某露天礦采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

蔡彬亭 李樹(shù)建，2 趙 雷 王孟來(lái)，2

（1.云南磷化集團(tuán)有限公司；2.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心）

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和儀器設(shè)備的更新，工程巖體災(zāi)變監(jiān)測(cè)早已實(shí)現(xiàn)從早期的人工監(jiān)測(cè)過(guò)渡到現(xiàn)在的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)手段越來(lái)越多，監(jiān)測(cè)精度也越來(lái)越高［1］。以采場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)為例，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有變形監(jiān)測(cè)［2-5］、采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)［6-7］、巖體破裂監(jiān)測(cè)［8-9］、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)［10］、水文氣象監(jiān)測(cè)［11］和視頻監(jiān)測(cè)［12］等，其中變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用最為廣泛。本項(xiàng)目以某露天礦采場(chǎng)邊坡為工程背景，構(gòu)建了一套以表面位移在線監(jiān)測(cè)為主，內(nèi)部位移手動(dòng)監(jiān)測(cè)和裂隙變形在線監(jiān)測(cè)為輔的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為類(lèi)似采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)提供了一套可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，露天礦采場(chǎng)邊坡屬于裂隙巖質(zhì)高邊坡（圖1），主要有+1 110，+1 090，+1 070，+1 046，+1 022，+998 m平臺(tái)。其中，采場(chǎng)邊坡最高標(biāo)高為+1 178 m，最低標(biāo)高為+962 m，最大垂直高度達(dá)到216 m，階段邊坡角為65°~68°，+1 070，+1 110 m平臺(tái)的寬度約為8.0～12.0 m，+1 046，+1 022，+998 m平臺(tái)的寬度為3.0~5.0 m，東西長(zhǎng)度約為900 m，南北寬約為230 m。與此同時(shí)，采場(chǎng)邊坡部分區(qū)域巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)，可能因風(fēng)化作用、雨水侵蝕、爆破作業(yè)、汽車(chē)運(yùn)輸、坡腳開(kāi)挖等因素影響出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。此外，采場(chǎng)邊坡變形破壞區(qū)域主要集中在南幫+1 070~+998 m范圍內(nèi)，破壞類(lèi)型主要以楔體滑塌為主。由于該露天礦剩余開(kāi)采年限較短，采場(chǎng)邊坡變形破壞區(qū)域治理面積較大且治理費(fèi)用偏高。因此，對(duì)潛在危險(xiǎn)區(qū)域采用監(jiān)測(cè)預(yù)警措施來(lái)掌握巖體災(zāi)變失穩(wěn)情況顯得至關(guān)重要，一方面保證了作業(yè)人員生命安全和生產(chǎn)作業(yè)正常進(jìn)行，另一方面可為采場(chǎng)邊坡整治工程設(shè)計(jì)提供信息參考并控制采場(chǎng)邊坡治理費(fèi)用。

2 采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 監(jiān)測(cè)原則

在采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建前，應(yīng)掌握巖體失穩(wěn)斷裂特性，了解采場(chǎng)邊坡自身工程特點(diǎn)，特別是變形破壞區(qū)域調(diào)查和穩(wěn)定性影響因素分析。與此同時(shí)，采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建成敗與監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)區(qū)域的選取直接相關(guān)。根據(jù)采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)，邊坡監(jiān)測(cè)原則總結(jié)［13］如下。

（1）可靠性原則。即監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采用可靠的監(jiān)測(cè)設(shè)備及在監(jiān)測(cè)期間應(yīng)保護(hù)好已布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）加密監(jiān)測(cè)原則。采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性差的位置應(yīng)加密監(jiān)測(cè)，特別是采場(chǎng)邊坡已出現(xiàn)裂隙或發(fā)生過(guò)局部滑塌現(xiàn)象的區(qū)域應(yīng)加密監(jiān)測(cè)，從而保證作業(yè)人員及設(shè)備的安全。

（3）綜合監(jiān)測(cè)原則。隨著高新技術(shù)和現(xiàn)代監(jiān)測(cè)儀器的推廣和應(yīng)用，坡體深部一體化監(jiān)測(cè)、多源信息融合監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)在線綜合監(jiān)測(cè)將成為采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

（4）方便實(shí)用原則。即監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建與使用應(yīng)做到方便實(shí)用。

（5）經(jīng)濟(jì)合理原則。即合理控制監(jiān)測(cè)費(fèi)用，選擇合適的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能滿足采場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)需要即可。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

（1）采場(chǎng)邊坡表面位移在線監(jiān)測(cè)。根據(jù)露天礦采場(chǎng)邊坡工程概況和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)技術(shù)持續(xù)獲取表面位移空間數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)采用單臺(tái)極坐標(biāo)持續(xù)監(jiān)測(cè)方式。按測(cè)線水平間距不大于100 m及測(cè)點(diǎn)垂直間距不大于50 m的原則，共設(shè)計(jì)布置了38個(gè)表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。其中，圓點(diǎn)代表表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)位置。根據(jù)圖2可知，由于112勘探線與+1 046 m平臺(tái)相交處靠近運(yùn)輸?shù)缆罚时砻嫖灰票O(jiān)測(cè)點(diǎn)N09布置在+1 046 m平臺(tái)與111勘探線相交處。

