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        露天煤礦邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

        2015-10-21 18:07:05李敬國(guó)李春林劉寶華
        基層建設(shè) 2015年10期

        李敬國(guó) 李春林 劉寶華

        摘要:本文根據(jù)白音華三號(hào)礦邊坡滑(移)動(dòng)監(jiān)測(cè)的實(shí)踐,總結(jié)出較深露天礦邊坡監(jiān)測(cè)方法;用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理并繪制出各種變形曲線圖;由多次已經(jīng)發(fā)生的邊坡滑(移)動(dòng)實(shí)踐(兼有滑坡規(guī)律),初步探討出露天礦邊坡滑(移)動(dòng)的普遍規(guī)律性。

        關(guān)鍵詞:露天煤礦;邊坡;監(jiān)測(cè)

        引言

        通過對(duì)白音華三號(hào)露天礦邊坡巖移監(jiān)測(cè)的實(shí)踐,分析了露天礦邊坡監(jiān)測(cè)方法。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理并繪制出各種變形曲線圖;對(duì)露天礦邊坡滑坡普遍規(guī)律性初步探討。由于露天采礦形成采場(chǎng),使得該地層自然壓力的平衡遭到破壞。在一定的條件下,容易誘發(fā)產(chǎn)生邊坡滑坡。露天礦滑坡嚴(yán)重地影響著露天采礦生產(chǎn)和人員的安全。因此,用科學(xué)的邊坡滑坡監(jiān)測(cè)方法,利用計(jì)算機(jī)處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并繪制各種變形曲線圖,總結(jié)滑坡與外界條件及變形值的有機(jī)關(guān)系,尋找邊坡滑坡的客觀規(guī)律,逐步做到滑坡預(yù)報(bào),對(duì)于露天礦生產(chǎn)和安全,提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有著極其重要的意義。

        白音華三號(hào)露天煤礦設(shè)計(jì)開采面積為51.38km2,主要開采煤層為2煤組和3煤組,共有5個(gè)主采煤層,2-1上、2-1中、2-1下、3-1、3-3煤層,平均厚度依次為3.80m、7.55m、4.75m、18.77m、6.66m。占總煤量為94%,其中的三個(gè)代表層,分別為2-1中、3-1和3-3煤層,占總煤量的71%。設(shè)計(jì)資源/儲(chǔ)量為1432.89Mt,可采儲(chǔ)量1375.57Mt,生產(chǎn)能力每年14.0Mt,平均剝采比4.38m3/t,服務(wù)年限89年,總投資265108.81萬元,生產(chǎn)已初具規(guī)模.伴隨著采礦活動(dòng),露天礦邊坡滑坡頻繁,尤其二、三標(biāo)段滑坡嚴(yán)重,清邦減重增加大量的剝離量,使基建投資加大,縱觀白音華三號(hào)露天礦邊坡的現(xiàn)狀,邊坡布置觀測(cè)網(wǎng),設(shè)置觀測(cè)站。

        1.觀測(cè)方法

        1.1滑坡觀測(cè)線(點(diǎn))的建點(diǎn)

        根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的滑坡實(shí)踐及其理論分析,我們?cè)诓蓤?chǎng)南幫及東西兩端幫及北幫共布設(shè)了21條觀測(cè)線(點(diǎn))(見圖1)。觀測(cè)線長(zhǎng)300~450m之間,觀測(cè)線布置間距一般為100m??刂泣c(diǎn)及觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)樁結(jié)構(gòu)分為鋼管、元鋼等幾種類型,外套PVC白色塑料管為混凝土模具,外涂紅、白相間油漆,標(biāo)志。非常直觀醒目,便于尋找。

        圖1 采場(chǎng)邊坡觀測(cè)線

        1.2觀測(cè)方法

        使用經(jīng)過檢核合格后的全站儀進(jìn)行連測(cè),在觀測(cè)站全部測(cè)點(diǎn)埋設(shè)10~15天后進(jìn)行觀測(cè),按“煤礦測(cè)量手冊(cè)”、“煤礦測(cè)量規(guī)程”的要求,采用5″經(jīng)緯儀導(dǎo)線與礦區(qū)GPS #B27、#B40等三角點(diǎn)聯(lián)測(cè),最終求其觀測(cè)網(wǎng)控制點(diǎn)及觀測(cè)點(diǎn)的三度坐標(biāo)X、Y、Z(H)。使用電子速測(cè)儀(全站儀)對(duì)觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè),大大提高觀測(cè)效率,該儀器有電子經(jīng)緯儀,光電測(cè)距儀,數(shù)據(jù)記錄器或數(shù)據(jù)終端組成。具有測(cè)角、測(cè)距、自動(dòng)記錄和計(jì)算的功能,具有精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、自動(dòng)分析和輸出的功能。

