0 引言

一些大型露天矿的资料表明, 露天矿山边坡角每增加1°, 可减少剥岩量1亿t。因而从降低剥采比、提高经济效益的角度出发, 如果一座露天矿边坡从建设到闭坑从未发生过破坏, 则通常意味着其设计偏于保守。此外, 由于开挖使周围岩体原有应力场发生压缩、剪切、拉伸等变形, 加之开挖使深埋在岩体中的地质不连续面临空, 形成临空有界块体、暴露在外的岩石逐渐风化、膨胀性夹层、地下水位变化、爆破的影响等等, 使人们在生产上只能按照位移的实际发展来对边坡实行管理。因此, 露天矿边坡移动监测是边坡稳定性研究工作中的一个重要组成部分^{[1, 2]}。

1 露天矿边坡特点

矿山边坡是一种临时或半永久性边坡, 它允许发生少量滑塌甚至局部性规模较大的滑塌, 但不允许突然发生造成人员伤亡或重大经济损失的滑塌。因此, 与其它工程边坡相比, 露天矿山边坡具有如下特点:

(1) 多为岩质边坡, 边坡高, 坡角陡, 安全系数较低;

(2) 随矿体开采逐渐增高, 有一定的服务年限;

(3) 多处于裸露状态, 直接承受风化等自然力的作用, 并遭受诸如爆破等动力作用的影响;

(4) 对于金属矿山, 因受浅部构造的影响, 工程地质条件通常较为复杂。

边坡稳定主要受大型不连续面控制, 特别是煤矿, 软弱泥质岩层和地下水是边坡稳定的主要影响因素^[3]。

边坡监测的任务是:

提供边坡恶性发展的报警, 以保证作业人员及设备的安全, 且在变形趋稳时解除警报, 以利组织生产;

提供可靠的监测资料以识别不稳定边坡的变形和潜在破坏的机制及其影响范围, 以制定防灾、减灾措施;

对于矿山边坡, 提供信息以便矿山调整采、掘计划, 甚至修改设计;

参与提出处理潜在滑体方案, 为方案的实施提供安全监测, 并对处理效果提出评价。

边坡监测的目的是对可能发生滑坡的危险边坡进行观测, 查明滑动性质、滑体规模和准确预报滑坡等以确保生产安全, 避免灾难性事故的发生。

露天矿边坡监测的内容包括:

边坡面上移动值的大小和分布, 移动的过程、规律;

滑动面位置、形状, 滑体的大小、滑动方向;

边坡移动对坡顶及其附近各种建筑物的危害程度;

加固措施的效果。

2 露天矿边坡的监测 2.1 边坡观测站的布设

观测线由位于同一直线上的控制点和工作点组成, 控制点布设在滑体外稳定的地表或边坡上, 工作点设置在滑体上, 每条观测线至少设两个控制点, 控制点至第一个工作点的距离和控制点间的距离为50~100m, 工作测点部分剖面线长度视边坡倾斜方向的实际长度而定。工作测点的间距一般为5~15m, 具体视露天矿的深度、台阶的高度和宽度而定, 在一个台阶上至少设两个测点, 其中的一个靠边坡顶, 另外一个靠近坡脚, 每个平台上均应设置观测点, 且测点位置应考虑到观测方便与观测人员安全。

观测点应布置在下列地段:工程地质条件较复杂, 如断层、破碎带、风化带、岩层节理发育等地段; 受地下水和地表水危害较大的地段; 运输枢纽; 已形成较高的边坡和服务年限较长的地段; 正在进行边坡治理的地段。

观测线的条数取决于滑坡范围(监测范围)的大小、边坡岩石力学性质变化情况及地质条件复杂程度。一般在滑体中央部分、沿预计的最大滑动速度方向(多数情况为大致垂直于露天矿边坡走向方向)布置一条, 在其两侧再布设若干条。在滑体上具有特征性的部位应设专门的观测点进行监测, 当发现某些观测点有移动时, 可在这些观测点的上、下、左、右增设观测点, 以便准确确定边坡移动范围。

对水准基点不要求建立严格的高程控制系统。可以每2~3个台阶在非移动区建立一组, 每组不少于3个点, 每次观测时, 同级水准基点间应进行检测。为确定工作点的矿区统一高程值, 可用等外水准或三角高程进行各组水准基点间的联测。

测距仪及全站仪的使用, 使观测点的布设可以更加灵活, 且观测线上可不布设控制点。

观测站的设计说明书应包括:

整个露天矿情况概述, 如主要地质、采矿条件以及这些条件对边坡稳定性的影响程度;

简述该矿历次滑坡情况及其原因:

观测站的设计:观测站的设置目的, 观测线布置的形式、测线长度、测点间距、测点形式及观测线的标定方法;

