CN106405675A - 用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，包括：库水位变化监测单元、地表裂缝及位移监测单元、深部变形及位移监测单元、裂缝相对位移、宏观巡查监测单元。本发明的有益效果是：能够分析产生滑坡的主要诱导因素，突出重点监测。针对露天矿坑尾矿库工程地质环境，分析诱发滑坡的重要结构面，相应确定深部位移监测点的位置、深度、数目；通过有限元强度折减法、室内压缩试验确定水位变化是影响边坡稳定的主要因素。加强对水位变化的监测，根据水位变化资料确定其他监测单元的监测频率，做到关键时期重点监测、正常时期普通监测。本发明同时还公开了利用该监测系统的监测方法。

Description

用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统及方法

技术领域

本发明属于岩质边坡稳定性分析以及滑坡预警领域，尤其是一种用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统及监测方法。

背景技术

高陡岩质边坡是岩质边坡稳定性分析中常见的类型，在矿山、隧道等分布较为广泛，在自重应力作用下，随着露天采矿活动的进行，边坡临空面逐渐增大，滑坡产生的概率逐渐增大。边坡后缘张开裂隙使得降雨不断入渗，结构面上静水压力和动水压力加剧滑坡产生的危险，地表位移不断增大。

露天金矿开采任务结束后，矿坑作为邻近选矿厂的尾矿库使用，工业用水的排放及雨季降雨使得尾矿库持续蓄水，库水对边坡的影响主要包括两个方面：一是水对边坡岩石力学性质的影响；二是水位循环对边坡岩石的影响。露天矿坑尾矿库边坡稳定性分析受库水位影响显著，并且具有突发性，常常导致大规模的滑坡灾害。

目前，常用的动态监测系统主要存在3个方面的问题：一是现有的动态监测系统对保障露天矿坑尾矿库安全使用的必要监测内容不全面，一般的露天矿坑尾矿库边坡动态监测系统对边坡自身的位移及应力变化进行动态监测，而对于诱发边坡失稳的主导因素不加以分析，从而缺乏对主要诱发因素的监测。对于露天矿坑尾矿库，由于水位的变化导致矿坑岩石的损伤，是导致位移增大的直接因素，也是导致滑坡的促进因素，所以应加强对对水位变化的监测；二是动态监测系统的成本较高，随着科学技术的发展，先进的仪器设备应用于滑坡的监测，如声发射监测、磁传感器、三维激光扫描等技术，虽都能精度较高的监测边坡的安全状态，但成本较高，并且仪器设备较为精密，容易被人为因素破坏；三是现有的监测系统的监测指标的监测频率以及预警值都为固定值。但对于露天矿坑尾矿库，尾矿的排放状态是一个动态变量，固定的监测频率并不能做到最优化监测，所以需要建立更为全面的动态监测系统。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统及监测方法，通过矿区地质勘探资料，结合岩石力学室内实验，分析诱发边坡滑移的主导因素。采用多个变形参数指标，并突出水位的监测，并选择合理的监测频率及预警值，对于露天矿坑尾矿库更全面、更合理的监测手段。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，包括：

矿坑水位监测单元，用GPS量测水位高程变化，通过地质资料及室内岩石力学试验分析可得，矿坑水位循环变化是产生滑坡的主要诱因，矿坑水位的变化决定其他监测单元的监测频率；

地表裂缝及位移监测单元，采用GPS系统测量，GPS数据采集使用多台GPS接收机同步观测以获得观测数据，观测完成后，下载观测数据，对下载的数据初步解算处理；

深部变形及位移监测单元，采用钻孔倾斜仪监测，采取定期测孔，由技术人员携带钻孔测斜仪监测设备，到滑坡现场对深部位移测试，记录数据，然后对监测数据内业整理；

宏观巡查监测单元，通过调查和巡访直接了解边坡的变化情况；

中央处理单元，前述各单元的数据分别输送至中央处理器中，通过调用原始数据库资料，分析位移监测资料与水位监测资料的关系，同时结合宏观巡查资料分析边坡失稳的概率。

所述矿坑水位监测单元，具体包括监测内容为水位值的变化，数据处理后解译为水位变化量和变化速率曲线图；水位的变化量和变化速率决定着其他监测单元的监测频率，监测频率与水位的变化量和变化速率成正比。

