基于监测手段边坡滑坡模式分析

王　胜

(辽宁建筑职业学院, 辽宁 辽阳　111000)



基于监测手段边坡滑坡模式分析

王胜

(辽宁建筑职业学院, 辽宁 辽阳111000)

摘要:针对露天煤矿开采工作中常见的地质灾害边坡滑坡,特别是高频率的滑坡会对安全生产带来巨大影响的状况,采用GPS监测手段对内蒙古扎尼河露天煤矿采场、非工作帮及排土场进行监测,得出位移变化量和变化幅度在采场区最大,非工作帮次之,排土场最小,判断其滑坡模式为复合型圆弧滑动.

关键词:边坡; GPS; 变形机理; 破坏模

随着露天煤矿开采规模与开采深度越来越大,边坡角度的确定、开挖设备的选择、保障措施的制定等技术性问题越来越难,同时由于地质条件、地下水、管理等问题引起边坡变形过大,导致滑坡的概率也随之提高.滑坡的发生对工作人员人身安全造成巨大的威胁,给国家及企业财产带来严重的损失,也会对大气环境造成较大的污染,是露天煤矿领域不可回避的问题[1].为了避免滑坡,很多学者已开展了大量研究工作,韦寒波[2]等结合厂坝露天矿实际,建立了GPS边坡位移监测系统;佴磊[3]等以GPS监测站等监测设施对抚顺西露天矿地质灾害开展了多类型的现场监测;罗周全[4]等讨论了露天矿边坡位移传统监测方法的缺陷及新型的基于GPS的自动监测技术所具有的独特优势;崔振杰[5]应用GPS技术及RTK技术,实施静态监测以及动态监测,详细介绍了GPS-RTK在边坡监测中的观测方法以及具体应用;余伟健[6]等针对厂坝露天矿高陡边坡滑坡通过正交实验找出了关键影响因素,分析了影响滑坡的关键作用路径.本文拟采用GPS监测方法对高频滑坡边坡的变形机理和破坏模式进行分析.

1工程概况

扎尼河露天煤矿位于内蒙古自治区,属大陆性半干旱气候,年平均降雨量为350mm,地层自上而下分布为新生界第四系海拉尔组-伊敏组-大磨拐河组-甘河组-中生界白垩系下统的龙江组,本工程开采深度位于海拉尔组和伊敏组两地层内.地质构造为向斜构造,存在25条断层,其中6条断层对煤层的开采有较大的影响.地下水包括第四系孔隙潜水和伊敏组地层裂隙承压水.该煤矿自2011年起频繁发生滑坡,2013年与2014年每年滑坡次数均在5次以上,已给安全生产带来了严重隐患,故必须对其进行变形机理和破坏模式的分析,为治理工作提供依据[7].该工程岩土体物理力学参数见表1.

表1　岩土体物理力学参数

注:C—黏聚力; φ—内摩擦角; γ—岩土重度.

2边坡变形趋势与破坏模式分析

2.1边坡变形趋势分析

GPS全球定位系统最早由美国军方开始研制,能够实现三维连续定位,其具有监测速度快、精度高、费用低、抗干扰能力强和操作简便等特点,已广泛应用于边坡工程变形监测工作中[2].GPS设备主要包括GNSS硬件部分、数据传输部分、控制中心、供电部分、避雷系统及辅助系统等.本工程主要采用GPS进行现场监测,根据对监测数据的分析结果预测边坡变形趋势与破坏模式.在与边坡走向相互垂直方向,即北西-东南向选取监测线BP1,在监测线BP1上布置三个监测点,分别为BP1-1、BP1-2和BP1-3,其中BP1-1位于排土场处、BP1-2位于非工作帮处,BP1-3位于开采区地面处.各监测点水平位移与垂直位移变化趋势见图1,位移变化值见表2.

图1　BP1监测线变化趋势

位移方向监测点最大值/(mm·d-1)各测点平 均最小值/(mm·d-1)各测点平 均BP1-148.013.0水平BP1-293.099.317.027.0BP1-3157.051.0BP1-1-9.0-3.0垂直BP1-25.5-19.2-1.5-3.7BP1-3-54.0-6.6

从图1可以看出,各监测点的水平位移和垂向位移均在逐渐减小,位置的变化由剧烈逐渐趋于稳定.从表2可以看出,BP1-1 、BP1-2和BP1-3变化具有一定规律,BP1-3的位移量和变化幅度最大,BP1-2次之,BP1-1最小,即位于开采区的监测点位移变化量和变化幅度最大,位于非工作帮的监测点位移变化量和变化幅度次之,位于排土场的监测点位移变化量和变化幅度最小.

