钻孔测斜仪在某露天矿深层岩移监测中的应用

王翠珀 李继涛

1 概述

抚顺西露天煤矿采矿坑坐落于抚顺市区东南部,开采于1914年,有近百年的开采历史。现已形成东西长6.6 km,南北宽2.2 km,平均深度约405 m,面积约10.87 km2的露天采坑。该煤矿采坑北帮紧邻抚顺市区,并有中直企业抚顺石油一厂、辽宁省直企业抚顺发电厂等企业单位。长期高强度的矿山开采诱发了一系列滑坡地质灾害。为了防止和减轻抚顺西露天矿坑北帮边坡滑坡地质灾害的发生给周边企业、采煤安全和居民造成生命财产的损失,于2006年6月10日正式启动抚顺西露天矿北帮滑坡变形监测、预警工作。

对于滑坡变形地质体来讲,不仅要监测其地表位移,也要监测其深部岩体位移情况,这样才能对整体的位移进行判断。通过监测了解深部岩体位移情况,特别是滑动面处的滑移变形和滑动方向。钻孔测斜仪的出现较为圆满地解决了该问题,现已成为观测深部横向(或水平)位移的标准手段。钻孔测斜仪是一种测定钻孔水平位移的原位监测仪器。通过对钻孔的逐段测量可以获得钻孔在整个深度范围内水平方向的位移,从而可以比较准确地确定其变形的大小、方向和深度。西方国家自20世纪60年代就开始大量应用钻孔测斜仪,国内也应用了近20年。钻孔测斜仪对边坡、地基、地下洞室等岩土工程进行变形监测,效果很好。由于其适应于各种类型的斜坡且稳定可靠,被广泛应用于滑坡监测当中。本文探讨了利用钻孔测斜仪对抚顺西露天矿北帮深层岩移监测的有关问题,结合长期应用CX-3C系列测斜仪对抚顺西露天矿北帮深层岩移监测分析,测斜成果证明钻孔测斜仪对深层岩移进行监测的可行性。

2 钻孔测斜仪的组成及原理

钻孔测斜仪是一种测定钻孔横向位移的原位监测仪器,在边坡工程原位监测中应用最为广泛。通过监测可以确定岩(土)体内滑裂面的位置、大小和滑动方向,对分析边坡稳定性、确定滑坡动态起着重要的作用。按使用方式的不同,测斜仪可分为滑动式测斜仪和固定式测斜仪,抚顺西露天矿北帮边坡监测工程采用的是CX-3C滑动式测斜仪。它主要由测头、测读仪、电缆和测斜槽4部分组成。该仪器采用最新进口倾角传感器作为敏感元件,它是一个力平衡式的伺服系统,当传感器探头相对于地球重心方向产生倾角θ时,由于重力作用,传感器中敏感元件相对于铅锤方向摆动一个角度,通过高灵敏的微电子换能器将此角度转换成信号,经过分析处理,直接在液晶屏上显示被测点的水平位移增量Δi,并存入仪器中,通过串口送入计算机中处理。

测斜仪工作原理公式如下(见图1):

其中,L为探头轮距,一般为0.5 m;θi为某一深度倾斜角;Sn为各分段位移增量的总和。

测斜探头上滑轮顺槽而下(孔口)或由下而上(孔底)逐点(测距一般为0.5 m)测试,从而可精确测出每段的水平位移增量Δin。

测孔时,为了更精确测出Δin值,应根据滑体滑动方向,在测读仪里设定正反方向(南北或东西)各测一次,将正向测值 Δi正、反方向值Δi负代入计算公式,ΔXY=0.5(Δi正-Δi负),即得到该点位置ΔXY的数值,单位为mm。

当测斜管埋设进入相对稳定土层或非变形土层时,则可认为管底是位移不动点,管口的水平位移值 Sn即为各分段位移增量的总和。

3 测斜钻孔的布点注意事项

1)钻孔应布设在地面位移较为明显的地带;2)测斜管的埋设要便于钻机钻孔的施工;3)测斜管与地球重心方向的夹角应在0°～±30°;4)测试深度最大1 000 m,水压10 MPa;5)工作温度:-10℃～+60℃。

抚顺西露天矿北帮边坡监测中使用并开展深层岩移监测的钻孔有9个,主要监测F1a断裂带两侧的深部基岩的位移情况,因此钻孔布设在F1a断裂带附近。其中,9个分布在抚顺发电厂院内,由西向东布设了3条监测剖面,每条监测剖面从北到南分别布置有ZK1,ZK2,ZK3;ZK4,ZK5,ZK6;ZK7,ZK8,ZK9 9个孔,ZK3,ZK6,ZK9位于 F1a南侧,其余孔位于F1a北侧。

4 测斜仪的工作方法

本次使用测斜仪型号为“CX-3C型重力加速度计式钻孔测斜仪”,对西露天矿北帮不同深度岩层的水平位移量进行监测。以孔底为基准分别在其主滑方向和垂直主滑方向上(即南北方向)进行正反两回次自下而上的测读,监测点间距为1.0 m,测量精度为0.1 mm/500 mm。测斜仪监测数据导入计算机后,可自动生成日报表、趋势报表,并绘制位移曲线。仪器设定每个测孔的第0次数据组为初始值,以第0次数据组为参照,数据为正值表示向南位移,负值则表示向北移动。

表1 监测数据统计分析特征表

5 CX-3C测斜仪的数据分析

抚顺西露天矿北帮边坡深层岩移监测主要监测F1a断裂带两侧的深部基岩的位移情况,自2008年3月以来共取得135组测斜数据,现以ZK7(F1a北端)、ZK8(F1a中间)、ZK9(F1a南端)剖面的监测数据为例分析说明F1a附近的深部基岩的位移情况。深部基岩的位移情况主要由总水平位移的变化情况来反映。

根据CX-3C测斜仪的数据分析系统(见表1),以上3组测斜数据的特征反映了ZK7,ZK9总体是不断向北移动的,ZK8是分层向南或向北移动的,由于CX-3C测斜仪是由孔底为基准的,从数据变化量上看,测斜孔下部水平变化速率比上部快。

6 使用钻孔测斜仪注意事项

1)滑动式CX-3C测斜仪每段测试深度要控制在0.1 mm～2 mm之间,即0.5 m(或1 m)的标记每次都在同一位置读数。2)测斜孔口上要做深度读数标记。3)要符合规定的水温、水压及测斜角度。

7 结语

本文通过对钻孔测斜仪在抚顺西露天监测中的应用,得到的相关数据可以确定出岩(土)体内滑裂面的位置、大小和滑动方向,对分析边坡稳定性、确定滑坡的机制和滑动形式起着重要的作用,而且可有效地指导滑坡治理工程活动。因此钻孔测斜仪将会在深部岩移监测中起到越来越重要的作用。

[1] 梁志全,胡贺松.利用钻芯孔测斜法对工程桩倾斜率测试的分析[J].山西建筑,2008,34(8):140-141.