边坡稳定性动态监测装置在排土场边坡治理中的应用

徐占金，李成业，徐国俊，岳瑞丽，杜变龙，徐金鑫

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司，山西忻州 036500）

露天开采时需要将露天矿境界内的表土剥离，并运至采场境界外或采场境界内的采空区进行排弃，形成露天矿排土场，它包括承纳废土岩的基底和基底上排弃的废土岩，其结构或外部条件与采场内的原状土岩不同。目前排土场边坡向高陡式方向发展，采用高或超高台阶排土与增加排土场堆高是未来排土场的趋势。随着堆排高度不断提高，排土场的自重应力增加，若排土场基底承载力不足，极易引发排土场垮塌。

祁小辉[1]等利用现有钻孔资料，考虑地层变异并通过强度折减，建立了表征地层特性模型，给出并探讨了几种钻孔布置方案；夏开宗[2]等分析了岩体基本性质等各项因素，建立了软硬岩互层条件下边坡稳定性的分析模型，初步得到了位移、变形等的一些规律；高富强[3]等采用数值计算的方法分析不同倾角条件下的端帮边坡的稳定性，充分研究了不同角度对应的安全状态，并初步得到露天煤矿所在端帮的最佳角度；任龙[4]等分析排土场变形破坏机理,结合现场实际情况提出了停止排土等措施，实现实时提前预警；吕一鸣[5]等基于矿区现状，结合地质勘探等结果整合来确定得到对应的工程简化模型，采用数值模拟分析边坡稳定性，得到其主要变形破坏模式；乔琛[6]等提出了影响其稳定性的重要原因，并给出了开采过程中可操作性的措施；芮昌龙[7]、张春锋[8]等主要考虑了边坡参数及排弃高度变化等参数的敏感性，提出了排弃参数的相关优化方案，为之后的系列分析提供依据；周东升[9]等分析了方法的优缺点及其适用范围,并通过定性、定量2 种方法总结了边坡稳定性的发展现状；王涛[10]等依照相关地质数据布设测斜监测孔,通过分析现场数据，给出潜在的滑移弱面基线,对现场进行了有效指导；肖平[11]等采用极限平衡法进行了理论分析，同时利用RFPA分析了高陡边坡的变形破坏机理，并给出合理的边坡变形综合防治措施。

目前主要是采用数值模拟、理论分析以及现场监测中的一种或多种手段，进行边坡的稳定性分析，而关于现场的动态监测方面，研究相对较少，故采用一种全角度钻孔稳定性动态监测装置，通过钻孔的变形情况反演分析边坡变形，预判边坡的稳定性，以保证生产的安全高效。

1 工程概况

河曲旧县露天矿在采区境界内部建立选煤厂，选煤厂东侧为内排土场边坡，边坡体主要成分为剥离煤层顶板以上的砂质泥岩、粉砂质泥岩、泥岩、黄土等物料，终了排弃高度约101 m。排土场基底为煤层底板，主要为泥质岩类，局部为黏土岩类，整体强度较高，但其中泥质岩类遇水易膨胀崩解导致强度降低。边坡体下部排弃物料为早期开采排弃的沙土和碎石，整体强度不高且下雨后强度明显降低。距边坡50 m 左右为施工单位活动板房且有人居住，因此边坡稳定与否直接关系到工人安全以及选煤厂的正常运作。

2 边坡稳定性动态监测

2.1 基于钻孔稳定的边坡安全测试常用方法

排土场边坡的稳定可以通过边坡坡脚钻孔的稳定性反演分析。对于已揭露的煤岩体可通过直接观察，判断煤岩体物理力学性质、结构特征等分析岩体稳定性，但对于钻孔来说，由于没有直接观测的良好条件，故多采取间接观测方法，常用方法有岩心采取法，钻孔壁印模法，钻孔壁观察法。

