排土场GNSS 监测数据变形特征与预警等级研究

钟 声，张 军，闫 杰，吾木提江·许库尔

（1.新疆宜化矿业有限公司，新疆 昌吉 831100；2.煤炭科学技术研究有限公司，北京 100013；3.昌吉州木垒县应急管理局，新疆 昌吉 831100）

露天煤矿生产中会进行大量的排土，而排土场位置、基底地层岩性、基底地层倾角均影响其变形特征。散体物在自重作用下出现较大变形，其变形特征、变形量级与变形速度均与原岩地层边坡不一致。因此，在排土场上布置监测点的时间节点、划分监测数据的变形阶段及排土场预警阈值设置成为研究重点。

赵登娟等[1]针对平朔东露天矿内排土场空间紧张问题，通过基底倾角与平盘宽度分析，得出基底倾角在-8°～8°时稳定性敏感性差，排土高度与平盘宽度较为敏感，最终合理提高了排土台阶高度；孙书伟等[2]认为露天排土场排土工艺是边坡失稳机制的关键因素，采用底摩擦试验方法，分析了覆盖式和压坡式2 种排土工艺对松散物料的密度、塑性、抗剪强度等性质产生的一系列变化。同时，众多学者[3-6]对内排土场基底承载力、破坏机理及增高扩容方面进行了较多研究。韩流等[7]基于先锋露天煤矿的边坡形态和工程、水文地质条件，设计了4 种边坡监测方法用于多参量监测系统，分析了其失稳模式与稳定性；孙发院等[8]为了计算排土场的沉降量，将排土场堆积体视为若干土层堆置而成，将土力学中计算地基沉降的分层总和法应用到排土场沉降量的计算；刘光伟等[9]以元宝山露天煤矿内排土场为例，连续采用7 年的现场监测数据，结合数值模拟方法，分析了内排土场排土过程中沉降变形规律，得出沉降位移随着时间的增加而增加，在前0～2 年沉降位移增加速率较快，在2～4 年增加速率出现减小，4 年以后趋于稳定，填方高度和填方体推进位置对沉降量影响较大；宁志杰等[10]采用排土场的监测沉降量为训练样本，采用Elman 模型开展预测分析，并将预测结果与实际监测数据进行对比分析；曹博等[11]结合回填物的三轴蠕变试验和地表沉降监测数据，获取砂砾石土和非碾压区细粒土质砂的蠕变参数，通过建立数值模型去分析其变形特征，将其分为初期加速蠕变、中期减速蠕变和后期收敛蠕变3 个阶段，并获取了蠕变沉降方程和下沉速度系数；崔春晓等[12]在大孤山铁矿废弃排土场运用GNSS 监测技术，监测了排土场边坡变形特征，沉降位移的波动趋势显著高于水平位移，降雨及冻胀对监测形成影响。

以上学者采用理论研究、相似模拟、数值模拟等方法，分析了排土场的堆体高度、变形破坏机理与边坡稳定规律，并结合现场监测数据分析了排土场的沉降变形特征、变形规律与破坏机理；但对于排土场的变形阶段划分、监测数据分析与预警阈值设置相关研究较少。为此，以宜化露天煤矿首采区倾斜内排土场边坡为工程背景，开展排土场GNSS 监测数据变形特征与预警等级研究。

1 矿区概况

五彩湾矿区一号露天煤矿位于吉木萨尔县城350°方向110 km 处。矿区煤层主要赋存在中统西山窑组，为一套湖泊淤积后的泥炭沼泽和覆水沼泽沉积，岩性为灰色、灰黄色薄层状粉-细砂岩、细砂岩、泥岩、泥质粉砂岩夹中砂岩、细砂岩层和煤层、煤线。该组所赋存的B 煤组层延伸稳定、单层厚度大。首采区为露头煤开采，工作帮为西帮、南帮和北帮，非工作帮为东帮；矿坑走向长度为3.5 km，倾向宽度为1.6 km，地表海拔＋680 m；内排土场位于倾斜基底上部，基底倾向245°、倾角8°～15°；内排土场排土走向为158°，倾向为248°，最下部台阶＋495 m，最上部台阶＋624 m 水平，排土角度为18°。

2 排土场变形特征

饱和土体固结理论中认为土体在应力作用下，地下水从孔隙中排出，土体压缩变形量随时间增加，总沉降将变形分为瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降等3 部分组成，同时，粗粒土和低饱和度细粒土，在应力作用下也出现固结过程。典型的固结理论中，沉降变形与时间关系如图1。

图1 沉降变形与时间关系

在露天煤矿中形成大量排土场，排土场由散体物料堆积形成，在自重及上部排土作用下，产生竖直方向的快速沉降变形和临空面方向的位移，露天矿边坡监测数据中表现为快速变形过程，易造成误报或错报现象。如何有效区分排土场形成中的监测数据与变形状态具有重要意义。因此，借鉴饱和土体的沉降理论，排土场变形S 分为瞬时沉降Si、主固结沉降Sc、次固结沉降Ss。排土场变形示意图如图2。

图2 排土场变形示意图

1）瞬时变形。出现在排土台阶形成阶段，即排弃散体物料在车辆碾压和堆积过程中。该阶段产生瞬时沉降变形，主要出现在排土台阶区域。现场监测中由于施工排土，无法有效获取该阶段的监测数据。

