滑动式测斜仪在露天矿边坡监测中的应用

王涛，刘干，李博，李晓俊，王磊

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

滑动式测斜仪在露天矿边坡监测中的应用

王涛，刘干，李博，李晓俊，王磊

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

以新疆地区某露天煤矿端帮边坡为例，根据勘察资料、采掘计划布设测斜监测孔，定期进行测斜监测，通过对监测数据的分析，明确潜在的滑移弱面，为工程治理措施的制定和实施提供指导。

露天边坡；滑动式测斜仪；软弱层；稳定性分析

露天矿生产过程中边坡岩体位移及其变化速率是判断采矿作业能否安全进行的主要指标之一。边坡位移监测工作一方面可以监测岩体动态变化，防止边坡突然滑塌造成人员经济损失。另一方面通过监测数据的整理分析，确定潜在滑面的位置，估算滑坡方量，指导边坡防护工程方案的编制与实施工作，避免盲目的边坡支护引起的不必要经济损失[1]。高边坡岩体深部位移的变化一般都具有时效蠕变性，监测难度较大。目前来说，测斜监测是监测边坡岩体深部位移的变化，确定岩体易于扰动的地质弱面最有效的方式之一[2-3]。

测斜监测是在研究区域布设监测孔，埋设测斜套管，利用监测探头测定套管偏转角度求出岩体水平位移的一种岩体原位监测仪器。我国从20世纪80年代初期陆续引进了英美等国家生产的测斜监测仪器进行岩土工程领域的监测，并开始自行研制测斜仪器。目前测斜监测已广泛应用于矿山、交通、水利水电等大型岩土工程项目之中，并取得了良好的监测效果[4]。

1 滑动式测斜仪工作原理

滑动式测斜仪主要有电缆、加速度计、读数仪、线控器等部件组成。测斜仪加速度计组成如图1。

图1 测斜仪构件系统

测斜探头为一个铅垂摆，可依据自身提供的恢复能力在受扰动后恢复到零点位置，测斜杆偏转角度越大，铅垂摆归零所需的恢复力越大，恢复力的大小可转换成电信号，通过与计数器相连的电缆上传至计数器。测斜仪结构与工作原理如图2[5-7]。

图2 测斜仪结构与工作原理图

2 边坡变形监测

露天矿在降深、推进过程中地表不断出现平行推进方向发展的裂缝。地表裂缝的产生是边坡内部岩体扰动后的外在表现，本次研究利用滑动式测斜仪对变形边坡进行监测，旨在确定边坡地质弱层，为边坡治理方案的实施提供依据。

2.1 工程地质概况

矿区内主要有大面积分布的第四系、新近系及侏罗系地层。

1）松散岩组。松散第四系在矿区广泛分布，主要是中、细砾石层，厚度0.85～33.98 m。无胶结，或胶结差，大都为散体结构，结构体呈颗粒碎屑状，易滑塌，属极不稳固型。

2）风化岩组。新近系上新统葡萄沟组及中新统桃树园组在勘探区中部及北部大面积出露，为河流相土黄色粉红色泥岩、砂质泥岩、砂岩互层，底部以一层灰色钙质砾岩与下伏地层侏罗系、石炭系等地层呈超覆不整合接触，厚度4.26～188.80 m。该地层均已受到不同程度的风化，使岩石结构松散，除泥岩结构构造已不清楚，其他岩石结构未发生改变。散体结构，以Ⅱ、Ⅲ级结构面为主，结构面多为泥膜、碎屑和泥质物充填。结构体形态为组合板状体或薄板状体，近松散介质，具塑性特征，易发生压缩沉降、塑性挤出、鼓胀等，属极不稳固型。

3）无煤岩组。无煤岩组多为碎裂结构、结构面较发育，彼此交切的结构面多被充填，或为泥夹碎屑、或为泥膜。结构面光滑度不等，形态不一。结构体形态为碎屑和大小不等、形态不同的岩块。易形成小型岩层滑动，易软化泥化。