所述地表裂缝及位移监测单元，具体包括在稳定地段建立基准点，在监测边坡体上设置观测点，运用GPS定期测量测点和基准点之间的位移变化量；数据处理后解译为滑坡体地表位移量、位移方向和变形速率曲线图。

所述观测点的布置，在深部岩体位移监测布置3个测斜孔。

为完成地表位移测点布置，在北帮边坡建立监控网，并采用GPS实时监测的方法，采用直接埋设方法，完成了各测点的位移值测量。

所述地表裂缝监测单元，采用钢卷尺测量，监测内容主要是裂缝的扩展情况，如果裂缝发展速度突然跳跃式的变化，或者纵向裂缝突然被拉长，预示边坡即将失稳破坏。

在坡顶拉裂裂缝两侧共布置5组裂缝宽度测量基点，用钢卷尺直接量测裂缝的宽度变化。

所述深部变形及位移监测单元，具体包括通过观测深部岩体位移，准确掌握坡体滑动面的位置、边坡测点位移速率和边坡体位移随深度的变化情况；监测数据处理后的历时曲线，解译为崩滑体内各岩土层相对位移的空间分布和变形规律。

所述宏观巡查监测单元，具体包括沉降、隆起、建筑物变形及异常现象，提交崩滑体巡查路线及变形情况报告。

所述异常现象包括地声、地下水异常和动物异常。

一种利用用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)地质资料分析，通过对矿区地质资料进行分析，确定诱发露天矿坑尾矿库边坡失稳的主要地质构造，根据矿山地质勘探资料及目前边坡产生变形的滑坡潜在区域分析，确定地表位移监测点的位置及数目，边坡体内部存在软弱蚀变带结构，是发生滑坡的重要结构面，根据蚀变带位置确定深部位移监测点的位置、深度、数目；

2)室内岩石力学试验，尾矿的排放使的水位处于持续变化状态。通过室内岩石力学试验分析水位变化对岩石的力学特性的影响，选取典型的蚀变带岩石，进行不同饱水-失水循环条件单轴和三轴压缩实验，水位变化对边坡岩石力学性质造成严重损伤，是产生滑坡的主要诱导因素；

3)有限元强度折减法分析，通过建立的数值模型分析水位变化时，边坡的应力、应变及安全系数的变化，确定水位变化是影响滑坡的主要因素；

4)监测设备的安装与调试，安装GPS测量系统，运行设备并记录初始数据，利用钻孔测斜仪测量并记录各个测孔的初始数据；

5)监测数据的获取与处理，监测信息涉及施测项目全部测点成果数据和计算结果数据，定期由专业监测人员携带GPS接收机、移动式钻孔倾斜仪设备，到各个监测点观测记录或下载数据；

6)一个期次的监测工作完成后，及时处理各类监测仪器的数据，剔出监测噪音数据；对可靠的数据编制各类数据成果表、曲线图，综合分析监测成果；掌握滑坡的变形动态，编写监测报告。

步骤5)中的数据处理如下：

(1)异常数据的剔除与内插

对监测数据中明显异常和误差较大的数据进行了剔除，为了保证监测数据的等间隔性，对剔除后的监测数据进行了线性内插处理；

对于累积位移系列Y₁，Y₂，Y₃…Y_i…Y_p…Y_j…Y_n，i、j、n为顺序时间序列，n为大于3的整数，p为剔除点个数；

其对应的时间系列为t₁，t₂，t₃…t_i…t_p…t_j…t_n，如果在t_i…t_j间剔除了p个数据，剔除后的内插值采用下式计算：

式中：t_i为监测时间；Y_i为从开始到t_i累计位移，Y_j为从开始到t_j累计位移；

(2)投影

首先，通过统计分析的手段判定监测点累积位移的位移方向，以大多数位移矢量方向为依据，确定各点的主滑方向，并将各点位移矢量向各点的主滑方向投影，得到各点在主滑方向上的位移；下式为计算各监测点在主滑方向的累积位移量的计算公式：

Y_i ^*＝Y_icos(α_i-γ)

式中：Y_i ^*－各点累积位移在主滑方向上的投影；

α_i－累积位移方位角；

γ－主滑方位角；

(3)变形突变现象的分析与处理

分析累积位移-时间曲线的类型，归纳不同类型累积位移-时间曲线所对应的滑坡变形规律；不同类型的累积位移-时间曲线的处理方法不同：光滑型曲线不处理；震荡型曲线釆用均匀滤波法进行平滑处理，采用二次滤波处理累积位移：

