毛開(kāi)江，張宏偉，韓 軍 ，李 勝

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新 1 23000）

0 引言

海州露天礦是一個(gè)長(zhǎng)4.0km、寬2.0km、采深近360m的露天采場(chǎng)。長(zhǎng)期以來(lái)，海州露天礦礦坑及周邊地區(qū)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害非常嚴(yán)重，截至2004年共發(fā)生滑坡70余次，平均每年發(fā)生1～2次滑坡［1］，邊坡安全問(wèn)題日趨突出。在海州露天礦北部有阜新發(fā)電廠、阜新礦業(yè)集團(tuán)機(jī)修廠和材料庫(kù)、國(guó)家礦山公園等重要工業(yè)及民用設(shè)施。為了確保這些工業(yè)及民用設(shè)施的安全，必須對(duì)海州露天礦邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外主要采用的監(jiān)測(cè)方法有：GPS監(jiān)測(cè)、坡表大地測(cè)量、激光微小位移監(jiān)測(cè)、紅外遙感監(jiān)測(cè)等。但隨著科技水平的提高，從坡表變形監(jiān)測(cè)到坡體內(nèi)部空間非接觸、全遙控、高智能、高精度的綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用是邊坡監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)［2］。因此基于預(yù)應(yīng)力錨索研發(fā)海州露天礦邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 邊坡預(yù)應(yīng)力錨索遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 海州露天礦工程地質(zhì)條件

海州礦位于阜新市區(qū)南部太平區(qū)境內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要含煤地層共有5個(gè)煤層群，按埋藏順序?yàn)樗獙?、孫家灣層、中間層、太平上下層及高德層。查明巖層中有1#至9#軟弱夾層，這些軟弱夾層是邊坡主要控制結(jié)構(gòu)面，尤其北幫歷次滑坡都是沿著這些層面滑動(dòng)的［3］。巖性由顆粒不等的砂巖、砂礫巖 、砂質(zhì)頁(yè)巖和煤層構(gòu)成，巖相和厚度變化均較大，可采煤層頂板以上巖層是由粗顆粒砂巖，砂礫巖和厚層砂質(zhì)頁(yè)巖構(gòu)成煤層底板以下巖層是由泥質(zhì)砂頁(yè)、砂巖夾薄煤層構(gòu)成泥質(zhì)砂頁(yè)巖層理發(fā)育，風(fēng)化后多呈薄片狀碎塊，遇水后軟化呈可塑狀，巖石內(nèi)自然含水率較高，力學(xué)強(qiáng)度低于煤層頂板上巖層。

1.2 系統(tǒng)原理

巖體在力的作用下產(chǎn)生變形，邊坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，當(dāng)下滑力達(dá)到巖體強(qiáng)度時(shí)，滑體會(huì)沿滑動(dòng)面下滑，從而導(dǎo)致滑坡事故的發(fā)生，通過(guò)對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力來(lái)主動(dòng)監(jiān)測(cè)巖體的應(yīng)力情況，當(dāng)巖體應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)力傳感器記錄應(yīng)力情況，及時(shí)掌握滑坡動(dòng)態(tài)，從而對(duì)邊坡進(jìn)行預(yù)警和及時(shí)采取治理措施。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 邊坡監(jiān)測(cè)力學(xué)模型Fig.1 The mechanical model of slope monitoring

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)端和計(jì)算機(jī)接收端組成。邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)端由智能應(yīng)力傳感器、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)組成，計(jì)算機(jī)接收端由數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成，應(yīng)用GPRS遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸（圖2）。

圖2 邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The slope remote monitoring system structure diagram

1.4 預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

錨索由錨固段、自由段、張拉段組成，錨固段是錨索在錨孔底部的錨固長(zhǎng)度，自由段是在張拉時(shí)可以自由彈性伸長(zhǎng)的錨索長(zhǎng)度，張拉段是從錨固端外側(cè)至承壓墊座之間的距離。錨索錨固長(zhǎng)度的驗(yàn)算根據(jù)公式（1）和公式（2）［4］進(jìn)行：

式中：La——按砂漿與預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算的錨固段長(zhǎng)度（mm）；

K——錨索安全系數(shù)，1.5～2.0；

Nt——錨索設(shè)計(jì)荷載（N）；

d——預(yù)應(yīng)力筋外徑（mm）；

n——預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)，6根；

τa——砂漿與預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)強(qiáng)度（MPa）；

τb——砂漿與孔壁巖石粘結(jié)強(qiáng)度（MPa）；

Lb——按錨固體砂漿與孔壁巖石粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算的錨固段長(zhǎng)度（mm）；

D——錨索鉆孔直徑（mm）。

根據(jù)煤礦預(yù)應(yīng)力錨固施工技術(shù)規(guī)范（MT/T879-2000），取K為2.0，τb為3.25MPa，τb為0.66MPa，錨索鋼絞線選用Ф15.24mm低松弛鋼絞線，其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1860MPa，錨索由6根鋼絞線組成，故d為15.24mm，n取6，取110mm。計(jì)算得La≈2m，Lb≈8m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)錨固段長(zhǎng)度為8m，自由段在滑面以下不小于1.5m，故滑面以下應(yīng)不小于9.5m。

錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)原則和預(yù)警原則［5］根據(jù)公式（3）和（4）進(jìn)行：

式中：p0——錨索預(yù)應(yīng)力（kN）；

pmax——錨索最大載荷（kN）；

p——預(yù)警載荷（kN）。

在考慮的一定安全系數(shù)情況下，取pmax=1000kN，錨索初始施加的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為300～400kN，錨索應(yīng)力的預(yù)警值設(shè)計(jì)為750kN。