简述观测方法、精度要求、观测时间间隔、使用的仪器及成果整理要求;

设站时所需要的材料及费用预算等。

2.2 边坡的监测

在露天矿边坡可采用导线法观测, 并用水准测量方法测量各工作测点的高程。

观测工作在全部测点埋设10~15天后进行, 观测时首先将观测站的控制点与露天矿基本控制网点(平面与高程)进行联测, 平面联测工作可按5″小三角或5″经纬仪导线进行, 高程联测按四等水准的要求进行。

观测站控制点联测后, 即可按露天矿Ⅰ级导线和露天矿Ⅰ级高程测量方法和精度要求测定各工作测点的平面位置和高程, 观测需要独立进行两次, 如果两次测量结果的平面坐标均符合露天矿Ⅰ级经纬仪导线的精度要求, 高程闭合差均不大于±35 (L为导线总长, km计), 则取其平均值作为原始数据。

为了日常观测成果整理方便, 在计算各点平面坐标时, 宜采用以观测线方向, 即以观测线两控制点方向为X轴, 以距观测点较近的控制点为坐标原点的假定坐标系统。

露天矿边坡正常观测工作主要有如下内容:

(1) 警戒观测:为确定边坡是否正常滑动, 可根据季节及观测线的具体情况定期进行水准测量。若发现观测点累计下沉达20mm时, 可认为边坡开始滑动, 需进行全面观测。全面观测包括测点的高程和平面位置测量。

(2) 滑动期观测:滑动期观测周期根据边坡活跃程度而定, 一般1~3个月进行一次水准测量, 3~6个月进行一次全面观测, 在滑动速度快、变形大的情况下, 应缩短观测周期以全面掌握和研究滑动规律。当发现滑体产生裂隙时, 必须测量裂隙的长短、深浅和走向。并在裂隙的两侧设置观测点, 每月或每周观测一次裂隙的变化情况。

(3) 滑坡后观测:包括观测点平面位置、高程及滑体的大小、滑落记录时间等。并在滑坡区平面图上表示出滑动面、裂缝位置、凸起、凹陷等变形发生的部位、时间及有关测量数据。

露天矿边坡地势陡峭时, 观测点的平面位置常采用前方交会测定, 有条件时可使用边角交会。交会法观测的基点, 可以利用矿区现有基本控制网点, 在基点上必须建造混凝土观测墩, 采用强制归心。

控制点必须设在非移动区, 且不易破坏的地方。

测点的高程可用水准测量方法, 也可采用三角高程测量, 方法与导线法完全相同。正常观测的内容、观测周期等与导线法相同。

得到观测成果后, 可按平差解析方法计算出各工作点的坐标, 然后与首次观测成果相比较求得位移量。

观测成果整理主要内容有:根据观测点平面位置和高程, 计算移动和变形值, 绘制移动和变形曲线图。(1)测线剖面图:图上应表示出滑坡前后的边界外形, 各台阶标高、地物、岩层、地质构造界线、各观测点及其移动量。如果滑动方向与观测线方向相差较大, 应另绘滑动方向剖面图。(2)滑坡区平面图:图上应表示出滑坡前后台阶或地形及其标高、地物、滑体边界、裂缝、观测线等, 绘出各观测点的移动向量。(3)对个别具有代表性的测点, 需绘位移或移动速度随时间的变化曲线。

根据上述图纸及滑坡区工程地质和采矿工程等条件, 可推测滑动面的形状和位置, 分析滑动原因, 进行滑坡预报等。

此外, 有很多其它类别的仪器及方法, 可用来监测露天矿的边坡。如钻孔伸长计、钻孔倾斜仪, 还有多点边坡位移记录仪、微震音监测仪、地面钢丝伸长计以及测量钻孔倾斜度变化等方法。露天矿边坡监测也有采用摄影测量方法, 如中南大学研制开发的数字化近景摄影测量系统; 目前GPS也用于边坡的实时监测。除此以外, 其他一些如水压监测及气象记录也常用于边坡监测。

3 边坡滑坡预报及实例

露天矿边坡滑坡预报包括滑坡地点、滑体形态及规模、滑坡发生的时间等三要素。

根据工程地质条件、水文地质条件、岩石力学性质及边坡构成要素等对露天矿边坡进行稳定性分析, 将整个矿区划分成稳定区、比较稳定区、滑动区、极易滑动区等类型, 从而对滑坡地点进行预报。根据滑坡地点的预报可以确定边坡监测的重要监测区。

根据滑体滑落面的形状, 可作滑体形态及规模的计算。滑体从早期征兆出现到滑落完成, 都经过初始期、恒速变化期和加速变化期。加速滑动期的出现及其发展, 预示滑落的来临。即当滑落速度突然大幅增加, 表明滑坡即将发生。所以滑坡的速度—时间曲线是滑坡时间预报的重要依据。

