排土場GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)變形特征與預警等級研究

鐘 聲，張 軍，閆 杰，吾木提江·許庫爾

（1.新疆宜化礦業(yè)有限公司，新疆 昌吉 831100；2.煤炭科學技術研究有限公司，北京 100013；3.昌吉州木壘縣應急管理局，新疆 昌吉 831100）

露天煤礦生產(chǎn)中會進行大量的排土，而排土場位置、基底地層巖性、基底地層傾角均影響其變形特征。散體物在自重作用下出現(xiàn)較大變形，其變形特征、變形量級與變形速度均與原巖地層邊坡不一致。因此，在排土場上布置監(jiān)測點的時間節(jié)點、劃分監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形階段及排土場預警閾值設置成為研究重點。

趙登娟等[1]針對平朔東露天礦內(nèi)排土場空間緊張問題，通過基底傾角與平盤寬度分析，得出基底傾角在-8°～8°時穩(wěn)定性敏感性差，排土高度與平盤寬度較為敏感，最終合理提高了排土臺階高度；孫書偉等[2]認為露天排土場排土工藝是邊坡失穩(wěn)機制的關鍵因素，采用底摩擦試驗方法，分析了覆蓋式和壓坡式2 種排土工藝對松散物料的密度、塑性、抗剪強度等性質(zhì)產(chǎn)生的一系列變化。同時，眾多學者[3-6]對內(nèi)排土場基底承載力、破壞機理及增高擴容方面進行了較多研究。韓流等[7]基于先鋒露天煤礦的邊坡形態(tài)和工程、水文地質(zhì)條件，設計了4 種邊坡監(jiān)測方法用于多參量監(jiān)測系統(tǒng)，分析了其失穩(wěn)模式與穩(wěn)定性；孫發(fā)院等[8]為了計算排土場的沉降量，將排土場堆積體視為若干土層堆置而成，將土力學中計算地基沉降的分層總和法應用到排土場沉降量的計算；劉光偉等[9]以元寶山露天煤礦內(nèi)排土場為例，連續(xù)采用7 年的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合數(shù)值模擬方法，分析了內(nèi)排土場排土過程中沉降變形規(guī)律，得出沉降位移隨著時間的增加而增加，在前0～2 年沉降位移增加速率較快，在2～4 年增加速率出現(xiàn)減小，4 年以后趨于穩(wěn)定，填方高度和填方體推進位置對沉降量影響較大；寧志杰等[10]采用排土場的監(jiān)測沉降量為訓練樣本，采用Elman 模型開展預測分析，并將預測結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析；曹博等[11]結合回填物的三軸蠕變試驗和地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取砂礫石土和非碾壓區(qū)細粒土質(zhì)砂的蠕變參數(shù)，通過建立數(shù)值模型去分析其變形特征，將其分為初期加速蠕變、中期減速蠕變和后期收斂蠕變3 個階段，并獲取了蠕變沉降方程和下沉速度系數(shù)；崔春曉等[12]在大孤山鐵礦廢棄排土場運用GNSS 監(jiān)測技術，監(jiān)測了排土場邊坡變形特征，沉降位移的波動趨勢顯著高于水平位移，降雨及凍脹對監(jiān)測形成影響。

以上學者采用理論研究、相似模擬、數(shù)值模擬等方法，分析了排土場的堆體高度、變形破壞機理與邊坡穩(wěn)定規(guī)律，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了排土場的沉降變形特征、變形規(guī)律與破壞機理；但對于排土場的變形階段劃分、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與預警閾值設置相關研究較少。為此，以宜化露天煤礦首采區(qū)傾斜內(nèi)排土場邊坡為工程背景，開展排土場GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)變形特征與預警等級研究。

