深部位移监测在贺斯格乌拉露天煤矿的应用

陈应显，Davron Toirov，杨红霞

（辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000）

滑坡是我国山区交通、矿山、水利、建筑等工程建筑中尤为常见的多发性地质灾害[1－2]。为了保障人民生命财产安全，最大限度地预防或减少滑坡带来的危害，对滑坡进行监测就显得及其重要[3－5]。在露天矿边坡监测的工作中，边坡深部位移能够直接反映边坡内部的变形和位移情况，它往往作为分析边坡滑动特征及判断边坡滑移趋势的重要依据[6－7]。

目前，深部位移监测设备主要分为3 类：移动式钻孔测斜仪、固定式钻孔测斜仪、深部多物理量测量仪[8]。阵列式位移计（SAA）测试技术作为近年发展起来的一种新型传感测试技术被有效应用于岩土工程[9－10]。李剑萍等就利用了阵列式位移计来监测滑坡体的深部变形，初步验证了阵列式位移计在滑坡体深部变形监测中的应用价值[11]；
Abdoun T 也介绍了阵列式位移计2 个成功的现场应用[12]。总体来说，基于微机电系统（MEMS）阵列式位移监测仪能准确岩土层不同深度地层的水平位移量、水平位移方向和变形速率，进而有效地捕捉深部相对位移的大致位置及错动距离[13]。

采用深部多物理量测量仪进行监测，通过深入岩土层内部的变形观测，测量岩土层不同深度地层的水平位移量、水平位移方向和变形速率，对岩土层的当前变形状态、未来发展趋势进行识别和判定。相比较于传统方法，该仪器能够更加清晰地了解滑坡体不同部位、不同深度的变形滑动特征，监测数据能够用于对露天矿滑坡变形等特征进行较准确地定量分析，对滑坡及滑坡区潜在滑坡稳定性评价与滑坡灾害防治提供科学依据[13－15]。

1.1 工作原理

深部多物理量测量仪采用ZL－GB614 型MEMS阵列式位移计进行深部位移监测。该设备将由多段连续柔性吸能节串接而成的倾斜测量单元阵列自上而下构成，每个倾斜测量单元长度为0.5 m 或1 m，内含三轴高精度MEMS 倾角传感器。整套设备放入钻孔内部，当地层发生变形时，MEMS 倾斜测量单元同步发生倾斜。以测量单元底端为基准点，根据各单元测量到的倾斜角度及单元长度，累加计算钻孔附近岩土层水平位移沿深度的变化。

与传统的单轴或者两轴倾角传感器解算倾斜位移方式不同，本设备采用MEMS 三轴加速度测量值解算水平面x、y 2 个方向的倾斜位移，不仅能够更准确的计算倾斜位移，而且能够准确确定倾斜方向。其中，底端固定点i＝0，在i＝j 点处x方向倾斜位移、y方向倾斜位移分别为：

式中：L0为MEMS 测量仪器长度（通常为0.5 m或 者1 m）；
为第i测量段MEMS三轴加速度在x、y、z方向的加速度测量值。

1.2 深部多物理量测量仪功能及结构特点

深部多物理量测量仪功能特点：①采用了CAN总线通讯模式，分布式采集存储，集中发送数据，可对超深孔进行测量，克服了超深孔测量时电缆传输信号丢包及数据丢失的弊端；
②自动化实时遥测，数据定时采集，SD 卡本地存储，DTU 模块无线传输；
③云端化智能管理，可云端在线升级终端系统，云端智能解算深部位移。

深部多物理量测量仪结构特点：①铠装MEMS倾斜传感阵列由MEMS 倾斜测量单元与柔性接头串联构成实现了随地层的大位移、协同变形，其测量量程更能实现米量级测量；
②可以自由定制MEMS测量单元数量，超深孔滑带测量最大可实现256 m，能精确辨识潜滑动面的位置和方向；
③工厂一体化生产，φ23 mm 小管径结构，满足施工现场便携式现场安装。

