露天鐵礦獨木北幫邊坡變形區(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中心，遼寧 遼陽111008）

1 問題提出

弓長嶺露天礦獨木采區(qū)是有著近半個世紀開采歷史的老礦山，該礦的北幫主要是由風化程度不同的混合巖構成，200m水平以下出現(xiàn)角閃巖夾層及鐵礦體，工程地質條件較復雜，斷層、節(jié)理較發(fā)育，現(xiàn)為礦山生產的推進幫。隨著礦山開采深度的加深和揭露范圍的擴大，巖體邊坡的高度和范圍逐年增加，復雜的工程地質條件如斷層、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，對礦山的安全生產產生了較大的影響，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幫、隨著生產的進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設備和人員是一種極大的安全隱患。因此，為保證礦山生產安全，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)、巖體位移運動的趨勢等進行監(jiān)測，通過對這些重要數(shù)據(jù)的匯總分析，為巖體邊坡滑坡預報提供科學的依據(jù)。（見圖1）

2 目前國內外邊坡長期監(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備；GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。專用設備測量：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 目前國內邊坡觀測方法主要有以下幾種：

GPS定位：在被觀測點設置可向衛(wèi)星接收系統(tǒng)發(fā)射信息的發(fā)射源設備，通過衛(wèi)星接收后轉回地面受站由計算機系統(tǒng)進行一系列的數(shù)據(jù)處理，最終確定被觀測點的坐標。在我國露天礦邊坡穩(wěn)定性研究中，北京科技大學從國外引進技術在首鋼水廠露天礦邊坡監(jiān)測中使用。該系統(tǒng)設備較昂貴需要從國外進口，操作人員需要進行較高的理論和技術培訓。

裂縫計和傾斜計：該設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地的導管，導管的底部固定在堅固的基巖上視為測量的基礎點。當巖體發(fā)生變形移動時，導管會彎曲產生一定的偏轉角度。從滑體的滑動界面直至地表導管的偏轉角從零度增加到某一角度。用專門設計的探頭測試不同深度導管的偏轉達角可以獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)。通過偏轉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：

鋁合金導管：長久安入在豎直鉆孔中，底部深入穩(wěn)定的基巖，在導管內壁有導向槽以便為探頭導輪定向。

探頭：安裝在導輪架上，能夠測量導管的傾斜轉角及位移。

控制電纜：電纜上有長度標記供提升和下降探頭，同時傳輸電信號到地面設備。

數(shù)據(jù)讀取處理設備：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，則導管會發(fā)生擠壓變形或者斷裂，在此情況下就無法進行觀測了。

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的變化和合成矢量的變化規(guī)律。這些數(shù)據(jù)經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、抗干擾性強以及靈活實用等突出的優(yōu)點，同時，也是礦山生產部門上熟知掌握的方法。通過地面測量觀測滑體的運動狀態(tài)必須建立相應的觀測網(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)。觀測樁設在十字線的交叉點上。觀測網(wǎng)應保證通視良好。

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)域內應通視良好。

任意面局觀測網(wǎng)：地形復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置。如果需要兩個以上的置鏡點，觀測樁盡可能設在觀測線的交點上。

對于大范圍的巖體的變形、沉降乃至出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，在短時間內難以準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)，同時也是預防災害發(fā)生，保證安全生產的有效措施。

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。高科技觀測設備由于費用昂貴往往僅能布置少量的觀測點，在此情況下就會產生觀測空白地帶，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，觀測設備要具有抗外界因素干擾性能強的特點。礦山生產現(xiàn)場的條件是比較復雜和惡劣的，各種干擾因素很多，如高壓線路的電場、磁場，大型設備所產生的地表震動，爆破震動，雷電的干擾等等。某些無線設備一旦處于礦山復雜環(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)測往往要進行數(shù)年，周期比較長。大量的基礎工作由現(xiàn)場生產單位組織完成，所以應盡可能選擇現(xiàn)場熟知掌握的設備建立觀測系統(tǒng)。

綜上所述在考慮多種因素前提下做到精確、實用、性能好，易于操作和經濟適用是選擇監(jiān)測系統(tǒng)總的方針。因此我們認為使用現(xiàn)有的礦山測量設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)的設計

4.1 復合式觀測網(wǎng)的建立

弓礦獨木采區(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，水平標高為245m~350m。在此范圍內較嚴重的巖體變形滑落有兩處。西側滑坡發(fā)生在245m~267m并段后的組合臺階上，長度約為120，東側從350m標高巖體發(fā)生嚴重下沉，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302m水平已達設計境界，302~350m水平巖體的下沉現(xiàn)象已屬境界之外，但該現(xiàn)象已擴展到境界之內，將來對礦山的安全生產會有一定的影響。在該區(qū)段內發(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點設立置鏡點，在觀測網(wǎng)的范圍內通視良好?？梢钥刂普麄€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置

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

5 結束語

通過選擇精密測量觀測網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)方案基礎上建立的復合式觀測網(wǎng)對獨木采區(qū)北幫邊坡變形區(qū)域進行監(jiān)測，為獨木采區(qū)北幫邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠的科學依據(jù)，對礦山安全生產具有重大的現(xiàn)實意義。建立礦山邊坡長期監(jiān)測方法對邊坡進行長期觀測是礦山邊坡研究和安全生產的重要組成部分，為礦山安全生產、提高經濟效益做出貢獻。

[1]陸峰.邊坡監(jiān)測的模式識別和極限分析研究[J].中國水利水電科學研究院，2001-08-01.