（2）采場(chǎng)邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)坡體內(nèi)部和表面一體化監(jiān)測(cè)，全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，采用鉆孔測(cè)斜法對(duì)潛在滑移區(qū)域內(nèi)部變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采場(chǎng)邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)縱斷面選擇應(yīng)視采場(chǎng)邊坡地質(zhì)條件、穩(wěn)定性情況、施工條件等因素而定，通常還應(yīng)滿足：內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)縱斷面至少布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的垂直間距不大于50 m。結(jié)合采場(chǎng)邊坡工程概況，采場(chǎng)邊坡南幫109勘探線至112勘探線范圍內(nèi)出現(xiàn)了多處變形破壞區(qū)域；因此，可將內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在采場(chǎng)邊坡南幫111勘探線+1 110，+1 070和+1 022 m平臺(tái)；但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，采場(chǎng)邊坡南幫+1 022，+1 046，+1 090 m平臺(tái)都不具備鉆孔測(cè)斜法施工條件，采場(chǎng)南幫+1 110 m平臺(tái)后方為一平地。綜上所述，采場(chǎng)邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終布置在采場(chǎng)邊坡南幫111勘探線+1 110 m平臺(tái)及其后方、+1 070 m平臺(tái)。內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置如圖3所示。

（3）采場(chǎng)邊坡裂隙變形在線監(jiān)測(cè)。由于裂隙的存在，不僅弱化了采場(chǎng)邊坡巖體力學(xué)性質(zhì)，還為雨水、地下水、積雪等提供了充水通道。與此同時(shí)，裂隙擴(kuò)展與否直接影響著采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。由此可知，裂隙變形在線監(jiān)測(cè)對(duì)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)顯得至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選擇了5條較大裂隙進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。每條裂隙布置2個(gè)裂隙傳感器，其布置位置根據(jù)裂隙的走向和長(zhǎng)度來(lái)定，通常將裂隙傳感器分別布設(shè)在裂隙最寬處和裂隙末端。裂隙變形在線監(jiān)測(cè)如圖4所示。

3 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)于表面位移在線監(jiān)測(cè)而言，選取采場(chǎng)邊坡南幫111勘探線監(jiān)測(cè)斷面中監(jiān)測(cè)點(diǎn)S01、S09、S13和S21的某一周監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖5所示。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，表面位移變形速率預(yù)警閥值可設(shè)為10 mm/d，表面位移累計(jì)變化量預(yù)警閥值可設(shè)為12 mm。在圖5中，ΔX、ΔY和ΔZ分別表示表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向、Y方向和Z方向累計(jì)變化量。由圖5可知，表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向累計(jì)變化量都未超過(guò)預(yù)警閥值，表明采場(chǎng)邊坡南幫111勘探線附近巖體整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。另外，根據(jù)圖5可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)ΔX、ΔY和ΔZ均產(chǎn)生了不同程度的波動(dòng)，雖然表面位移波動(dòng)程度很小，但總趨勢(shì)是向下移動(dòng)。因此，需繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，持續(xù)關(guān)注采場(chǎng)邊坡變形情況。通過(guò)目前監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，表面位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足采場(chǎng)邊坡日常變形監(jiān)測(cè)工作需要。

3.2 內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)邊坡地表和內(nèi)部一體化監(jiān)測(cè)，對(duì)布置在采場(chǎng)邊坡南幫111勘探線內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，某一次內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。在圖6中，3個(gè)內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)各個(gè)深度偏移量都很小。由此可知，采場(chǎng)南幫111勘探線附近區(qū)域巖體未發(fā)生明顯的大變形位移，這一結(jié)論與表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致。值得注意的是，采場(chǎng)邊坡變形積累達(dá)到一定程度是需要一段時(shí)間的。因此，無(wú)論表面位移在線監(jiān)測(cè)，還是內(nèi)部位移手動(dòng)監(jiān)測(cè)，只有長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)，才能實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)邊坡災(zāi)變預(yù)警的目的。

3.3 裂隙變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)于裂隙變形在線監(jiān)測(cè)而言，在安裝好裂隙傳感器時(shí)可獲得裂隙變形初始值。與此同時(shí)，在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中人為設(shè)置好裂隙變形預(yù)警閥值。當(dāng)裂隙傳感器所獲取的裂隙變形當(dāng)前值超過(guò)其預(yù)警閥值時(shí)，通過(guò)手機(jī)短信或監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可及時(shí)掌握裂隙擴(kuò)展情況，從而實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)邊坡災(zāi)變預(yù)警目的。表1為10個(gè)裂隙傳感器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所獲取的裂隙變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由表1可知，所監(jiān)測(cè)的裂隙都未發(fā)生變形。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，裂隙變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)相符。由此可知，裂隙變形在線監(jiān)測(cè)可應(yīng)用到采場(chǎng)邊坡災(zāi)變監(jiān)測(cè)預(yù)警中。

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4 結(jié) 論

（1）根據(jù)露天礦采場(chǎng)邊坡工程概況和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，構(gòu)建了一套以表面位移在線監(jiān)測(cè)為主，內(nèi)部位移手動(dòng)監(jiān)測(cè)和裂隙變形在線監(jiān)測(cè)為輔的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為類(lèi)似采場(chǎng)邊坡提供了可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。

（2）變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：基于測(cè)量機(jī)器人技術(shù)的表面位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足采場(chǎng)邊坡日常變形監(jiān)測(cè)工作需要，采用鉆孔測(cè)斜法能夠獲取采場(chǎng)邊坡巖體內(nèi)部變形情況，裂隙變形在線監(jiān)測(cè)可應(yīng)用到采場(chǎng)邊坡災(zāi)變監(jiān)測(cè)預(yù)警中。

（3）采場(chǎng)邊坡變形積累達(dá)到一定程度是需要一段時(shí)間的。因此，無(wú)論表面位移和裂隙變形在線監(jiān)測(cè)，還是內(nèi)部位移手動(dòng)監(jiān)測(cè)，只有長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)，才能實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)邊坡災(zāi)變預(yù)警目的。