1 礦區(qū)概況

五彩灣礦區(qū)一號露天煤礦位于吉木薩爾縣城350°方向110 km 處。礦區(qū)煤層主要賦存在中統(tǒng)西山窯組，為一套湖泊淤積后的泥炭沼澤和覆水沼澤沉積，巖性為灰色、灰黃色薄層狀粉-細砂巖、細砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾中砂巖、細砂巖層和煤層、煤線。該組所賦存的B 煤組層延伸穩(wěn)定、單層厚度大。首采區(qū)為露頭煤開采，工作幫為西幫、南幫和北幫，非工作幫為東幫；礦坑走向長度為3.5 km，傾向?qū)挾葹?.6 km，地表海拔＋680 m；內(nèi)排土場位于傾斜基底上部，基底傾向245°、傾角8°～15°；內(nèi)排土場排土走向為158°，傾向為248°，最下部臺階＋495 m，最上部臺階＋624 m 水平，排土角度為18°。

2 排土場變形特征

飽和土體固結理論中認為土體在應力作用下，地下水從孔隙中排出，土體壓縮變形量隨時間增加，總沉降將變形分為瞬時沉降、主固結沉降、次固結沉降等3 部分組成，同時，粗粒土和低飽和度細粒土，在應力作用下也出現(xiàn)固結過程。典型的固結理論中，沉降變形與時間關系如圖1。

圖1 沉降變形與時間關系

在露天煤礦中形成大量排土場，排土場由散體物料堆積形成，在自重及上部排土作用下，產(chǎn)生豎直方向的快速沉降變形和臨空面方向的位移，露天礦邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為快速變形過程，易造成誤報或錯報現(xiàn)象。如何有效區(qū)分排土場形成中的監(jiān)測數(shù)據(jù)與變形狀態(tài)具有重要意義。因此，借鑒飽和土體的沉降理論，排土場變形S 分為瞬時沉降Si、主固結沉降Sc、次固結沉降Ss。排土場變形示意圖如圖2。

圖2 排土場變形示意圖

1）瞬時變形。出現(xiàn)在排土臺階形成階段，即排棄散體物料在車輛碾壓和堆積過程中。該階段產(chǎn)生瞬時沉降變形，主要出現(xiàn)在排土臺階區(qū)域。現(xiàn)場監(jiān)測中由于施工排土，無法有效獲取該階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2）主固結變形。出現(xiàn)在排土臺階形成后，即散體物料在自身重力荷載作用下物料間孔隙體積減小過程。根據(jù)排土場工作空間，可劃分為排土平盤沉降變形區(qū)域和排土臺階邊坡區(qū)域，排土臺階邊坡區(qū)域為圖2 中紅色線區(qū)域；邊坡臺階區(qū)域形成向臨空面位移和沉降變形，一般會形成持續(xù)性變形，此時排土臺階區(qū)域為圖2 中藍色線。

3）次固結變形。其與傳統(tǒng)的飽和土體的意義不同；主要是排土場上部排土作業(yè)下形成的二次變形，即在外荷載作用下固結的散體物料繼續(xù)承受壓力形成的二次沉降和向臨空面的二次位移，次固結變形為圖2 中紫色曲線。次固結沉降會成為總沉降量的一個主要組成部分，應給以重視。

3 傾斜基底排土場變形與監(jiān)測預警

3.1 傾斜基底排土場變形分析

宜化露天煤礦首采區(qū)為“U”型開采，首采區(qū)煤層底板傾角平均為10°，內(nèi)排土場與基底構成順傾基底排土場，內(nèi)排土場總高度139 m，臺階高度20 m。為保障內(nèi)排土場邊坡安全，在該區(qū)域布置了3 個監(jiān)測點。3 個監(jiān)測點分別位于內(nèi)排土場臺階＋624 m、＋575 m、＋555 m 水平。3 個監(jiān)測點的位移曲線如圖3，監(jiān)測點位移量與變形方向見表1。

表1 監(jiān)測點位移量與變形方向

圖3 3 個監(jiān)測點的位移曲線

通過順傾基底排土場GPS 監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：

1）3 個監(jiān)測點中在z 軸均出現(xiàn)最大的沉降位移，在GPS-33 監(jiān)測點最大位移量為372.29 mm；其中，GPS-20 和GPS-33 監(jiān)測點在z 軸方向?qū)儆诖笞冃?，沉降變形量超過百毫米級。x 軸方向最大位移在GPS-33 監(jiān)測點位移量為82.01 mm。y 軸方向和xy平面方向最大位移在GPS-20 監(jiān)測點位移量分別為184.29 mm 和189.26 mm。GPS-20 監(jiān)測點在2021 年8 月末時受到上部排土影響z 軸位移出現(xiàn)突增形成次固結變形，z 軸沉降量接近GPS-33 監(jiān)測點變形量，同時是y 軸和xy 平面位移量大于GPS-33 監(jiān)測點的主要原因。

