南芬露天礦高陡邊坡變形監(jiān)測(cè)及破壞特征研究

康瑞芳 王長(zhǎng)軍 樊建緯 謝 行 邢洪羽 于 銳

(1.遼寧冶金技師學(xué)院冶金系;2.本溪鋼鐵(集團(tuán))南芬露天鐵礦;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院)

礦山滑坡、崩塌及斜坡崩坍等災(zāi)害使露天采礦工程多方面受害［1］。特別是隨著露天礦山的開采方式由山坡開采轉(zhuǎn)向凹陷開采，礦山邊坡的垂直高度不斷增加［2］，嚴(yán)重威脅著采場(chǎng)的安全可持續(xù)開采。目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了許多探討，但仍有許多問(wèn)題尚未解決，因此在礦山開采前和開采過(guò)程中，必須加強(qiáng)對(duì)采場(chǎng)邊坡，特別是高陡邊坡的穩(wěn)定性研究和變形破壞特征的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，爭(zhēng)取在邊坡變形破壞前第一時(shí)間獲取破壞信息，及時(shí)撤離危險(xiǎn)區(qū)域施工人員和機(jī)械，將災(zāi)害損失減小到最低。

1 監(jiān)測(cè)原理及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 基本監(jiān)測(cè)原理

礦山邊坡地表位移極坐標(biāo)測(cè)量法是測(cè)量中一種比較實(shí)用也比較常用的觀測(cè)方法，它是通過(guò)將儀器架設(shè)到己知坐標(biāo)的穩(wěn)定點(diǎn)上，利用己知點(diǎn)來(lái)定向，觀測(cè)未知點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距，這些觀測(cè)量和己知點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)求得未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如圖1所示。

圖1 極坐標(biāo)法原理

已知點(diǎn)A、B的坐標(biāo)分別為(XA，YA，HA)、(XB，YB，HB)，未知點(diǎn)C的坐標(biāo)假設(shè)為(XC，YC，HC)，則BA方向的方位角為

而BC的方位角為

那么C點(diǎn)的坐標(biāo)為

其中，DBC為B、C之間的平距，它可以通過(guò)斜距S和垂直角i來(lái)計(jì)算:

C點(diǎn)的高程可以通過(guò)三角高程的方法來(lái)求:

其中，i為垂直角;ih為儀器高;ah為棱鏡高度。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2009年10月，南芬露天鐵礦引進(jìn)TCA系列全自動(dòng)全站儀，建立了采場(chǎng)邊坡變形全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采場(chǎng)下盤老滑坡體和斑巖脈兩側(cè)破碎帶進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

徠卡公司生產(chǎn)的TCA系列自動(dòng)全站儀是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的測(cè)量全站儀，其具有自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)、自動(dòng)正倒鏡測(cè)量和自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集的功能。TCA2003全站儀屬于徠卡TPS1000系列中精度最高、性能最好、智能化與自動(dòng)化程度最高的全站儀，適合微變形監(jiān)測(cè)和大變形監(jiān)測(cè)［3-5］。

南芬露天鐵礦地表位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成:

(1)TCA2003全站儀;

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn);

(3)監(jiān)測(cè)分析軟件GEOMOS(圖2);

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

(4)溫濕度補(bǔ)償系統(tǒng);

(5)計(jì)算機(jī)和專用通訊電纜。

該系統(tǒng)可以自動(dòng)完成測(cè)量周期、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)測(cè)量成果、實(shí)時(shí)顯示變形趨勢(shì)等，可24 h不間斷對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)實(shí)施測(cè)量。

2 下盤430 m臺(tái)階破壞特征分析

2.1 J42監(jiān)測(cè)區(qū)破壞特征分析

南芬露天鐵礦J42位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于采場(chǎng)下盤430 m臺(tái)階南側(cè)。2012年6月，該點(diǎn)周圍地表位移變化破壞過(guò)程可以分為3個(gè)變形破壞階段(圖3)。

