某露天矿采场边坡变形监测系统构建及监测数据分析

蔡彬亭 李树建，2 赵 雷 王孟来，2

（1.云南磷化集团有限公司；2.国家磷资源开发利用工程技术研究中心）

目前，随着科学技术的发展和仪器设备的更新，工程岩体灾变监测早已实现从早期的人工监测过渡到现在的实时自动化监测，监测手段越来越多，监测精度也越来越高［1］。以采场边坡监测为例，监测内容主要有变形监测［2-5］、采动应力监测［6-7］、岩体破裂监测［8-9］、爆破振动监测［10］、水文气象监测［11］和视频监测［12］等，其中变形监测应用最为广泛。本项目以某露天矿采场边坡为工程背景，构建了一套以表面位移在线监测为主，内部位移手动监测和裂隙变形在线监测为辅的监测系统，为类似采场边坡变形监测提供了一套可借鉴的工程经验。

1 工程背景

通过现场勘察，露天矿采场边坡属于裂隙岩质高边坡（图1），主要有+1 110，+1 090，+1 070，+1 046，+1 022，+998 m平台。其中，采场边坡最高标高为+1 178 m，最低标高为+962 m，最大垂直高度达到216 m，阶段边坡角为65°~68°，+1 070，+1 110 m平台的宽度约为8.0～12.0 m，+1 046，+1 022，+998 m平台的宽度为3.0~5.0 m，东西长度约为900 m，南北宽约为230 m。与此同时，采场边坡部分区域岩体基本质量级别为Ⅴ级和Ⅳ级，可能因风化作用、雨水侵蚀、爆破作业、汽车运输、坡脚开挖等因素影响出现局部失稳现象。此外，采场边坡变形破坏区域主要集中在南帮+1 070~+998 m范围内，破坏类型主要以楔体滑塌为主。由于该露天矿剩余开采年限较短，采场边坡变形破坏区域治理面积较大且治理费用偏高。因此，对潜在危险区域采用监测预警措施来掌握岩体灾变失稳情况显得至关重要，一方面保证了作业人员生命安全和生产作业正常进行，另一方面可为采场边坡整治工程设计提供信息参考并控制采场边坡治理费用。

2 采场边坡变形监测系统构建

2.1 监测原则

在采场边坡变形监测系统构建前，应掌握岩体失稳断裂特性，了解采场边坡自身工程特点，特别是变形破坏区域调查和稳定性影响因素分析。与此同时，采场边坡变形监测系统构建成败与监测内容、监测设备、监测区域的选取直接相关。根据采场边坡变形监测工作经验，边坡监测原则总结［13］如下。

（1）可靠性原则。即监测系统需要采用可靠的监测设备及在监测期间应保护好已布置的监测点。

（2）加密监测原则。采场边坡稳定性差的位置应加密监测，特别是采场边坡已出现裂隙或发生过局部滑塌现象的区域应加密监测，从而保证作业人员及设备的安全。

（3）综合监测原则。随着高新技术和现代监测仪器的推广和应用，坡体深部一体化监测、多源信息融合监测、实时在线综合监测将成为采场边坡变形监测的发展趋势。

（4）方便实用原则。即监测系统构建与使用应做到方便实用。

（5）经济合理原则。即合理控制监测费用，选择合适的监测系统，能满足采场生产作业需要即可。

2.2 监测内容

（1）采场边坡表面位移在线监测。根据露天矿采场边坡工程概况和现场施工条件，采用测量机器人监测技术持续获取表面位移空间数据，监测采用单台极坐标持续监测方式。按测线水平间距不大于100 m及测点垂直间距不大于50 m的原则，共设计布置了38个表面位移监测点，见图2。其中，圆点代表表面位移监测点设计位置。根据图2可知，由于112勘探线与+1 046 m平台相交处靠近运输道路，故表面位移监测点N09布置在+1 046 m平台与111勘探线相交处。

