露天铁矿独木北帮边坡变形区长期监测方法

时间：2024-05-17

佐丽晶苗青川唐士刚任鹏

（1、辽阳县国土资源勘测中心，辽宁辽阳111000 2、辽阳市国土资源局弓长岭分局国土资源服务中心，辽宁辽阳111008）

1 问题提出

弓长岭露天矿独木采区是有着近半个世纪开采历史的老矿山，该矿的北帮主要是由风化程度不同的混合岩构成，200m水平以下出现角闪岩夹层及铁矿体，工程地质条件较复杂，断层、节理较发育，现为矿山生产的推进帮。随着矿山开采深度的加深和揭露范围的扩大，岩体边坡的高度和范围逐年增加，复杂的工程地质条件如断层、破碎带、节理等对岩体边坡的稳定形成了较大的影响，在北帮岩体边坡出现了局部的变形、塌陷和滑落现象，对矿山的安全生产产生了较大的影响，是目前急需解决的问题。

对于出现边坡变形、塌陷和滑落等问题的工作推进帮、随着生产的进行边坡岩体会逐年剥离掉。然而，在矿山采剥过程中，潜在的不稳定的边坡岩体对于矿山生产设备和人员是一种极大的安全隐患。因此，为保证矿山生产安全，防止各类事故的发生，必须对不稳定区段的边坡岩体变形形态、岩体位移运动的趋势等进行监测，通过对这些重要数据的汇总分析，为岩体边坡滑坡预报提供科学的依据。（见图1）

2 目前国内外边坡长期监测的方法

2.1 从边坡岩体位移监测所用设备手段上分类大致可分为三类方法：

精密测量：采用红外线测距仪、全站仪等高精度测量设备；GPS卫星定位系统。专用设备测量：裂缝计、测斜仪、测斜计、航空摄影仪等。全自动边坡无线监测：全自动无线遥控观测系统。

2.2 目前国内边坡观测方法主要有以下几种：

GPS定位：在被观测点设置可向卫星接收系统发射信息的发射源设备，通过卫星接收后转回地面受站由计算机系统进行一系列的数据处理，最终确定被观测点的坐标。在我国露天矿边坡稳定性研究中，北京科技大学从国外引进技术在首钢水厂露天矿边坡监测中使用。该系统设备较昂贵需要从国外进口，操作人员需要进行较高的理论和技术培训。

裂缝计和倾斜计：该设备是确定滑坡裂缝开裂移动变化和地表下沉后地面倾斜变化的设备。通过长期观测积累数据可以得出裂缝开裂后位移的变化发展趋势。该方法以局部观测为主，所控制的范围有一定的限度。

测斜仪：该设备系统是分析和检测岩体滑坡的滑动界面位置有效的手段。其基本的原理是在边坡岩体中钻孔，在钻孔中放放专门设地的导管，导管的底部固定在坚固的基岩上视为测量的基础点。当岩体发生变形移动时，导管会弯曲产生一定的偏转角度。从滑体的滑动界面直至地表导管的偏转角从零度增加到某一角度。用专门设计的探头测试不同深度导管的偏转达角可以获得连续的数据。通过偏转角的变化可以确定滑动面的位置。

测斜仪系统主要有四部分组成：

铝合金导管：长久安入在竖直钻孔中，底部深入稳定的基岩，在导管内壁有导向槽以便为探头导轮定向。

探头：安装在导轮架上，能够测量导管的倾斜转角及位移。

控制电缆：电缆上有长度标记供提升和下降探头，同时传输电信号到地面设备。

数据读取处理设备：接收由探头通过电缆输送的电信号并做数据处理。

测斜仪一般测量的位移变化范围有限。如果发生较大的岩体滑动，则导管会发生挤压变形或者断裂，在此情况下就无法进行观测了。

地面精度测量系统：地面测量观测可以获得观测点三维坐标的变化和合成矢量的变化规律。这些数据经过分析可以得出边坡岩体位置的各方向变化规律以及确定岩体位移的运动方向，即岩体滑坡的主滑方向。

地面测量具有精度高、控制范围大、抗干扰性强以及灵活实用等突出的优点，同时，也是矿山生产部门上熟知掌握的方法。通过地面测量观测滑体的运动状态必须建立相应的观测网。常用的观测网根据滑动区的规模、形态和地形地貌条件可以分为三种形式：