實(shí)際施工后監(jiān)測(cè)點(diǎn)E18-2錨索預(yù)應(yīng)力為409kN，E18-1錨索預(yù)應(yīng)力為403kN，E8-3錨索預(yù)應(yīng)力為451kN，E8-2錨索預(yù)應(yīng)力為401kN，E8-1錨索預(yù)應(yīng)力為202kN，W1-3錨索預(yù)應(yīng)力為437kN，W1-2錨索預(yù)應(yīng)力為393kN，W1-1錨索預(yù)應(yīng)力為363kN。

1.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在分析海州露天礦邊坡巖體變形及潛在滑坡區(qū)的基礎(chǔ)上，在海州露天礦北幫邊坡共布置3條監(jiān)測(cè)線，分別位于邊坡的中部及兩側(cè)邊緣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于滑動(dòng)影響范圍78～150m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線距離分別為754m（W1-E8）和856m（E8-E18）。測(cè)點(diǎn)間距為105～250m。共設(shè)計(jì)了W1-1、E18-1、W1-2、E8-1、E8-2（地面），W1-3、E18-2、E8-3（邊坡上）等 8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖3），具體的測(cè)點(diǎn)參數(shù)為：鉆孔直徑110mm，方位角都為328°，地面鉆孔傾角為30°，邊坡上鉆孔傾角為45°；W1-1、W1-2、E8-1、E8-2鉆孔深度為39m，W1-3鉆孔深度為71m，E8-3鉆孔深度為43m，E18-1和E18-2鉆孔深度分別為64m和84m。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

海州露天礦邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化，預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)態(tài)，監(jiān)測(cè)端（圖4）采用太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電，計(jì)算機(jī)接收端（圖5）接收和分析邊坡應(yīng)力狀態(tài)，系統(tǒng)于2011年1月17日開(kāi)始運(yùn)行，每8h自動(dòng)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，也可發(fā)送指令查看實(shí)時(shí)應(yīng)力情況，經(jīng)過(guò)一年多的監(jiān)測(cè)，得到大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖6）。

圖3 海州露天礦邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Arrangement diagram of monitoring pointin Haizhou open-pitm in

圖4 邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)端施工圖Fig.4 Working diagram of slope stress monitoring terminal

圖5 計(jì)算機(jī)接收端界面Fig.5 Interface of computer receiver

圖6 海州礦邊坡監(jiān)測(cè)應(yīng)力曲線圖Fig.6 The stress curve of slope monitoring in Haizhou open-pit mine

從監(jiān)測(cè)應(yīng)力曲線可以看出，所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)前期處于較高水平，但2～3個(gè)月以后都有所降低，分析認(rèn)為錨索在施加預(yù)應(yīng)力后，隨著時(shí)間的變化，錨墩在錨索拉力作用下被拉入土體，錨索伸長(zhǎng)量減小，預(yù)應(yīng)力有所降低。E18-1、E8-1、W1-3、E8-2、W1-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)錨索應(yīng)力值在2011年4月以后變化平穩(wěn)，且增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，表明以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)；而E18-2在2011年8月到10月左右應(yīng)力值有劇烈變化，經(jīng)到現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)在2011年8月到10月期間該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處正在進(jìn)行壓坡腳工程活動(dòng)，對(duì)巖體應(yīng)力造成擾動(dòng)，導(dǎo)致應(yīng)力值劇烈變化，后應(yīng)力值趨于平緩，表明該處邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；E8-3監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2011年12月20日以后應(yīng)力值呈上升狀態(tài)，在2012年2月4日初達(dá)到峰值，此后有所減低，表明邊坡暫處于穩(wěn)定狀態(tài)，但應(yīng)加強(qiáng)邊坡的監(jiān)測(cè)；W1-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2011年12月到2012年1月期間應(yīng)力值具有明顯的脈沖波動(dòng)，波動(dòng)后又恢復(fù)到正常的應(yīng)力值，其并不影響應(yīng)力值曲線的整體走勢(shì)，表明此處邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從整體上看，海州礦北幫暫處于穩(wěn)定狀態(tài)，但復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、氣象、地下水活動(dòng)以及工程活動(dòng)使海州礦北幫成為滑坡高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)加邊坡的監(jiān)測(cè)和檢查工作，及時(shí)分析邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保海州露天礦北幫安全。

3 結(jié)論

（1）海州露天礦邊坡預(yù)應(yīng)力錨索遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于主動(dòng)監(jiān)測(cè)邊坡的應(yīng)力變化來(lái)獲取巖體變形特征和滑移信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)邊坡應(yīng)力變化能夠提前對(duì)邊坡穩(wěn)態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。

（2）海州露天礦邊坡預(yù)應(yīng)力錨索遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GPRS遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡應(yīng)力數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、連續(xù)、自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、采集存儲(chǔ)，消除了人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)讀數(shù)據(jù)受精度、天氣、安全等因素的影響；系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，克服了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)需要頻繁更換電池的困難，適用于中長(zhǎng)期邊坡監(jiān)測(cè)。

（3）通過(guò)對(duì)海州露天礦邊坡的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)記錄了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為海州露天礦邊坡的穩(wěn)定狀況和潛在危害的正確分析評(píng)價(jià)、預(yù)報(bào)預(yù)警及工程治理提供了可靠資料和科學(xué)依據(jù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，認(rèn)為海州礦北幫目前暫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）通過(guò)對(duì)海州露天礦一年多的邊坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)踐證明，海州露天礦邊坡預(yù)應(yīng)力錨索遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)吰路€(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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