圖3 J42位移監(jiān)測(cè)曲線

(1)緩慢位移階段(AB)。此階段歷時(shí)較長(zhǎng)，約為40 d，累計(jì)位移增長(zhǎng)120 mm。

(2)加速突變階段(BC)。約為10 d，滑體力學(xué)平衡被打破，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的位移變化，累計(jì)位移增長(zhǎng)650 mm，此階段出現(xiàn)臺(tái)階嚴(yán)重塌陷現(xiàn)象。伴隨著裂縫的發(fā)育，430 m臺(tái)階上的堆石順著邊坡滾落到394 m和370 m臺(tái)階，由于預(yù)警和采取措施及時(shí)果斷，未造成任何人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。J42監(jiān)測(cè)區(qū)地表變形特征如圖4所示。

圖4 J42監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞特征

(3)減速上升階段(C點(diǎn)以后)。此階段一直持續(xù)至今，上升速率明顯減慢，露天礦決策層根據(jù)監(jiān)測(cè)曲線迅速做出恢復(fù)開采的決策。

2.2 J32監(jiān)測(cè)區(qū)破壞特征分析

南芬露天鐵礦J32位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于采場(chǎng)下盤430 m臺(tái)階北側(cè)。2012年4月，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍地表位移變化過(guò)程可以分為4個(gè)變形破壞階段(圖5)。

圖5 J32位移監(jiān)測(cè)曲線

(1)緩慢位移階段(AB)。此階段歷時(shí)約為25 d，累計(jì)位移增長(zhǎng)52 mm。

(2)加速上升階段(BC)。約為45 d，滑體力學(xué)平衡被打破，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的位移變化，累計(jì)位移增長(zhǎng)290 mm。此階段屬于預(yù)警階段，露天礦及時(shí)撤離下方采礦設(shè)備和人員。

(3)位移突變階段(CD)。此階段位移發(fā)生突升現(xiàn)象，10 d累計(jì)增長(zhǎng)150 mm，臺(tái)階發(fā)生明顯塌陷現(xiàn)象。伴隨著塌陷災(zāi)害的發(fā)生，430 m臺(tái)階北側(cè)的堆石順著邊坡滾落到394 m和370m臺(tái)階。由于預(yù)警和采取措施及時(shí)果斷，未造成任何人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。J32監(jiān)測(cè)區(qū)地表塌陷特征如圖6所示。

圖6 J32監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞特征

(4)減速上升階段(D點(diǎn)以后)。此階段位移上升速率明顯減慢。

3 下盤526 m臺(tái)階破壞特征分析

3.1 J62監(jiān)測(cè)區(qū)破壞特征分析

J62位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于采場(chǎng)下盤526 m臺(tái)階中部，從2012年6月28日開始，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生了顯著變化，變化過(guò)程可以分為2個(gè)階段(圖7)。

(1)緩慢位移階段(AB)。此階段歷時(shí)約為3 d，累計(jì)位移增長(zhǎng)25 mm，增長(zhǎng)速率為0.34 mm/h。

(2)加速上升階段(BC)。約為11 d，滑體力學(xué)平衡被打破，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的位移變化，累計(jì)位移增長(zhǎng)200 mm。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)域高度為0.2～0.3 m，最大寬度為25 m，長(zhǎng)度為90 m(圖8)。此階段屬于預(yù)警階段。

圖7 J62位移監(jiān)測(cè)曲線

圖8 J62監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞特征

目前，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域處于持續(xù)緩慢沉降階段，并未表現(xiàn)出位移突變或減速上升現(xiàn)象，因此，該區(qū)域仍處于潛在滑塌危險(xiǎn)區(qū)，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

為了不影響擴(kuò)幫進(jìn)度，根據(jù)目前監(jiān)測(cè)曲線未出現(xiàn)突變或減速增長(zhǎng)特征，經(jīng)過(guò)商討，露天礦決策層決定恢復(fù)該區(qū)域的擴(kuò)幫工程，在地表位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指導(dǎo)下有計(jì)劃、有步驟、分區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)幫作業(yè)。

3.2 J63監(jiān)測(cè)區(qū)破壞特征分析

J63位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于采場(chǎng)下盤526 m臺(tái)階南部，從2012年6月28日開始，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生了顯著變化，變化過(guò)程可以分為2個(gè)階段(圖9)。