式中：Y_i ¹－一次均匀滤波后所得累积位移；

Y_i ²－二次均匀滤波后所得累积位移。

本发明中，各监测单元及手段如表1所示。

表1主要监测方法表

监测数据的采集，监测信息涉及施测项目全部测点成果数据和计算结果数据，定期由专业监测人员携带GPS接收机、移动式钻孔倾斜仪等设备，到各个监测点进行观测记录或下载数据。

表2滑坡监测数据采集和整理信息表

对于库水位的监测，应该考虑到选矿厂尾矿的排放，监测时间应该为每月两次，加密期间每周一次，通过分析得到的库水位变化监测数据，确定其他监测单元的监测频率。当库水位变化速率位于0—2cm/d范围内，其他监测单元采用常规监测；当库水位变化速率位于2—5cm/d范围内，应该采用加密监测；当库水位变化速率大于10cm/d时，应实时监测，防止滑坡的突然发生。

对于变形趋势加剧的滑坡体，位移监测数据采集周期的确定需要考虑不同的变形阶段和仪器系统误差来调整，而库水位动态监测，由于其过程数据动态性较强，其采集间隔要保持一致性。基于变形-水位相关性分析的需要，位移监测数据采集间隔应尽量保持时间和空间域内的连续性，以免遗漏一些动态细节，同时可以提高数据分析的精确度。

监测数据的整理，为直观的描述滑坡的变形特征，监测数据的整理分析方法主要是各类图表，如：地表位移-水位-时间关系曲线、滑坡裂缝位移-水位关系曲线、地下测斜位移-深度-时间关系曲线；滑坡位移速率曲线、滑坡位移矢量等。

成果资料整理中，对于宏观地质变形特征应予以重视，特别是裂缝的发生及发展规模、连通性、地面沉降、下陷、建筑物变形和与变形有关的异常现象(如地声、地下水异常、动物异常等)。

测点布置，深部岩体位移监测布置3个测斜孔，测斜孔埋设详细信息如表3所示。

表3测斜孔埋设信息表

为完成地表位移测点布置，特在北帮边坡建立监控网，并采用GPS实时监测的方法，采用直接埋设方法，完成了各测点的位移值测量，沉降、水平位移观测点布置示意图如图1a、图1b所示，观测点的平面分布图如图3所示。为了观测裂缝的变化，在坡顶拉裂裂缝两侧共布置5组裂缝宽度测量基点，用钢卷尺直接量测裂缝的宽度变化，这种方法操作简单、直观性强，裂缝监测点布置如图2a所示。

本发明的有益效果是：针对露天矿坑尾矿库工程地质环境，对产生滑坡的危险因素进行分析，根据水位循环对边坡岩石的损伤作用，建立动态水位监测系统，一是通过分析地质勘探资料，可得边坡体内部存在软弱蚀变带结构，是发生滑坡的重要结构面，根据蚀变带位置确定深部位移监测点的位置、深度、数目确定；二是通过有限元强度折减法分析水位变化对边坡应力、应变及安全系数的影响，确定水位变化是影响边坡稳定的主要因素；三是通过不同饱水-失水循环条件下的室内压缩试验，分析饱水-失水循环对边坡岩石造成的损伤，水位变化对边坡岩石产生严重的损伤，边坡岩石力学条件的弱化，是导致岩石边坡失稳的主要诱因。所以，应动态监测系统应突出水位变化监测，实现露天矿坑边坡的既能统筹兼顾又突出重点监测。水位变化是产生滑坡的主要诱导因素，必须加强对水位变化的监测，根据水位变化资料确定其他监测单元的监测频率，做到关键时期重点监测、正常时期普通监测。