上述结果表明,目前该区域开采区地面变形最为严重,排土场随排土高度的增加,变形逐渐减小.开采区边坡应力受煤层开挖扰动影响较大,引起非工作帮一侧的边坡变形,从而带动排土场边坡变形.分析数据可以发现,短时间内边坡变形速度会以匀速并略有减缓的趋势为主,但边坡变形速率的变化主要取决于开采活动,故控制开采活动是防止边坡变形加剧的重要手段.进入冬期以后,随着边坡冻土层的形成及逐渐加深,边坡变形速率会出现局部增加,但总体上应以匀速为主要趋势;气温回升后,伴随冻土层逐渐解冻及冰雪融水的渗入作用,边坡变形速率会再次出现加剧,因此在气温回升前,应完成边坡维护的各项工作,确保边坡的变形速度得以控制.

2.2边坡破坏模式分析

从BP1监测线各监测点的位移矢量图2中可以看出,监测点BP1-1、BP1-2和BP1-3都伴随水平位移及垂直沉降,即由排土场向采场方向移动并向下沉降,各监测点平均位移方向与水平方向夹角分别为-15°、-6°和-15°,各监测点的平均位移速度分别为30、39和100 mm/d.因此,BP1-3控制区域首先出现变形,当变形值累积到某一数值或因此而形成张拉裂缝后,BP1-2区域随之产生变形,变形范围逐渐向排土场扩大,其潜在的滑动模式为复合型圆弧滑动.

图2　监测点位移矢量

该露天煤矿边坡的岩土体构成为上部是第四系岩土,下部为白垩系煤岩层,在这个边坡系统中,第四系黏土层及9#煤层底板至10#煤层底板之间岩石强度较其他岩层低,为边坡体潜在弱层,尤其本地区9#煤层与10#煤层之间含多层夹矸,弱层分布密集,该区间是控制整体边坡稳定的关键部位.随着9#煤层的开挖,上覆岩土体的重力载荷及采矿卸荷对弱层起到了活化作用,加速其变形发展.

从边坡变形的时空规律来看,非工作帮边坡是控制边坡稳定的关键区域,其变形机制为采场边坡带动排土场边坡,滑动面为黏土弱层及10#煤层顶板弱层,其滑坡模式为复合型圆弧滑动,见图3.

图3　边坡变形及滑坡模式示意图

图3所示第一阶段在采矿卸载作用下,滑弧首先沿地面切入,上部沿黏土弱层、下部沿10#煤层顶板泥岩弱层产生滑动趋势;第二阶段在第一阶段的拉张及卸载作用下,变形范围后扩,产生次一级沿黏土弱层滑动趋势;第三阶段变形范围继续后扩,仍然沿黏土弱层滑动,与第二阶段类似.

3结论

(1) 监测工作表明,开采区的监测点位移变化量和变化幅度最大,非工作帮的监测点位移变化量和变化幅度次之,位于排土场的监测点位移变化量和变化幅度最小.

(2) 边坡变形机制为采场边坡带动排土场边坡,滑动面为黏土弱层及10#煤层顶板弱层,其滑坡模式为复合型圆弧滑动.

参考文献:

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(CHUI Z J. FLAC(3D) GPS-RTK applications in surface mine slope deformation monitoring[J]. Technology Wind, 2015(8):77.)

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(YU W J, GAO Q. Potential influencing factors analysis and safety evaluation on the landslide of high and steep slope[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2008(3):227-232.)

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(WANG S, SUN Y H, WANG X L. Stability evaluation and treatment scheme of loess high step slope[J]. Safety in Coal Mines, 2014,45(3):142-144,149.)

【责任编辑: 祝颖】

LandslideModeAnalysisBasedonMonitoringData

Wang Sheng

(LiaoningJianzhuVocationalUniversity,Liaoyang111000,China)

Abstract:As a common geological disaster in open-pit coal mine, landslide, especially high frequency landslide, brings huge impact to safety production. GPS monitoring method is used to monitor the working slope, non-working slope and discharge field in Zhanihe open coal mine. Monitoring data indicates that working slope is the largest area of displacement variation and magnitude, non-working slope is the second largest area, and discharge field is the smallest area. The landslide model is composite circular sliding.

Key words:slope; GPS; deformation mechanism; failure mode

文章编号:2095-5456(2016)03-0234-04

收稿日期:2016-02-24

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51474050); 中国建设教育协会教育教学科研课题(2015108); 辽宁省职业技术教育学会科研规划项目(LZY15084); 辽宁省教育评价协会教学改革与教育质量评价研究课题(PJHYYB15391).

作者简介:王胜(1984-),男,辽宁沈阳人,辽宁建筑职业学院讲师,硕士.

中图分类号:U 451+.4

文献标志码:A