2.1 工程背景

贺斯格乌拉露天煤矿位于内蒙古自治区锡林郭勒盟乌拉盖管理区境内，自2006 年开始开采位于露天矿北部的试采区，核准产能1 500 万t/a。从煤东北露头位置拉沟，工作线垂直走向布置，由北向南推进，并形成北排土场、东排土场。其地层岩性主要为黏土、风化砂岩、煤以及泥岩等，此外，通过以往的工程地质补充钻探表明，南、东排土场基底条件较差，基本处于饱和状态，且排土场西侧有大范围积水区，长期对基底的浸泡，会造成排土场的失稳；
首采区土层赋存较薄，有流沙层且局部渗水，不利于端帮边坡稳定；
二采区土层赋存较厚，主要为黏土，受地下水影响稳定性较差。目前，北部的试采区剥采工程基本结束，矿山工程主要围绕首采区开展。通过分析以往的地质资料可知，贺斯格乌拉露天矿的采场、排土场边坡均为典型的软岩边坡，其西端帮、南排土场先后发生过滑坡和大变形现象，给露天矿带来了一定的安全隐患。随着采场不断延深、扩展及排土场的日益增高，边坡稳定性问题必将更加突出，严重影响露天矿安全高效生产。

2.2 监测点布置方案

通过分析，确定深部位移计布设原则如下：①应贯穿潜在滑面并确保孔底相对稳定，避免无效监测；
②尽量布置在潜在危险区和重要区段；
③须利用现有勘探孔，节约成本；
④尽量走向或倾向呈线型布置，便于分析相对危险区和滑坡机制。

按照上述原则，深部位移监测点布置在6 个钻孔中，共有199 个位移监测点。钻孔位置坐标见表1。

表1 钻孔位置坐标

2.3 深部监测结果

深部位移监测分析系统将深部位移监测数据提取存储到SQL Server2008 数据库中，作为监测点位移分析的数据源。系统自动定期从云平台获取199个监测点的监测数据，这些监测点数据存入到数据库中。深部位移监测数据从2019 年12 月14 日开始录入数据到2020 年10 月24 日，共采集到118 0750条记录。

深部位移监测点布置在钻孔数据存储和显示中设置了按钻孔号显示该钻孔内的所有监测点数据的功能，BK1－3 深部位移监测点数据见表2。

表2 ZK1－3 深部位移监测点数据

各深部位移监测点直接得到的监测值是x 和y方向的位移量，经过计算可以得到监测点的位移向量、速率和加速度。通过比较分析可以了解这些监测值及计算结果随时间变化的关系。以钻孔BK1－3 为例，从2020 年1 月至2020 年10 月的，深部位移监测点位移向量变化曲线如图1。BK5－5 监测点位移向量变化曲线如图2，ZK5－5 监测点水平位移速率变化曲线如图3，BK5－5 监测点水平位移加速度的变化曲线如图4。

图1 深部位移监测点位移向量变化曲线

图2 BK5－5 监测点位移向量变化曲线

图3 BK5－5 监测点水平位移速率变化曲线

图4 BK5－5 监测点水平位移加速度的变化曲线

位移向量变化曲线图表明，监测点的位移随钻孔深度变大逐渐减小；
同一监测点的位移向量随时间增加而增大。

监测点的位移向量及经计算得到的速度和加速度随时间的变化关系由位移向量曲线、向量速率曲线和加速度曲线分别表示。可以通过比较曲线了解监测的位移向量、位移向量速率和加速度变化，为边坡稳定性分析评价和预警提供依据。

介绍了一种基于SAA 新型监测技术的露天煤矿深部位移监测系统，并在内蒙古自治区锡林郭勒盟贺斯格乌拉露天煤矿应用。根据深部位移监测得到的位移数据计算位移速率和加速度，对位移、位移速率和加速度的的变化规律进行了系统地分析。

1）深部位移监测应贯穿潜在滑面并确保孔底相对稳定，避免无效监测，尽量布置在潜在危险区段和重要区段，利用现有勘探孔，节约成本，布置尽量走向或倾向呈线型，便于分析相对危险区和滑坡机制的原则。

2）分别在贺斯格乌拉露天煤矿南排东北帮滑坡区、南帮底鼓区和采场各布置了2 个深部位移监测孔，累计监测长度199 m。3 组不同深部布设的位移监测点有效地捕捉深部相对位移的大致位置及错动距离，监测数据获取稳定可靠。

3）通过分析大量的监测数据，以深部位移向量数据为基础，绘制位移向量曲线、位移向量速率曲线和加速度变化曲线，通过变化曲线特征稳定性的判断作为评价边坡稳定性的依据。