辽宁海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统

毛开江，张宏伟，韩 军 ，李 胜

（辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 1 23000）

0 引言

海州露天矿是一个长4.0km、宽2.0km、采深近360m的露天采场。长期以来，海州露天矿矿坑及周边地区滑坡等地质灾害非常严重，截至2004年共发生滑坡70余次，平均每年发生1～2次滑坡［1］，边坡安全问题日趋突出。在海州露天矿北部有阜新发电厂、阜新矿业集团机修厂和材料库、国家矿山公园等重要工业及民用设施。为了确保这些工业及民用设施的安全，必须对海州露天矿边坡进行监测。目前国内外主要采用的监测方法有：GPS监测、坡表大地测量、激光微小位移监测、红外遥感监测等。但随着科技水平的提高，从坡表变形监测到坡体内部空间非接触、全遥控、高智能、高精度的综合监测技术应用是边坡监测的发展趋势［2］。因此基于预应力锚索研发海州露天矿边坡远程监测系统。

1 边坡预应力锚索远程监测系统

1.1 海州露天矿工程地质条件

海州矿位于阜新市区南部太平区境内，地质构造较为复杂，断裂构造发育，主要含煤地层共有5个煤层群，按埋藏顺序为水泉层、孙家湾层、中间层、太平上下层及高德层。查明岩层中有1#至9#软弱夹层，这些软弱夹层是边坡主要控制结构面，尤其北帮历次滑坡都是沿着这些层面滑动的［3］。岩性由颗粒不等的砂岩、砂砾岩 、砂质页岩和煤层构成，岩相和厚度变化均较大，可采煤层顶板以上岩层是由粗颗粒砂岩，砂砾岩和厚层砂质页岩构成煤层底板以下岩层是由泥质砂页、砂岩夹薄煤层构成泥质砂页岩层理发育，风化后多呈薄片状碎块，遇水后软化呈可塑状，岩石内自然含水率较高，力学强度低于煤层顶板上岩层。

1.2 系统原理

岩体在力的作用下产生变形，边坡内部应力状态发生变化，当下滑力达到岩体强度时，滑体会沿滑动面下滑，从而导致滑坡事故的发生，通过对锚索施加预应力来主动监测岩体的应力情况，当岩体应力发生变化时，应力传感器记录应力情况，及时掌握滑坡动态，从而对边坡进行预警和及时采取治理措施。监测系统力学模型如图1所示。

图1 边坡监测力学模型Fig.1 The mechanical model of slope monitoring

1.3 系统结构

监测系统由边坡应力监测端和计算机接收端组成。边坡应力监测端由智能应力传感器、太阳能供电系统、数据采集系统和数据发射系统组成，计算机接收端由数据接收系统、数据处理系统和监测报警系统组成，应用GPRS远距离无线传输技术对数据进行传输（图2）。

图2 边坡远程监测系统结构图Fig.2 The slope remote monitoring system structure diagram

1.4 预应力锚索参数设计

锚索由锚固段、自由段、张拉段组成，锚固段是锚索在锚孔底部的锚固长度，自由段是在张拉时可以自由弹性伸长的锚索长度，张拉段是从锚固端外侧至承压垫座之间的距离。锚索锚固长度的验算根据公式（1）和公式（2）［4］进行：

式中：La——按砂浆与预应力筋粘结强度计算的锚固段长度（mm）；

K——锚索安全系数，1.5～2.0；

Nt——锚索设计荷载（N）；

d——预应力筋外径（mm）；

n——预应力筋根数，6根；

τa——砂浆与预应力筋粘结强度（MPa）；

τb——砂浆与孔壁岩石粘结强度（MPa）；

Lb——按锚固体砂浆与孔壁岩石粘结强度计算的锚固段长度（mm）；

D——锚索钻孔直径（mm）。

根据煤矿预应力锚固施工技术规范（MT/T879-2000），取K为2.0，τb为3.25MPa，τb为0.66MPa，锚索钢绞线选用Ф15.24mm低松弛钢绞线，其标准抗拉强度为1860MPa，锚索由6根钢绞线组成，故d为15.24mm，n取6，取110mm。计算得La≈2m，Lb≈8m。根据计算结果，本设计锚固段长度为8m，自由段在滑面以下不小于1.5m，故滑面以下应不小于9.5m。

锚索预应力设计原则和预警原则［5］根据公式（3）和（4）进行：

式中：p0——锚索预应力（kN）；

pmax——锚索最大载荷（kN）；

p——预警载荷（kN）。

在考虑的一定安全系数情况下，取pmax=1000kN，锚索初始施加的预应力设计为300～400kN，锚索应力的预警值设计为750kN。

实际施工后监测点E18-2锚索预应力为409kN，E18-1锚索预应力为403kN，E8-3锚索预应力为451kN，E8-2锚索预应力为401kN，E8-1锚索预应力为202kN，W1-3锚索预应力为437kN，W1-2锚索预应力为393kN，W1-1锚索预应力为363kN。