4）含煤岩组。基本为软质岩石，易软化，坍塌、滑移、压缩变形均可产生。

2.2 边坡稳定性影响因素

露天矿位于新疆戈壁滩之中，全年干旱少雨，影响露天矿边坡稳定性的因素主要有爆破振动、地下水、软弱夹层、节理裂隙等。

1）软弱夹层的影响。在露天矿中常遇到的软弱夹层有黏土层、泥岩层、页岩层等。软弱夹层岩石颗粒胶结性能很差，所含黏土矿物成分主要是蒙脱石，吸水软化，强度降低，易引起边坡失稳现象发生。

2）节理裂隙的影响。按成因可分为构造裂隙(节理)及非构造裂隙(原生裂隙、风化裂隙、卸荷裂隙、爆破裂隙等)。前者是在构造运动过程中生成的，产状较稳定。后者除原生裂隙外，产状较杂乱。

现场揭露岩体节理裂隙较发育，第四系风化层存在沿节理裂隙楔形滑塌现象，下部平台散落岩块较多，多为受爆破振动影响岩节理面滑落。

3）爆破振动影响。露天矿爆破作业对边坡稳定性的影响：①爆破震动对边坡的滑动力起到促进提高作用；②爆破作用破坏边坡岩体整体性，加速岩体破坏，使雨水、地下水易于沿爆破裂隙渗透，加速岩体风化。

露天矿现场生产过程中爆破作业较为频繁，基本为每天1～2次，爆破作业是该露天矿边坡稳定性最大隐患。

4）地下水的影响。水对边坡的不利影响主要表现在：软化岩石，降低其强度，以及对边坡的静水压力与动水压力作用。露天矿处于新疆戈壁滩中，常年干旱少雨，影响露天矿边坡稳定性的水源主要为地下水，露天矿生产过程中应做好矿坑内排水，防止泥岩等软弱岩层遇水泥化，强度降低引起露天矿滑坡事故发生。

2.3 测斜孔布设

根据地表裂缝的分布情况、采掘降深位置考虑开展钻探所需施工条件确定测斜监测位置。

1）钻孔。根据设计位置，测量放线，钻孔采用汽车式回转钻机，孔径110 mm，由于岩层地质条件较差，钻进过程中采取泥浆护壁。钻进结束后立即下放套管，防止时间过长孔内出现坍塌。

2）下管。测斜管为2 m/节，各节之间通过管套及螺丝连接。下管之前应检查测斜管有无损坏，下管过程中管与管之间螺丝应拧紧连好。下管过程中如遇到浮力太大难以下放时，可往测斜管内注入清水，以方便下放。下放过程中应及时旋转测斜管，确保管内侧十字凹槽同坡顶线垂直。

3）孔壁回填。测斜管下放完毕后采用细砂对孔与管壁间隙进行回填，回填过程间断进行，确保回填充实。

本次研究工作中在北端帮按1条测线布设监测孔，监测孔共计4个，各测孔相对位置如图3。各孔详细信息见表1。

图3 测斜监测孔布设位置图

表1 测斜孔具体信息m

2.4 测斜监测

考虑到矿山地表已出现裂缝且有逐步增加的趋势，本次边坡稳定性研究工作加大监测频率，每隔2 d现场测斜1次。

观测时将测头导轮卡置在测斜导管的导槽内，轻轻将测头放入测斜导管中，并放松电缆使测头滑至孔底，然后做好深度标记。当接近孔底时应减缓下放速度，避免探头猛烈的冲击。测头应在孔底停留5 min，以便在孔内温度下保持稳定。

将测头拉起至最近深度标记作为测读起点，每0.5 m测读1个读数，利用电缆标记测读至导管顶端为止，每次测读时都应将电缆对准标记并拉紧，静止片刻，读数稳定后保存读数。将测头调转180°重新放入测斜导管中，然后滑至孔底，再次重复上述步骤[8]。

3 测斜数据整理分析

持续3个多月测斜监测，监测过程中每隔2 d现场测斜1次，由于数据量庞大，本次研究分析取部分数据绘制累计位移量变化曲线。

1）ZK4测斜数据分析。累计位移变化量曲线表明，ZK4孔扰动范围为深度15～59 m，标高为+457 ～+501 m。12月13日累计位移变化量最大，最大值为47 mm，其余日期监测的累计位移变化量大都处于-10～20 mm间呈振荡变化。ZK4累计位移变化量如图4。