2）邊坡變形方向一般為臨空面傾向方向。內(nèi)排土場邊坡走向為158°，傾向248°，邊坡走向與x 軸夾角為22°，與y 軸夾角為68°；x 軸方向受到排土場側向約束影響大于y 軸方向。因此，變形偏向于y 軸方向，3 個監(jiān)測點變形方向為226°～245°，變形方位為西西南方向，其中，GPS-20 監(jiān)測點變形方向244.97°，接近排土場的基底傾向245°；GPS-33 和GPS-59 監(jiān)測點變形方向小于地層傾向和邊坡傾向，排土場受基底地層傾向、排土方向和上部排棄影響。

3）GPS-33 監(jiān)測點區(qū)域為后排棄形成，在x 軸方向位移中表現(xiàn)快速變形、均勻變形及變形減緩3 個階段；GPS-20 和GPS-59 監(jiān)測點區(qū)域為排棄時間長，變形表現(xiàn)為均勻變形和變形減緩2 個階段。在z軸方向GPS-20 和GPS-33 監(jiān)測點在0～48 d 出現(xiàn)的快速變形階段，沉降變形量為250 mm，變形速率為4.7～5.0 mm/d，接近本次監(jiān)測的總位移量的2/3。GPS-33 監(jiān)測點在x 軸方向0～17 d 出現(xiàn)快速變形階段，形量為54.86 mm，變形速率3.23 mm/d；y 軸方向快速變形階段變形量為58.98 mm，變形速率為3.22 mm/d。GPS-20 監(jiān)測點在y 方向和xy 平面次固結變形中的快速變形階段，變形量為153.35 mm，變形速率為2.56 mm/d。監(jiān)測點在監(jiān)測前期均出現(xiàn)快速變形，變形量接近監(jiān)測期間整體變形量的1/2；隨后變形量趨于勻速變化，勻速階段變形速率0.45 mm/d；x軸方向位移變形減緩趨于穩(wěn)定，變形速度降低至0.11 mm/d。

3.2 傾斜基底排土場監(jiān)測預警等級

根據(jù)GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果，開展預警等級劃分，按照綠色、藍色、橙色和紅色分為4 級預警，其中綠色為安全。當邊坡發(fā)生平面位移或高程沉降超限時，會根據(jù)相應預警等級，發(fā)出相應的警，通知邊坡監(jiān)測預警工作的主管負責人員。根據(jù)以上位移與速度的變化修正礦區(qū)的預警閾值，排土場位移預警閾值見表2，排土場速度預警閾值見表3。

表2 排土場位移預警閾值 mm

表3 排土場速度預警閾值 mm/d

4 結語

1）結合土體固結理論將排土場的固結變形分為瞬時變形、主固結變形、次固結變形3 個階段，不合理的排土可能形成較大的次固結變形。

2）通過對傾斜排土場的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出：主要為沉降變形，其次為水平方向變形；水平變形受到邊坡臨空面、地層傾向及排土等因素影響。監(jiān)測曲線中出現(xiàn)快速變形階段，z 軸方向主要表現(xiàn)為長期快速變形和后期緩慢變形；y 軸方向主要變形特征為短期的快速變形，轉入勻速增加階段；x 軸方向受到排土場約束影響，表現(xiàn)出現(xiàn)3 個變形階段，為短期的快速變形-中期的勻速變形-后期的緩慢增加?？焖僮冃坞A段的位移量接近監(jiān)測總位移量的1/2～2/3。

3）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果，將排土場監(jiān)測中變形階段劃分為排土場初期和排土場穩(wěn)定期，在不同監(jiān)測期間提出了適合宜化露天煤礦傾斜基底排土的監(jiān)測預警值。