滑坡发生时间预报的另一个重要依据是位移—时间曲线。一般在边坡滑坡的初始阶段, 位移比较均匀, 但在发生滑坡前, 位移有可能停顿一段时间, 而后位移显著增大, 位移曲线呈指数上升, 这就是发生滑坡的前兆, 从累计位移与时间关系曲线上可以推测滑坡的日期。

大冶铁矿露天采场设计最大边坡高444m, 整体边坡角43~45°, 1958年投产至1997年已形成坡高近400m的深凹高陡边坡露天矿, A区边坡产状为N75°E/SE43°, 由于断层交汇、岩体严重蚀变等不良工程地质条件, 在暴雨诱发下于1990年4月30日在尖F₉断层上盘+72~+13m高程发生A₁滑坡, 并导致滑体西北侧+180~-24m高程之间有底宽近百米、高204m的三角区域边坡岩体持续向A₁滑坡位移, 出现地表开裂和失稳前兆。为了保证安全生产, 几年来完成了该区边坡稳定性评价、加固和综合治理研究, 建立了边坡监测系统, 并开展了边坡监测与滑坡预报工作。

由于露天矿采场处于开采晚期, 考虑到大范围边坡加固与治理工程量大, 费用高, 加之许多地段已不具备现场施工条件, 加固的重点放在A₁滑体周围和边坡下部地段, 而整个不稳定区采用动态监测的办法, 以防止灾害性边坡失稳事故的发生。A区监测系统包括钻孔倾斜仪在钻孔深部位的位移监测、多点伸长计浅层位移监测、坡面位移监测及加固构件受力状态监测。

1990年3月至1996年6月对A区尖F₉上盘边坡+180~-60m的83个测点进行了长期监测和资料整理分析工作, 通过对测量结果进行对比分析, 确定了其中34个测点分布范围为不稳定区, 监测结果表明:

(1)+48~+180m之间的A₁滑体西北侧21个测点滑移方向为120~130°, 即沿F₉断层走向挤压A₁滑体。由于加固工程的实施, 其位移速率经历了快(1990年雨季0.369 mm/d)—慢(1991年雨季0.0029mm/d)—快(1994年达到0.60mm/d)—加速(1996年上半年5.23mm/d)的过程, 最终产生A₂滑坡, 其范围即为边坡位移观测点所确定的三角形不稳定区。

(2) 0~-60m之间的A₁滑体下部13个测点位移方向基本上是顺坡面, 1994年其位移速率为0.149 mm/d, 1995年为0.179 mm/d, 1996年剧增至1.05 mm/d。上述资料表明, A₁滑体及其下部加固区的边坡直到1995年是较为稳定的, 1996年上半年A₂ 滑坡推动了A₁滑体及其下部边坡。

根据7年多的监测资料, 采用了整个监测区所有测点全年日平均位移速率来确定滑坡临界速率。当位移速率达到0.5mm/d时, 可以将此作为滑坡可能发生的临界位移速率, 当位移速率达到5.0mm/d, 可以作为滑坡即将发生的判据。

A₁滑体西北部不稳定区内21个测点, 1993年平均位移速率为0.369mm/d, 1994年为0.60mm/d, 1995年为0.578mm/d, 1996年上半年为5.32mm/d。由上述分析可知, 1994~1995年边坡以0.5mm/d左右的位移速率持续大变形(即处于等速蠕变阶段), 1996年3~6月的特强降雨, 进入加速蠕变阶段并诱发了A₂滑坡。

根据1990年~1994年12月边坡面位移监测资料, 利用时间序列分析法, 将自身条件和众多环境因素引起的边坡位移分为确定性和随机性两部分, 建立了包含这两部分因素的边坡位移叠合时序模型, 以此预计未来几年的边坡位移。从预测结果看, 边坡位移从1996年3月起加速, 6月20日至7月5日间达到最大速率, 与实际滑坡过程及时间基本一致。在A₂滑坡发生前半个月, 根据监测资料和该矿滑坡预报的经验, 在有可能发生滑坡区域停止采矿作业, 禁止矿用汽车在该区域通过, 撤离重型设备, 并加强了对该区域的监测, 这些措施对安全生产起了重要的作用。

由于A₁滑体下部边坡逐台阶采用了喷锚网护面、长锚杆、钢轨抗滑桩、水平深孔等综合措施, 尽管受到A₂滑体的推压, 出现加固构件的受力加大、岩体位移加速等现象, 但-36m以下边坡仍保持形状完好, 加固工程起了重要作用。

4 结语

露天矿边坡能承受的变形通常比其他类型的工程边坡变形要大, 对实际发生的边坡位移和变形进行监测, 测得的结果可用于反映边坡现状, 推测变形的发展趋势, 以及加固措施的选择与评价。