附图说明

图1a、图1b分别是本发明中地表位移观测点及测斜孔布置示意图；

图2a是本发明中地表裂缝监测点布置示意图；

图2b、图2c分别是487勘探线地质剖面图及数值计算模型图；

图2d、图2e分别是天然工况、库水位升至-58米条件下位移云图；

图2f、图2g分别是天然工况、库水位升至-58米条件下滑坡剪应变增量等值线图；

图3是本发明中观测点平面分布图；

图4是本发明中水位变化图；

图5是本发明中边坡变形分区图；

图6a、图6b分别是本发明中GC3、GC7、GC8累积位移、位移速率与水位关系图；

图7a、图7b分别是本发明中GC4、GC6、GC13累积位移、位移速率与水位关系图；

图8a、图8b分别是本发明中GC2、GC9、GC10、GC12、GC33累积位移、位移速率与水位关系图；

图9a、图9b分别是本发明中滑坡裂缝累积位移、位移速率与时间关系图；

图10a、图10b分别是本发明中1#、2#孔深部位移变化曲线；

图11是本发明中3#孔深部位移变化曲线；

图中：GC为深部位移测点孔号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

1.选定边坡，监测点设置：

本发明以烟台仓上金矿尾矿库边坡为例说明，影响矿区边坡稳定性的构造主要是3#蚀变带，3#蚀变带是宽度为10～20m，长度为400m左右的构造破碎带，位于矿区氰冶厂区和507勘探线之间。3#蚀变带倾角靠近地表部分倾角近50°，越往深处，其倾角越大，总体倾角在50°～60°之间。3#蚀变带内岩层为黄铁绢英岩化碎裂带，呈松散块状构造，主要由石英、绢云母、黄铁矿等矿物组成，其中蕴含黄铁矿，黄铁矿黄铁绢英岩化碎裂带受晚期构造活动的影响，总体呈破碎状，蚀变严重，呈细脉状夹于岩层中，严重影响边坡的安全。

深部岩体位移监测共布置3个测斜孔，2014年7月已完成测斜孔钻孔和测斜管安装工作，并采用测斜仪器实时进行监测。地下深部岩石位移监测周期为4周/次，当地下位移变化量较大时加密测量频率。为完成地表位移测点布置，特在北帮边坡建立监控网，并采用GPS实时监测的方法，采用直接埋设方法，完成了各测点的位移值测量。水位监测周期为4周/次，当水位变化较快时加密测量频率。为了观测裂缝的变化，在坡顶拉裂裂缝两侧共布置5组裂缝宽度测量基点，用钢卷尺直接量测裂缝的宽度变化，这种方法操作简单、直观性强。

2.监测步骤：

一种利用用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)地质资料分析，通过对矿区地质资料进行分析，确定诱发露天矿坑尾矿库边坡失稳的主要地质构造，根据矿山地质勘探资料及目前边坡产生变形的滑坡潜在区域分析，确定地表位移监测点的位置及数目，边坡体内部存在软弱蚀变带结构，是发生滑坡的重要结构面，根据蚀变带位置确定深部位移监测点的位置、深度、数目；

2)有限元强度折减法分析，通过建立的数值模型分析水位变化时，边坡的应力、应变及安全系数的变化，确定水位变化是影响滑坡的主要因素；

3)室内岩石力学试验，尾矿的排放使的水位处于持续变化状态；通过室内岩石力学试验分析水位变化对岩石的力学特性的影响，选取典型的蚀变带岩石，进行不同饱水-失水循环条件单轴和三轴压缩实验，水位变化对边坡岩石力学性质造成严重损伤，是产生滑坡的主要诱导因素；

4)监测设备的安装与调试，安装GPS测量系统，运行设备并记录初始数据，利用钻孔测斜仪测量并记录各个测孔的初始数据；

5)监测数据的获取与处理，监测信息涉及施测项目全部测点成果数据和计算结果数据，定期由专业监测人员携带GPS接收机、移动式钻孔倾斜仪设备，到各个监测点观测记录或下载数据；

6)一个期次的监测工作完成后，及时处理各类监测仪器的数据，剔出监测噪音数据；对可靠的数据编制各类数据成果表、曲线图，综合分析监测成果；掌握滑坡的变形动态，编写监测报告。

步骤5)中的数据处理如下：

(1)异常数据的剔除与内插

对监测数据中明显异常和误差较大的数据进行了剔除，为了保证监测数据的等间隔性，对剔除后的监测数据进行了线性内插处理；

对于累积位移系列Y₁，Y₂，Y₃…Y_i…Y_p…Y_j…Y_n，其对应的时间系列为t₁，t₂，t₃…t_i…t_p…t_j…t_n，如果在t_i…t_j间剔除了p个数据，剔除后的内插值采用下式计算：

式中：t_i为监测时间；Y_i为从开始到t_i累计位移；

(2)投影

首先，通过统计分析的手段判定监测点累积位移的位移方向，以大多数位移矢量方向为依据，确定各点的主滑方向，并将各点位移矢量向各点的主滑方向投影，得到各点在主滑方向上的位移；下式为计算各监测点在主滑方向的累积位移量的计算公式：