1）岩心采取法。是目前采用较为广泛地方法，通过取样钻孔中的岩心，观察钻孔内部结构裂隙节理等，但对于不同煤岩体，岩心取样质量不能保证，会出现岩心结构不完整甚至破碎的情况，同时在取样过程中会也会产生对岩心的破坏。为了解决实际取样中的这一问题，采取了如下方法：在钻孔底部打一个小孔，到取心深度，然后用锚杆进行全长锚固，并利用水泥等粘合剂将其粘合在一起，再钻取锚杆锚固段的岩心。通过取出的岩心可以直观观察煤岩体结构的节理裂隙密度、张开度、走向等，但是这种方法操作过程较复杂，用时较多，也受其他条件限制。

2）钻孔壁印模法。是通过钻孔裂隙的印痕来反映钻孔壁裂隙形态的方法。这种方法采用膨胀胶管将金属箔、塑料薄膜和蜡纸等覆盖在钻孔裂隙，提取出来之后，再进行绘制、解释和分析，反映钻孔内部情况。这种方法在石油勘探水力压裂领域有应用，在井下不宜大面积使用。

3）钻孔观察法。是利用钻孔窥视仪对钻孔内部结构进行直接观测，可以快速准确地判断钻孔内部情况，也可借助锚杆锚索孔进行观测。

2.2 全角度钻孔稳定性动态监测法

岩心采取法、钻孔壁印模法、钻孔观察法3 种方法存在不能实时动态观测钻孔变化情况，受周边情况影响较大等问题，故提出一种新的观测方法：一种全角度钻孔稳定性动态监测方法。通过钻孔的变形情况反演分析边坡变形，预判边坡的稳定性。研制设备主要有2 种数据采集方式。

1）采集全角度地应力大小。主体承载机构去除部分不能与钻孔充分接触，故与条形豁口部分垂直方向为主体承载机构测量应变方向，可通过控制主体承载机构的放置角度，实现测量全角度地应力对主体承载机构产生的应变，通过高灵敏度电阻应变片、低阻值电信号连接线和数据连接线将应变传输出来，并显示在读数显示部分上，进而可以计算得出地应力大小。

2）采集钻孔变形数据。钻孔与主体承载机构充分接触，可反映出一个范围内的钻孔变形坍塌情况，通过高灵敏度电阻应变片、低阻值电信号连接线和数据连接线将应变传输出来，即反映钻孔变形情况。可通过调整主体承载机构的放置角度，实现对孔不同方位的形变的监测，并可动态采集数据，实现对钻孔变形量的实时监测。

2.3 全角度钻孔稳定性动态监测装置

主要包括主体承载机构、高灵敏度应变传感器、低阻值电信号连接线、水平倾斜钻孔推杆装置及便携式精密应力应变读数显示仪；主体承载机构承载钻孔周边应力并发生相应变形；高灵敏度应变传感器置于主体承载机构内壁，与之充分接触；低阻值电信号连接线连接高灵敏度应变传感器与精密应力应变读数显示仪；水平倾斜钻孔推杆装置将主体承载机构递送到指定钻孔深部位置。全角度钻孔稳定性动态监测装置主要构造如图1，其中主体承载机构下文简称为应力桶。

图1 全角度钻孔稳定性动态监测装置

主体承载机构为具有一定性能材质的圆筒开1条形豁口，底面截面形成扇形；高灵敏度应变传感器位于主体承载机构圆筒内壁，充分接触主体承载机构圆筒，将主体承载机构变形数字化力学信号转为电传递出去，高灵敏度应变传感器包括高灵敏电阻片和免焊接延长导线，高灵敏度电阻应变片与免焊接延长导线在传感器一端固定连接，高灵敏度应变传感器和便携式精密力读数显示仪由低阻值电信号连接线连接。便携式精密应力应变读数显示仪由部分和连接据线组成。现场测试部分采用高灵敏度便携式应力变仪，满足现场测试要求。不同材质的主体承载机构实现钻孔稳定性加固的数据采集：使用不同材质的主体承载机构对瓦斯抽采钻孔实现稳定性加固，并可通过高灵敏度电阻应变片、低阻值电信号连接线和数据将应变传输出来，反映钻孔稳定性加固效果，调整主体承载机构的条形豁口尺寸可实现多种加固方式对钻孔稳定性提高效果的数据采集。

