孫 波

（象山縣土地勘測(cè)有限公司，浙江 寧波 315000）

采礦區(qū)由于山體結(jié)構(gòu)分布廣泛，地層具有軟弱夾層，開采過程中礦體的抗剪性和承壓性較差，易引起礦體應(yīng)力的重新分布，并且這一現(xiàn)象在降雨和地表水的共同作用下，會(huì)造成礦體斜坡移動(dòng)變形，導(dǎo)致嚴(yán)重的自然災(zāi)害，因此斜坡移動(dòng)變形計(jì)算的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。移動(dòng)變形計(jì)算的研究，主要對(duì)山體應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，避免采礦誘發(fā)礦層裂隙，防止巖體切割成塊體形成災(zāi)害體。當(dāng)前對(duì)斜坡移動(dòng)變形的計(jì)算，主要采用基于理論分析和二維的數(shù)值模擬，掌握采礦的采礦方式、采礦順序及采空區(qū)分布，根據(jù)實(shí)際的采礦順序和空間分布進(jìn)行模擬，從二維角度進(jìn)行深入分析，總結(jié)斜坡移動(dòng)變形走向與礦體走向的相關(guān)特征，再從三維數(shù)值模擬角度出發(fā)，判斷采礦誘發(fā)斜坡的失穩(wěn)模式，從而得出具體結(jié)論，為采礦過程中，斜坡移動(dòng)變形的防治提供指導(dǎo)[2]。為進(jìn)一步預(yù)測(cè)斜坡移動(dòng)變形的演變過程，根據(jù)以上理論，探究礦層地表與巖層變形特征，及巖體結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)特性，提出基于近景攝影測(cè)量技術(shù)的采礦誘發(fā)斜坡移動(dòng)變形計(jì)算。近景攝影測(cè)量技術(shù)是對(duì)物距小于300m的目標(biāo)物進(jìn)行攝影測(cè)量，實(shí)時(shí)量測(cè)礦層斜坡的大小和形狀，提高斜坡變形的勘察效率和勘察精度。

1 基于近景攝影測(cè)量技術(shù)的采礦誘發(fā)斜坡移動(dòng)變形計(jì)算方法

1.1 基于近景攝影測(cè)量技術(shù)獲取斜坡移動(dòng)變形參數(shù)

利用近景攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)采礦誘發(fā)的斜坡進(jìn)行勘測(cè)，獲取其移動(dòng)變形的物理參數(shù)。首先在斜坡坡面設(shè)置位移標(biāo)記點(diǎn)，通過近景攝影獲得斜坡立體圖，通過對(duì)坡面位移標(biāo)記點(diǎn)的攝影勘測(cè)，對(duì)其變化值進(jìn)行讀取，在攝影中讀取各點(diǎn)的相對(duì)位移，勘測(cè)斜坡坡體側(cè)面的位移情況，初步判斷采礦誘發(fā)坡體的位移變化。然后測(cè)量礦層巖體內(nèi)的應(yīng)力變化，首先要充分考慮采礦地質(zhì)的結(jié)構(gòu)，在斜坡移動(dòng)變形部位埋設(shè)土壓力傳感器，前緣巖溶帶作為斜坡移動(dòng)變形的關(guān)鍵部位，應(yīng)選取強(qiáng)度較低的土壓力傳感器，且在埋設(shè)之前要檢測(cè)其運(yùn)行是否達(dá)到可埋設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在保證傳感器運(yùn)行良好的基礎(chǔ)上，使其受力面與節(jié)理面保持平行。誘發(fā)斜坡的中后部的坡體，將整體坡體沿垂直臨空面方向切割成個(gè)塊體，并采用強(qiáng)度較高的土壓力傳感器，使其沿坡體移動(dòng)變形方向轉(zhuǎn)出，準(zhǔn)確埋設(shè)在預(yù)先勘測(cè)部位。根據(jù)傳感器測(cè)得的應(yīng)力變化，判斷坡體移動(dòng)變形的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并結(jié)合位移點(diǎn)變化值，總結(jié)坡體移動(dòng)變形的時(shí)序特征，獲取坡體物理參數(shù)，其斜坡單元體積模量G的計(jì)算公式為：

公式中，μ為礦層巖石的泊松比，E為礦層巖石的彈性模量。斜坡結(jié)構(gòu)面的切向剛度，參照巖層體積模量的關(guān)系，可得剛度J的計(jì)算公式為：

公式中，s為礦層巖石的彈性模量，D為誘發(fā)斜面結(jié)構(gòu)面的法向剛度[3]。為獲取相關(guān)參數(shù)更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，利用攝影測(cè)量時(shí)加入的時(shí)間，確定相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間和加速度的移動(dòng)變形，根據(jù)攝影錄像跟蹤讀數(shù)的方法，計(jì)算相關(guān)參數(shù)的初始值，以讀取的初始值為基準(zhǔn)點(diǎn)，獲取坡內(nèi)巖體多點(diǎn)移動(dòng)變形后，再次計(jì)算各物理參數(shù)的取值，通過前后參數(shù)值，間接地反映出誘發(fā)斜坡的移動(dòng)變形量，確定礦層巖體參數(shù)的變化值，并結(jié)合激光位移傳感器，將參數(shù)變化值的數(shù)據(jù)進(jìn)行修整和比較，最后繪制出各物理參量的移動(dòng)變形曲線。至此完成基于近景攝影測(cè)量技術(shù)，斜坡移動(dòng)變形物理參數(shù)的獲取。