十字交叉观测网：对于滑动范围不大，滑动面比较窄，而且滑动方向明显的滑坡区采用该观测网。观测桩设在十字线的交叉点上。观测网应保证通视良好。

放射线观测网：观测的范围较大，可以采用由观测置镜点向观测区做若干条放射线的方式形成观测网，观测桩可以根据地形的条件沿射线布置。观测区域内应通视良好。

任意面局观测网：地形复杂的大范围观测往往观测点不能按直线形式分布，此时，观测桩可随地形的变化和观测通视条件的要求任意设置。如果需要两个以上的置镜点，观测桩尽可能设在观测线的交点上。

对于大范围的岩体的变形、沉降乃至出现滑坡现象，在短时间内难以准确地确定其变形动态规律，因此，建立长期观测网是边坡综合治理的必要环节，同时也是预防灾害发生，保证安全生产的有效措施。

3 影响边坡观测网方案选择主要因素

各类监测系统有着各自的优越性能，同时也存在某此方面的限制因素。在选择适合弓矿独木采区具体条件下的观测网建立方案时，重点考虑以下几方面因素：

首先，观测网范围内要有数量足够的观测点，能够满足边坡变形区域控制精度的要求。选择观测方案首要的问题是能够解决在较大范围内出现多处规模不同的边坡岩体沉降和滑坡的监测问题。高科技观测设备由于费用昂贵往往仅能布置少量的观测点，在此情况下就会产生观测空白地带，会因观测点数量少而造成对边坡岩体滑动趋势分析依据不足。因此，观测网方案首先必须能够控制整个边坡岩体滑动地带，不能出现漏测区段。

其次，观测设备要具有抗外界因素干扰性能强的特点。矿山生产现场的条件是比较复杂和恶劣的，各种干扰因素很多，如高压线路的电场、磁场，大型设备所产生的地表震动，爆破震动，雷电的干扰等等。某些无线设备一旦处于矿山复杂环境中会出现故障和异常，影响监测系统发挥正常的观测功能。

再者，矿山边坡长期监测往往要进行数年，周期比较长。大量的基础工作由现场生产单位组织完成，所以应尽可能选择现场熟知掌握的设备建立观测系统。

综上所述在考虑多种因素前提下做到精确、实用、性能好，易于操作和经济适用是选择监测系统总的方针。因此我们认为使用现有的矿山测量设备全站仪建立精密测量观测网是首选的监测系统方案。

4 精密观测网的设计

4.1 复合式观测网的建立

弓矿独木采区北帮混合岩边坡出现塌陷和滑落现象的范围是X-380~X-550，Y3600~Y4000，水平标高为245m~350m。在此范围内较严重的岩体变形滑落有两处。西侧滑坡发生在245m~267m并段后的组合台阶上，长度约为120，东侧从350m标高岩体发生严重下沉，落差最大7m左右，直至274m水平仍能发现地表岩体开裂现象。在东侧302m水平已达设计境界，302~350m水平岩体的下沉现象已属境界之外，但该现象已扩展到境界之内，将来对矿山的安全生产会有一定的影响。在该区段内发育的断层和贯通性的节理往往与边坡面相交后形成规模不同，形式不同切割状态，很可能存在潜在的滑体。因此，对该区边坡全范围的监测是十分必要的。

观测网选取十字交叉和射线相复合的形式。这样布置观测网是采纳了射线网观测范围大而十字叉网布置观测点很规律等不同的优点。观测桩沿纵向为射线形分布，横向近似在直线上布点形成较为规则的观测网。在南邦X-1019.84 Y-3800.95点设立置镜点，在观测网的范围内通视良好。可以控制整个北邦岩体变形的情况。观测网平面位置分布图见图2所示。

4.2 对照桩和观测桩的设置

对照桩和观测桩的设置是在每条射线的端点设立一个对照桩，其作用是校核该射线上各测点的三维从标变化情况。对照桩必须设置在不发生移动的基岩上，其坐标值观视为固定值。观测桩沿每条射线纵向分布，尽可能布置在正发生开裂，下滑，沉降等现象的岩体上，问题严重的地带可适当加密观测点，在每个开采水平上应至少有一个观测桩，根据地形和观测范围的需要共设置五条射线，观测桩18个，对照桩5个。对照桩和观测桩的规格为200×200m，中心点设置标志物以便测量立镜