图4 ZK4累计位移变化量

2）ZK7测斜数据分析。累计位移变化量曲线表明，ZK7孔扰动范围为深度40～75 m，标高为+456 ～+421 m。孔深38～48 m，标高+448～+458 m处累计位移呈急剧增加状态，表明该范围内可能存在易变形的地质弱面。累计最大位移值发生在1月3日，最大值约为59 mm。ZK7累计位移变化量如图5。

图5 ZK7累计位移变化量

3）ZK5测斜数据分析。累计位移变化量曲线表明，ZK5孔扰动范围为深度20～78 m，标高为+394 ～+452 m。孔深20～30 m，标高+442～+452 m处累计位移呈急剧增加状态，表明该范围内可能存在易变形的地质弱面。累计最大位移值发生在12月19日，最大值约为98 mm，不同的监测时间，累计位移值呈振荡变化。ZK5累计位移变化量如图6。

图6 ZK5累计位移变化量

4）ZK6测斜数据分析。累计位移变化量曲线表明，ZK6孔扰动范围为深度2.5～50.0 m，标高为+ 403～+450.5 m。孔深2～7 m，标高+446～+451 m处累计位移呈急剧增加状态，表明该范围内可能存在易变形的地质弱面。累计最大位移值发生在11月28日，最大值约为67 mm，不同的监测时间，累计位移值呈振荡变化。ZK6累计位移变化量如图7。

图7 ZK6累计位移变化量

由4个测斜孔累计位移变化量曲线图可知，各孔测斜数据突变段规律基本一致。在标高+450 m附近测斜数据均发生明显突变，表明该位置处可能存在易于变化的地质弱面。现场开挖探槽表明该位置位于最下部可采煤层之中，岩层为中砂岩与泥岩。中砂岩胶结程度差，手掰能碎，泥岩遇水易泥化，强度降低[9-10]。

目前影响露天矿边坡稳定性的因素主要有爆破振动与地下水。露天矿正常生产过程中每天均须爆破作业，爆破作业前后测得岩体位移变化较为明显，受爆破振动影响，岩体位移呈振荡变化。现场第四系松散层台阶受爆破振动影响多处出现滑塌现象。露天矿生产过程中应做好防爆减振措施，做好爆前审查、爆后巡查工作，及时发现安全隐患采区清理措施，避免小范围滑塌引起人员伤亡[11-13]。

地下水对边坡稳定性的影响主要表现为弱层的遇水泥化，强度进一步降低，加速边坡滑塌现象。现场生产过程中边帮最下部可采煤层顶板有出水现象，应做好矿山防排水措施，防止泥岩层遇水泥化强度降低造成边坡滑塌事故[14-15]。

4 结语

经过几个月的持续监测，累计位移变化量曲线图呈一定规律性，结合现场勘查资料及巡查情况主要得出如下结论：

1）对于层状岩质边坡，尤其是中间含有软弱层的边坡，沿特定滑动面滑动变形的可能性较大，利用测斜监测能够取得良好的监测效果，通过累计位移变化量曲线能够直观的监测各层位的岩移变化。

2）根据各孔的累计位移量变化曲线对比，可以确定边坡软弱层分布情况及其深度。对边坡稳定性评价工作提供地层层位基础，同时使下一步边坡防护工程开展更具针对性。

3）露天矿位于新疆戈壁滩，影响露天矿边坡稳定性的因素主要有爆破振动和地下水。露天矿生产过程中应做好减振措施及防排水工作，尽可能降低主要因素对边坡稳定性的影响。

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【责任编辑：张东旭】

Application of sliding inclinometer in open-pit mine slope monitoring

WANG Tao,LIU Gan,LI Bo,LI Xiaojun,WANG Lei
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Taking the end slope in the open-pit mine of Xinjiang for example,according to the survey data and mining plan,the mine layouts survey monitoring hole,does monitoring on survey.Through analyzing the monitoring data,we can define the potential weak slip surface,which provide guidance for the formulation and implementation of engineering control measures.

open-pit slope;sliding inclinometer;weak intercalations;stability analysis

TD824.7+3

B

1671－9816（2017）01－00012－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.004

王涛，刘干，李博，等.滑动式测斜仪在露天矿边坡监测中的应用［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：12-15.

2016-07-23

王涛（1989—），男，山东济宁人，助理工程师，工学硕士，现就职于中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，主要从事露天采矿设计及边坡稳定性研究工作。