1.5 监测点布置

在分析海州露天矿边坡岩体变形及潜在滑坡区的基础上，在海州露天矿北帮边坡共布置3条监测线，分别位于边坡的中部及两侧边缘，监测点布置于滑动影响范围78～150m，现场测线距离分别为754m（W1-E8）和856m（E8-E18）。测点间距为105～250m。共设计了W1-1、E18-1、W1-2、E8-1、E8-2（地面），W1-3、E18-2、E8-3（边坡上）等 8 个监测点（图3），具体的测点参数为：钻孔直径110mm，方位角都为328°，地面钻孔倾角为30°，边坡上钻孔倾角为45°；W1-1、W1-2、E8-1、E8-2钻孔深度为39m，W1-3钻孔深度为71m，E8-3钻孔深度为43m，E18-1和E18-2钻孔深度分别为64m和84m。

2 边坡稳定性分析

海州露天矿边坡远程监测系统通过远程、实时、连续自动监测应力变化，预测和评价边坡稳态，监测端（图4）采用太阳能电池板进行供电，计算机接收端（图5）接收和分析边坡应力状态，系统于2011年1月17日开始运行，每8h自动发送一个数据，也可发送指令查看实时应力情况，经过一年多的监测，得到大量的监测数据（图6）。

图3 海州露天矿边坡监测点布置图Fig.3 Arrangement diagram of monitoring pointin Haizhou open-pitm in

图4 边坡应力监测端施工图Fig.4 Working diagram of slope stress monitoring terminal

图5 计算机接收端界面Fig.5 Interface of computer receiver

图6 海州矿边坡监测应力曲线图Fig.6 The stress curve of slope monitoring in Haizhou open-pit mine

从监测应力曲线可以看出，所有的监测点在监测前期处于较高水平，但2～3个月以后都有所降低，分析认为锚索在施加预应力后，随着时间的变化，锚墩在锚索拉力作用下被拉入土体，锚索伸长量减小，预应力有所降低。E18-1、E8-1、W1-3、E8-2、W1-2监测点锚索应力值在2011年4月以后变化平稳，且增长趋势不明显，表明以上监测点处于稳定状态；而E18-2在2011年8月到10月左右应力值有剧烈变化，经到现场检查，发现在2011年8月到10月期间该监测点处正在进行压坡脚工程活动，对岩体应力造成扰动，导致应力值剧烈变化，后应力值趋于平缓，表明该处边坡处于稳定状态；E8-3监测点在2011年12月20日以后应力值呈上升状态，在2012年2月4日初达到峰值，此后有所减低，表明边坡暂处于稳定状态，但应加强边坡的监测；W1-1监测点在2011年12月到2012年1月期间应力值具有明显的脉冲波动，波动后又恢复到正常的应力值，其并不影响应力值曲线的整体走势，表明此处边坡处于稳定状态。

从整体上看，海州矿北帮暂处于稳定状态，但复杂的地质构造、气象、地下水活动以及工程活动使海州矿北帮成为滑坡高风险区，应加边坡的监测和检查工作，及时分析边坡监测数据，确保海州露天矿北帮安全。

3 结论

（1）海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统属于主动监测边坡的应力变化来获取岩体变形特征和滑移信息，通过监测边坡应力变化能够提前对边坡稳态进行预测和预警。

（2）海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统采用GPRS远距离无线传输技术，实现了对边坡应力数据的远程、连续、自动、实时、准确、采集存储，消除了人工现场测读数据受精度、天气、安全等因素的影响；系统采用太阳能供电，克服了远程监测需要频繁更换电池的困难，适用于中长期边坡监测。

（3）通过对海州露天矿边坡的监测，系统记录了大量的监测数据，为海州露天矿边坡的稳定状况和潜在危害的正确分析评价、预报预警及工程治理提供了可靠资料和科学依据。通过监测数据进行分析和评估，认为海州矿北帮目前暂处于稳定状态。

（4）通过对海州露天矿一年多的边坡监测应用实践证明，海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统能够对边坡稳定性进行实时监测。

［1］李皎，陈晋，耿宝军.海州露天矿环境地质灾害演化趋势及对策［J］.辽宁工程技术大学学报，2005，24（4）：520-523.LIJiao，CHEN Jin.GENG Baojun.Evolution trend of environmental and geological calamities in Haizhou opencast mine and countermeasures［J］.Journalof Liaoning Technical University，2005，24（4）：520-523.

［2］杨天鸿，张锋春，于庆磊，等.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势［J］.岩土力学，2011，32（5）：1441-1449.YANG Tianhong，ZHANG Fengchun，YU Qinglei，et al.Research situation of open-pit mining high and steep slope stability and its developing trend ［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（5）：1441-1449.

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［4］MT/T879-2000.煤矿预应力锚固施工技术规范［S］.MT/T879-2000.Technical specification of coal prestressed anchoring construction［S］.

［5］何满潮.滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（6）：1081-1090.HEManchao.Real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters of landslides and its engineering application［J］.Chinese Journal of Rock Mechanicals and Engineering，2009，28（6）：1081-1090.