1.2 計(jì)算采礦誘發(fā)斜坡移動(dòng)變形量

根據(jù)斜坡移動(dòng)變形的物理參數(shù)，確定地下采礦過程中，與斜坡內(nèi)部移動(dòng)變形之間的單元表達(dá)式，得到最終的坡體內(nèi)部移動(dòng)變形規(guī)律。通過繪制的斜坡移動(dòng)變形曲線圖，建立礦區(qū)開采過程中，地下采礦與地表移動(dòng)之間的聯(lián)系，由于在礦山初次開采和重復(fù)開采條件下，其覆巖移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致坡體產(chǎn)生移動(dòng)變形，即覆巖移動(dòng)是斜坡移動(dòng)變形的最大影響因素，因此首先要探究坡體覆巖的移動(dòng)變形規(guī)律，勘測(cè)巖層由近似連續(xù)體變?yōu)榉沁B續(xù)體的變形階段，直至誘發(fā)斜坡兩側(cè)覆巖相互脫離，總結(jié)采礦的開采深厚、重復(fù)采動(dòng)應(yīng)力等數(shù)值，判斷覆巖下沉速率的快慢，將其作為坡表產(chǎn)生較大變形值的主要影響因素。然后根據(jù)時(shí)間與初速度的曲線，確定斜坡變形的初始應(yīng)力，首先按照開采順序，對(duì)單元坡體的移動(dòng)變形進(jìn)行迭代計(jì)算，且由于每次開采都會(huì)引起坡體不平衡力的升高，因此要進(jìn)行多次迭代計(jì)算，排除不平衡力的影響，使最終計(jì)算結(jié)果達(dá)到收斂穩(wěn)定狀態(tài)。則斜坡單元移動(dòng)變形的表達(dá)式的計(jì)算公式為：

公式中，r為巖土體內(nèi)移動(dòng)變形的主要影響范圍，x為水平垂直的移動(dòng)變形系數(shù)，B為移動(dòng)變形的主要影響范圍角，z為滑坡速度，根據(jù)公式（3），確定采礦作用下的坡體移動(dòng)變形規(guī)律。然后對(duì)斜坡巖土體內(nèi)部的單元移動(dòng)變形量進(jìn)行疊加，由于采礦誘發(fā)的斜坡覆巖體移動(dòng)變形，其主要規(guī)律是由單元開挖，而導(dǎo)致的坡體變形，因此要對(duì)覆巖層的松散介質(zhì)進(jìn)行假設(shè)，從山體斜坡移動(dòng)變形的尺寸角度出發(fā)，將斜坡的巖體結(jié)構(gòu)近似認(rèn)為是均質(zhì)，并考慮近水平層面的陡傾結(jié)構(gòu)面影響，簡化斜坡各向同性的松散介質(zhì)。對(duì)斜坡單元變形量簡化為平面問題，將沿采空區(qū)走向方向和傾斜方向，分別定義為充分開采和非充分開采，根據(jù)采礦沿層面開挖的特點(diǎn)，將采空區(qū)開挖引起的移動(dòng)變形，作為斜坡整體的移動(dòng)變形量，對(duì)斜坡傾斜剖面進(jìn)行計(jì)算，則斜坡整體移動(dòng)變形量的表達(dá)式為：

公式中，?為地表下沉系數(shù)，q為最小開采深度，α為斜坡剖面的礦層傾角，β為開采影響傳播角，n為開采厚度。根據(jù)公式（4）計(jì)算結(jié)果，對(duì)斜坡移動(dòng)變形的范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而做好防范措施，至此完成基于近景攝影測(cè)量技術(shù)，采礦誘發(fā)斜坡移動(dòng)變形的計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證此次提出算法的有效性，與傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選一金屬礦作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，巖層呈單斜構(gòu)造，應(yīng)力集中，巖層厚度介于10m～90m，分別為灰?guī)r、軟弱層面、頁巖，坡體節(jié)理為裂隙發(fā)育。

兩種算法分別對(duì)圖1所示的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘測(cè)，其坡體巖石的物理參數(shù)如下表所示：

表1 斜坡巖層物理參數(shù)

由上表可知，該礦區(qū)誘發(fā)的斜坡巖體強(qiáng)度大，但抗剪強(qiáng)度有所降低，斜坡區(qū)的主斜坡體和巖溶帶的節(jié)理相差較大，其裂縫和節(jié)理對(duì)斜坡的穩(wěn)定性起控制作用。該斜坡剖面的礦區(qū)開采厚度為3m，礦層視傾角為5.7°，最小開采深度為47,372m。兩種算法分別對(duì)該斜坡不同位移點(diǎn)的垂直沉降量進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，其計(jì)算結(jié)果如下表所示：

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

如上表所示，不同位移點(diǎn)下的垂直沉降量，本文算法的計(jì)算值與實(shí)際勘測(cè)值更加接近，平均誤差為0.48m，而傳統(tǒng)算法的平均誤差為0.79m，相比傳統(tǒng)算法，平均誤差減小了0.31m，使斜坡移動(dòng)變形的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，使斜坡移動(dòng)變形規(guī)律的預(yù)測(cè)更加可靠。

3 結(jié)語

此次提出的移動(dòng)變形算法，充分發(fā)揮了近景攝影測(cè)量技術(shù)的勘測(cè)優(yōu)勢(shì)，使計(jì)算結(jié)果更加貼近斜坡移動(dòng)變形的實(shí)際值。但此次算法沒有考慮斜坡變形時(shí)，裂縫擴(kuò)展的因素，在今后的研究中，會(huì)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，分析斜坡的潛在變形量。