        為比較邊坡滑動(dòng)前后變化,確定滑體形狀大小,在滑坡后繪制1:1000滑坡區(qū)平面圖,在圖上應(yīng)表示滑動(dòng)裂縫位置、凸起和凹下等變形發(fā)生的位置及有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。

        2.實(shí)施觀測(cè)

        2.1觀測(cè)內(nèi)容

        預(yù)測(cè):預(yù)測(cè)的目的是發(fā)現(xiàn)邊坡何時(shí)開始滑動(dòng),可根據(jù)季節(jié)和觀測(cè)線具體情況每7~30天進(jìn)行一次觀測(cè),當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)下沉大于30mm時(shí),即為滑動(dòng)開始。

        滑動(dòng)期觀測(cè):滑動(dòng)期觀測(cè)一般每月觀測(cè)一次,在滑動(dòng)速度快、變形大的情況下,應(yīng)縮短觀測(cè)時(shí)間,活躍期7天觀測(cè)一次,以便全面掌握和研究滑坡規(guī)律。

        2.2資料整理

        首先建立三維假定坐標(biāo)系統(tǒng):

        W軸------------沿鉛垂線方向

        X′軸-----------沿觀測(cè)線方向

        Y′軸-----------沿觀測(cè)線方向

        ①填寫觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程表

        ②填寫觀測(cè)點(diǎn)水平距離表

        ③按觀測(cè)線計(jì)算測(cè)點(diǎn)下沉W值和下沉速度。

        V值

        Wn=Hn-Hon

        (mm/晝)

        式中:Hon,Hn-------分別為n點(diǎn)滑動(dòng)前后的高程

        -------為n號(hào)點(diǎn)在數(shù)值面內(nèi)兩次觀測(cè)分量之差

        --------為n號(hào)點(diǎn)兩次觀測(cè)時(shí)間間隔差。

        ①測(cè)點(diǎn)的水平移動(dòng)v和點(diǎn)間水平變形

        ~n+1 (mm/m)

        ②測(cè)點(diǎn)在垂直面內(nèi)的移動(dòng)向量W

        ③測(cè)點(diǎn)在平面的移動(dòng)向量V

        ④應(yīng)繪制觀測(cè)線垂直下沉曲線圖

        ⑤觀測(cè)點(diǎn)水平移動(dòng)與水平變形的曲線圖

        3.應(yīng)用實(shí)踐

        3.1滑坡發(fā)生前的客觀條件

        白音華三號(hào)露天礦顯著滑坡的發(fā)生條件有如下共性:

        發(fā)生在雨季(大雨當(dāng)中或大雨過后);

        發(fā)生在斷層處或軟巖層處(如頁巖);

        滑坡前均出現(xiàn)與邊坡走向近于平行的裂縫(大的裂縫寬達(dá)300~400mm);

        邊坡點(diǎn)變形大,且速度快,空間變形達(dá)400~500mm,變形速度達(dá)300~500mm/天。

        3.2對(duì)滑坡發(fā)生的理論分析

        滑坡與時(shí)間因素有密切關(guān)系,邊坡暴露時(shí)間越長(zhǎng),由于各種因素影響的積累,使邊坡越來越不穩(wěn)定,超過一定限度,就會(huì)發(fā)生滑坡。

        對(duì)白音華三號(hào)露天礦滑坡的實(shí)測(cè)資料分析表明:滑坡都是發(fā)生在順層邊坡的剪切性破壞。這里的巖體中存在著抗剪強(qiáng)度較低的弱層面(如頁巖),而且朝向采場(chǎng)(即順層邊坡),當(dāng)弱層面上部巖體的自重和其他外部負(fù)荷所構(gòu)成的下滑力超過沿弱層面的抗滑力時(shí),上部巖體將沿此弱層面,向下滑(移)動(dòng),即形成滑坡。特別是在雨季,由于大量雨水在巖體裂隙中流動(dòng)并形成一定的水位,產(chǎn)生水壓,成為附加載荷作用于邊幫上,改變了邊坡巖體的受力狀態(tài),加之流水在某些弱層面的溶解和沖刷作用及其浮力作用,都將降低邊坡巖體的穩(wěn)定程度。