（2）采场边坡内部位移监测。为实现坡体内部和表面一体化监测，全面准确地评价采场边坡稳定性，采用钻孔测斜法对潜在滑移区域内部变形情况进行监测。采场边坡内部位移监测纵断面选择应视采场边坡地质条件、稳定性情况、施工条件等因素而定，通常还应满足：内部位移监测纵断面至少布置3个监测点，且监测点之间的垂直间距不大于50 m。结合采场边坡工程概况，采场边坡南帮109勘探线至112勘探线范围内出现了多处变形破坏区域；因此，可将内部位移监测点布设在采场边坡南帮111勘探线+1 110，+1 070和+1 022 m平台；但根据现场踏勘，采场边坡南帮+1 022，+1 046，+1 090 m平台都不具备钻孔测斜法施工条件，采场南帮+1 110 m平台后方为一平地。综上所述，采场边坡内部位移监测点最终布置在采场边坡南帮111勘探线+1 110 m平台及其后方、+1 070 m平台。内部位移监测点布设位置如图3所示。

（3）采场边坡裂隙变形在线监测。由于裂隙的存在，不仅弱化了采场边坡岩体力学性质，还为雨水、地下水、积雪等提供了充水通道。与此同时，裂隙扩展与否直接影响着采场边坡稳定性。由此可知，裂隙变形在线监测对采场边坡稳定性评价显得至关重要。根据现场踏勘，选择了5条较大裂隙进行在线监测。每条裂隙布置2个裂隙传感器，其布置位置根据裂隙的走向和长度来定，通常将裂隙传感器分别布设在裂隙最宽处和裂隙末端。裂隙变形在线监测如图4所示。

3 变形监测数据分析

3.1 表面位移监测数据分析

对于表面位移在线监测而言，选取采场边坡南帮111勘探线监测断面中监测点S01、S09、S13和S21的某一周监测数据，其结果如图5所示。根据类似工程经验，表面位移变形速率预警阀值可设为10 mm/d，表面位移累计变化量预警阀值可设为12 mm。在图5中，ΔX、ΔY和ΔZ分别表示表面位移监测点X方向、Y方向和Z方向累计变化量。由图5可知，表面位移监测点各方向累计变化量都未超过预警阀值，表明采场边坡南帮111勘探线附近岩体整体上处于稳定状态。另外，根据图5可知，各监测点ΔX、ΔY和ΔZ均产生了不同程度的波动，虽然表面位移波动程度很小，但总趋势是向下移动。因此，需继续加强监测，持续关注采场边坡变形情况。通过目前监测结果来看，表面位移在线监测系统能够满足采场边坡日常变形监测工作需要。

3.2 内部位移监测数据分析

为了实现采场边坡地表和内部一体化监测，对布置在采场边坡南帮111勘探线内部位移监测点的监测数据进行了分析，某一次内部位移监测点监测结果如图6所示。在图6中，3个内部位移监测点各个深度偏移量都很小。由此可知，采场南帮111勘探线附近区域岩体未发生明显的大变形位移，这一结论与表面位移监测结果相一致。值得注意的是，采场边坡变形积累达到一定程度是需要一段时间的。因此，无论表面位移在线监测，还是内部位移手动监测，只有长时间持续监测，才能实现采场边坡灾变预警的目的。

3.3 裂隙变形监测数据分析

对于裂隙变形在线监测而言，在安装好裂隙传感器时可获得裂隙变形初始值。与此同时，在监测网络平台中人为设置好裂隙变形预警阀值。当裂隙传感器所获取的裂隙变形当前值超过其预警阀值时，通过手机短信或监测网络平台可及时掌握裂隙扩展情况，从而实现采场边坡灾变预警目的。表1为10个裂隙传感器经过一段时间后所获取的裂隙变形监测数据。由表1可知，所监测的裂隙都未发生变形。根据现场测量，裂隙变形监测结果与工程现场相符。由此可知，裂隙变形在线监测可应用到采场边坡灾变监测预警中。

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4 结 论

（1）根据露天矿采场边坡工程概况和现场施工条件，构建了一套以表面位移在线监测为主，内部位移手动监测和裂隙变形在线监测为辅的监测系统，为类似采场边坡提供了可借鉴的工程经验。

（2）变形监测数据分析结果表明：基于测量机器人技术的表面位移在线监测系统能够满足采场边坡日常变形监测工作需要，采用钻孔测斜法能够获取采场边坡岩体内部变形情况，裂隙变形在线监测可应用到采场边坡灾变监测预警中。

（3）采场边坡变形积累达到一定程度是需要一段时间的。因此，无论表面位移和裂隙变形在线监测，还是内部位移手动监测，只有长时间持续监测，才能实现采场边坡灾变预警目的。