2）主固结变形。出现在排土台阶形成后，即散体物料在自身重力荷载作用下物料间孔隙体积减小过程。根据排土场工作空间，可划分为排土平盘沉降变形区域和排土台阶边坡区域，排土台阶边坡区域为图2 中红色线区域；边坡台阶区域形成向临空面位移和沉降变形，一般会形成持续性变形，此时排土台阶区域为图2 中蓝色线。

3）次固结变形。其与传统的饱和土体的意义不同；主要是排土场上部排土作业下形成的二次变形，即在外荷载作用下固结的散体物料继续承受压力形成的二次沉降和向临空面的二次位移，次固结变形为图2 中紫色曲线。次固结沉降会成为总沉降量的一个主要组成部分，应给以重视。

3 倾斜基底排土场变形与监测预警

3.1 倾斜基底排土场变形分析

宜化露天煤矿首采区为“U”型开采，首采区煤层底板倾角平均为10°，内排土场与基底构成顺倾基底排土场，内排土场总高度139 m，台阶高度20 m。为保障内排土场边坡安全，在该区域布置了3 个监测点。3 个监测点分别位于内排土场台阶＋624 m、＋575 m、＋555 m 水平。3 个监测点的位移曲线如图3，监测点位移量与变形方向见表1。

表1 监测点位移量与变形方向

图3 3 个监测点的位移曲线

通过顺倾基底排土场GPS 监测数据可知：

1）3 个监测点中在z 轴均出现最大的沉降位移，在GPS-33 监测点最大位移量为372.29 mm；其中，GPS-20 和GPS-33 监测点在z 轴方向属于大变形，沉降变形量超过百毫米级。x 轴方向最大位移在GPS-33 监测点位移量为82.01 mm。y 轴方向和xy平面方向最大位移在GPS-20 监测点位移量分别为184.29 mm 和189.26 mm。GPS-20 监测点在2021 年8 月末时受到上部排土影响z 轴位移出现突增形成次固结变形，z 轴沉降量接近GPS-33 监测点变形量，同时是y 轴和xy 平面位移量大于GPS-33 监测点的主要原因。

2）边坡变形方向一般为临空面倾向方向。内排土场边坡走向为158°，倾向248°，边坡走向与x 轴夹角为22°，与y 轴夹角为68°；x 轴方向受到排土场侧向约束影响大于y 轴方向。因此，变形偏向于y 轴方向，3 个监测点变形方向为226°～245°，变形方位为西西南方向，其中，GPS-20 监测点变形方向244.97°，接近排土场的基底倾向245°；GPS-33 和GPS-59 监测点变形方向小于地层倾向和边坡倾向，排土场受基底地层倾向、排土方向和上部排弃影响。

3）GPS-33 监测点区域为后排弃形成，在x 轴方向位移中表现快速变形、均匀变形及变形减缓3 个阶段；GPS-20 和GPS-59 监测点区域为排弃时间长，变形表现为均匀变形和变形减缓2 个阶段。在z轴方向GPS-20 和GPS-33 监测点在0～48 d 出现的快速变形阶段，沉降变形量为250 mm，变形速率为4.7～5.0 mm/d，接近本次监测的总位移量的2/3。GPS-33 监测点在x 轴方向0～17 d 出现快速变形阶段，形量为54.86 mm，变形速率3.23 mm/d；y 轴方向快速变形阶段变形量为58.98 mm，变形速率为3.22 mm/d。GPS-20 监测点在y 方向和xy 平面次固结变形中的快速变形阶段，变形量为153.35 mm，变形速率为2.56 mm/d。监测点在监测前期均出现快速变形，变形量接近监测期间整体变形量的1/2；随后变形量趋于匀速变化，匀速阶段变形速率0.45 mm/d；x轴方向位移变形减缓趋于稳定，变形速度降低至0.11 mm/d。

3.2 倾斜基底排土场监测预警等级

根据GNSS 监测数据分析结果，开展预警等级划分，按照绿色、蓝色、橙色和红色分为4 级预警，其中绿色为安全。当边坡发生平面位移或高程沉降超限时，会根据相应预警等级，发出相应的警，通知边坡监测预警工作的主管负责人员。根据以上位移与速度的变化修正矿区的预警阈值，排土场位移预警阈值见表2，排土场速度预警阈值见表3。

表2 排土场位移预警阈值 mm

表3 排土场速度预警阈值 mm/d

4 结语

1）结合土体固结理论将排土场的固结变形分为瞬时变形、主固结变形、次固结变形3 个阶段，不合理的排土可能形成较大的次固结变形。

2）通过对倾斜排土场的监测数据分析得出：主要为沉降变形，其次为水平方向变形；水平变形受到边坡临空面、地层倾向及排土等因素影响。监测曲线中出现快速变形阶段，z 轴方向主要表现为长期快速变形和后期缓慢变形；y 轴方向主要变形特征为短期的快速变形，转入匀速增加阶段；x 轴方向受到排土场约束影响，表现出现3 个变形阶段，为短期的快速变形-中期的匀速变形-后期的缓慢增加。快速变形阶段的位移量接近监测总位移量的1/2～2/3。

3）根据监测数据分析结果，将排土场监测中变形阶段划分为排土场初期和排土场稳定期，在不同监测期间提出了适合宜化露天煤矿倾斜基底排土的监测预警值。