        3.3滑坡因素分析

        從白音華三號(hào)露天礦滑坡觀測(cè)站觀測(cè)工作中,不斷的深入現(xiàn)場(chǎng)觀看,滑坡之動(dòng)態(tài)變化,總結(jié)影響滑坡因素:

        采場(chǎng)剝離和開采的強(qiáng)度系影響滑坡的第一因素,如三號(hào)礦南幫(非工作幫)。各標(biāo)段除三標(biāo)南幫以外各標(biāo)段滑坡均比較嚴(yán)重,而當(dāng)時(shí)三標(biāo)已停止剝離,礦坑內(nèi)有積水,其南幫地面觀測(cè)點(diǎn)比較穩(wěn)定,后來三標(biāo)段開始生產(chǎn)剝離,結(jié)果南幫地面觀測(cè)點(diǎn)開始迅速下沉和移動(dòng),滑坡開始,業(yè)已形成連續(xù)錯(cuò)落的倒臺(tái)階,景象可觀。

        地面降水也是影響三號(hào)礦坑滑坡之重要因素,今年降雨量大,排土場(chǎng)流下的水,南幫地表水,緩慢的沉入地下,值得提出的是,三號(hào)礦9月份之前沒有建設(shè)排水溝,導(dǎo)致積水緩慢沉入地下,并且含水層的水也流入礦坑,業(yè)已構(gòu)成了滑坡的潤(rùn)滑劑。

        從地質(zhì)水文條件來分析,地下水層,露天剝離開采形成了降落漏斗,工作幫外圍有疏干井,而非工作幫(南幫)沒有疏干排水設(shè)施,含水層的水流入礦坑過程中,由于滑床的土質(zhì)問題,很快的產(chǎn)生大量的水下滲之現(xiàn)象。

        從地質(zhì)條件來看,白音華三號(hào)露天礦巖層:為細(xì)沙粘土層,泥巖層,地質(zhì)軟巖比例大,利于滑坡,煤層,巖層的向北傾斜也造成同時(shí)也造成了滑坡的重要條件。

        4滑坡預(yù)報(bào)方法研究

        4.1滑坡過程

        滑坡從早期征兆出現(xiàn)到滑坡完成,經(jīng)歷著三個(gè)時(shí)期,即初始期、恒速度滑動(dòng)期和加速滑動(dòng)期。

        4.2預(yù)報(bào)內(nèi)容

        滑坡預(yù)報(bào)包括三部分內(nèi)容(三要素):滑坡位置(范圍)、滑坡形態(tài)(類型)和滑坡發(fā)生時(shí)間。從邊坡管理角度,滑坡預(yù)報(bào)又分為:

        長(zhǎng)期預(yù)報(bào)(幾個(gè)月至幾年),側(cè)重宏觀掌握邊坡穩(wěn)定狀態(tài);

        短期預(yù)報(bào)(幾天至一、二個(gè)月),認(rèn)真做好監(jiān)測(cè)及其它工作并采取相應(yīng)的安全措施;臨時(shí)預(yù)報(bào)(幾個(gè)小時(shí)到1~2天),采取安全措施;上述三種預(yù)報(bào),以短期預(yù)報(bào)和臨時(shí)預(yù)報(bào)最為重要。

        4.3預(yù)報(bào)方法

        由以上分析可以看出,影響滑坡的因素是復(fù)雜的、綜合性的,因此滑坡預(yù)報(bào)也只能采?。ㄖ辽倌壳笆沁@樣)綜合的概率統(tǒng)計(jì)的定性預(yù)報(bào)法,我們可以利用回歸分析原理,通過對(duì)時(shí)間位移曲線的觀察,對(duì)加速變形階段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用冪級(jí)數(shù)回歸的二次曲線方程去擬合觀測(cè)點(diǎn)圖?;貧w分析建立的前提條件是:監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移一定是進(jìn)入加速階段中后期,采用如下的冪級(jí)數(shù)回歸二次曲線去擬合

        Y= a0+a1x+ a2 x2

        式中:a0、a1、a2為待定系數(shù)。采用最小二乘法原理及求極值的法則,解出待定系數(shù)。

        結(jié)束語

        影響滑坡的因素是復(fù)雜的、綜合性的,利用回歸模型進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào),采取綜合的概率統(tǒng)計(jì)的定性預(yù)報(bào)法時(shí),要綜合考慮邊坡巖體內(nèi)有斷層,且存在弱層面;連降大雨過程中或大雨過后;露天開采邊坡周邊原始地面下沉量較大區(qū)域。

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