1 監測數據統計分析特征表

5 CX-3C測斜儀的數據分析

撫順西露天礦北幫邊坡深層巖移監測主要監測F1a斷裂帶兩側的深部基巖的位移情況,自2008年3月以來共取得135組測斜數據,現以ZK7(F1a北端)、ZK8(F1a中間)、ZK9(F1a南端)剖面的監測數據為例分析說明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CX-3C測斜儀的數據分析系統(見表1),以上3組測斜數據的特征反映了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的,從數據變化量上看,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)的標記每次都在同一位置讀數。2)測斜孔口上要做深度讀數標記。3)要符合規定的水溫、水壓及測斜角度。

7 結語

本文通過對鉆孔測斜儀在撫順西露天監測中的應用,得到的相關數據可以確定出巖(土)體內滑裂面的位置、大小和滑動方向,對分析邊坡穩定性、確定滑坡的機制和滑動形式起著重要的作用,而且可有效地指導滑坡治理工程活動。因此鉆孔測斜儀將會在深部巖移監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.