2.4 现场钻孔及设备布置

本次测试布置6 个钻孔，均匀分布在研究区域边坡坡脚位置，钻孔坐标见表1。钻孔直径为140 mm，受钻孔设备影响，钻孔深度1.6 m。每个钻孔分别放入4 个监测装置，A、B、C、D、E、F 分别对应1～6号钻孔。

根据设备埋深不同，由上至下依次分为A1，A2，A3，A4，其余以此类推，设备埋深见表2。本次实测主要研究边坡水平方向变形，故应力桶设备切割部位与边坡底线垂直，设备主要发生水平方向变形。

表1 钻孔坐标

表2 设备埋深

2.5 数据收集和分析

使用便携式精密应力应变仪每天在监测装置处收集2 次数据，2 次测量间隔5 h，每个钻孔单次测得4 组数据，共6 个孔，每天得到48 组数据，为期15 d。

根据6 个孔内相同深度安放装置数据得到0.4、0.8、1.2、1.6 m 4 个深度水平钻孔受边坡扰动形变情况，由数据绘制的钻孔日均位移变化量曲线如图2～图5。

图2 0.4 m 深钻孔日均位移变化量

由图2～图5 可知，不同深度水平各钻孔变形值呈震荡变化规律，其中0.4 m 处最大值为0.22 mm，0.8 m 处最大值为0.23 mm，1.2 m 处最大值为0.27 mm，1.6 m 处最大值为0.28 mm，最大形变量处于0.22～0.28 mm，而每天的形变量差别不大，整体相对稳定，在监测的时间范围内，钻孔开挖后受临近边坡偏荷载作用影响变形量不大，说明边坡体变形量不大，监测期间边坡体没有产生滑移趋势，边坡稳定性基本能够得到满足。

图3 0.8 m 深钻孔日均位移变化量

图4 1.2 m 深钻孔日均位移变化量

图5 1.6 m 深钻孔日均位移变化量

根据6 个孔内相同深度安放装置数据得到0.4、0.8、1.2、1.6 m 深平面钻孔受边坡扰动形变情况，由数据绘制的钻孔累计位移量变化曲线如图6～图9。

由图6～图9 可知，随着监测时间延长，钻孔累计变形量逐渐增加，0.4 m 处累积形变量达到0.85 mm，0.8 m 处累积形变量达到1.15 mm，1.2 m 处累积形变量达到2.5 mm，1.6 m 处累积形变量达到2.4 mm，这是因为钻孔开挖卸荷后，受排土场偏应力影响压缩钻孔，现场6 处均产生位移量，但累计位移量较小，从图中曲线的趋势可以看出，钻孔发生较小变形后曲线开始趋于平稳，逐步达到达到平衡状态，说明所监测边坡尚未产生滑动趋势，边坡稳定性较好。

图6 0.4 m 深钻孔累计位移变化量

图7 0.8 m 深钻孔累计位移变化量

图8 1.2 m 深钻孔累计位移变化量

图9 1.6 m 深钻孔累计位移变化量

综合分析以上每天的监测数据，每天出现的位移呈震荡变化趋势，整体变化量较小，而累积位移量变化量随着深度的增大显示出先增大后趋于平稳的规律，说明边坡的稳定性较好。

3 结语

使用钻孔稳定性监测装置，可反映出位移量随钻孔深度的变化趋势，效果较好。根据研究区域范围共布设6 个监测孔，累计钻孔深度9.6 m；各监测孔布设4 个监测点位，进行不同深度水平边坡变形监测。监测结果表明：钻孔每日压缩变形量呈波动状态，波动范围在0～0.3 mm；监测期间钻孔累计变形量不足3 mm；监测期间钻孔并未发生较大变形，说明边坡体未产生滑移趋势，边坡稳定性状态较好。