圖9 J63位移監(jiān)測(cè)曲線

(1)緩慢位移階段(AB)。此階段歷時(shí)約為3 d，累計(jì)位移增長(zhǎng)25 mm，增長(zhǎng)速率為0.34 mm/h。

(2)加速上升階段(BC)。約為11 d，滑體力學(xué)平衡被打破，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的位移變化，累計(jì)位移增長(zhǎng)210 mm，塌陷區(qū)域塌陷高度為0.8～1.5 m，最大寬度為15 m，長(zhǎng)度為45 m(圖10)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)此處巖石較破碎，從526～430 m臺(tái)階整個(gè)坡面都堆積的是爆破產(chǎn)生的滾石，此階段屬于預(yù)警階段。

圖10 J63監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞特征

4 防治對(duì)策

根據(jù)上述地表位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，南芬露天鐵礦制定了相應(yīng)的綜合防治對(duì)策。

(1)加強(qiáng)對(duì)430 m臺(tái)階J42、J32號(hào)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注其變化情況，做好及時(shí)匯報(bào)的工作。

(2)加快514 m臺(tái)階的采出工作，盡早采出526 m臺(tái)階的塌陷區(qū)域，對(duì)下面臺(tái)階起到減載的作用。

(3)嚴(yán)格控制526 m臺(tái)階邊緣爆破的工作，盡量減小爆破對(duì)臺(tái)階穩(wěn)定性的影響。

(4)做好526 m臺(tái)階塌陷區(qū)域巡查的工作，及時(shí)關(guān)注其變化情況。結(jié)合下方監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化情況，分析邊坡的穩(wěn)定情況，為安全生產(chǎn)提供保障。

(5)建議下雨天停止滑體下方的開采活動(dòng)，以保安全。

(6)對(duì)四期擴(kuò)幫最終邊坡石英斑巖脈兩側(cè)不穩(wěn)定區(qū)域盡早實(shí)施加固工程，盡早完成574 m臺(tái)階排水溝的工程，減小雨水對(duì)臺(tái)階穩(wěn)定性的影響，防止最終邊坡出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

(7)對(duì)下盤邊坡定期進(jìn)行地形測(cè)量，及時(shí)更新臺(tái)階現(xiàn)狀，對(duì)邊坡穩(wěn)定分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

(1)南芬露天鐵礦地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)從某種程度上為露天礦山掌握高陡邊坡穩(wěn)定性的演變特征提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)J32、J42、J62、J63地表位移監(jiān)測(cè)實(shí)踐表明，基于徠卡自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)可靠性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)便，值得在高陡邊坡變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中推廣。

(3)南芬露天鐵礦目前正處于三期擴(kuò)幫四期開采階段，地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)屢遭邊坡滾石沖擊，必須采取一定的措施，對(duì)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，充分發(fā)揮其監(jiān)測(cè)性能。

(4)由于地表位移監(jiān)測(cè)具有一定的滯后性，因此，應(yīng)當(dāng)將南芬露天鐵礦地表位移監(jiān)測(cè)和深部滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，最終得到高陡邊坡變形破壞的超前信息，實(shí)現(xiàn)真正意義上的滑坡超前監(jiān)測(cè)預(yù)警。

［1］ 喬 蘭，李 遠(yuǎn).露天礦山高陡邊坡變形破壞的工程地質(zhì)模型［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(5):461-464.

［2］ 寇明遙，王永智.露天礦滑坡控制技術(shù)的應(yīng)用與研究［J］.甘肅冶金，2010，32(1):24-27.

［3］ 王長(zhǎng)軍，謝 行，姚 元.全自動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在南芬露天礦的應(yīng)用［J］.本鋼技術(shù)，2011(3):4-7.

［4］ 陳志波，等.位移監(jiān)測(cè)在邊坡治理工程中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2005，26(增刊):306-309.

［5］ 孫豁然，陳慶凱，趙興全，等.南芬露天鐵礦高陡邊坡研究現(xiàn)狀與展望［J］.中國(guó)礦業(yè)，2003(7):41-43.