Y_i ^*＝Y_icos(α_i-γ)

式中：Y_i ^*－各点累积位移在主滑方向上的投影；

α_i－累积位移方位角；

γ－主滑方位角；

(3)变形突变现象的分析与处理

分析累积位移-时间曲线的类型，归纳不同类型累积位移-时间曲线所对应的滑坡变形规律；不同类型的累积位移-时间曲线的处理方法不同：光滑型曲线不处理；震荡型曲线釆用均匀滤波法进行平滑处理，采用二次滤波处理累积位移：

式中：Y_i ¹－一次均匀滤波后所得累积位移；

Y_i ²－二次均匀滤波后所得累积位移；

3.有限元强度折减法分析

选取北帮边坡穿过3#蚀变带的487勘探线处建立模型(图2c)，共划分11950个单元，13959个节点。模型前后施加Y方向的约束，两侧施加X方向的约束，底部施加固定约束，地表为自由面。仅考虑重力，计算工况分为蓄水前和蓄水至-58m两种。

表4 487勘探线自然状态参数取值

表5 487勘探线饱水状态参数取值

计算两种工况下的边坡稳定性系数，结果如表6所示。从表6可以看出，边坡蓄水前的稳定系数为1.36，蓄水至-58m劣化为1.26，稳定系数减小，边坡整体稳定性降低。

表6边坡稳定性系数计算结果

边坡局部稳定性主要从边坡在选取两种计算工况条件下的位移场和应变场进行分析，其位移等值线图、剪应变增量等值线图见图2d-图2g。

(1)边坡位移场分析

依据边坡的位移等值线图可以看出：边坡在天然工况和库水位升至-58米条件下的变性特征相似，即边坡变形主要集中在边坡前部(蚀变带和临近矿坑部位)，与边坡现场变形调查和专业监测的结果基本一致；相较于天然工况，库水位升至-58米边坡位移增加迅速，坡脚处最大位移由70mm增大到110mm，坡顶位移由60mm增大到100mm，与实际监测结果较为吻合。

(2)边坡应变场分析

根据边坡剪应变增量等值线图可以看出：从整体上看，剪应变增量的峰值主要集中于边坡蚀变带部位，说明此位置处较危险；库水位升至-58米较天然工况剪应变增量峰值的量值增大，0.18至0.26，增幅为0.08，且剪应变增量贯通率也增大，这说明库水位升至-58米较天然工况对滑坡体的稳定性影响要大。

根据边坡整体稳定性和局部稳定性的分析结果可知：

①边坡蓄水前的稳定系数为1.36，蓄水至-58m劣化为1.26，稳定系数减小，边坡整体稳定性降低，说明水位上升对边坡整体稳定性有较大影响；但二者的稳定性均大于1.2，说明现阶段边坡处于稳定变形阶段，与实际状况吻合。

②边坡前部和矿坑水接触的位置及蚀变带处位移和剪应变增量最大，同时一旦滑面贯通可能发生失稳破坏。综合确定在矿坑水位的持续作用下，边坡前部发生失稳破坏的可能性较大。

4.室内岩石力学试验：

单轴抗压性能试验包括单轴抗压强度试验和单轴压缩变形试验。单轴抗压强度试验是试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积上所承受的荷载；单轴压缩变形试验是测定试件在单轴压缩应力条件下的纵向及横向应变，据此计算试件弹性模量和泊松比。本试验分别对5种岩样进行试验，每组三个岩样，分别进行自然状态下单轴抗压强度试验，不同“饱水-失水”循环次数(1次，5次，15次)下单轴抗压强度试验，探究岩石单轴抗压强度规律。

表7试验方案

根据单轴压缩试验目的，按照以下步骤进行单轴压缩试验。

(1)测定前核对岩样的名称及编号，对试件岩性、颜色、层理、节理、裂隙及加工过程中出现的问题进行记录，并填入记录表内。

(2)检查试件加工数据并填入记录表内：

①直径量测：在试件的上下断面附近以及中央附近的断面，测定相互垂直的两个方向的直径，取其算术平均值为试件的直径；

②高度量测：高度应在试件的过中心轴的两个相交的平面内各取两点，测定两个高度值，取其算术平均值作为试件的高度。

(3)套热缩管：由于固体破裂过程能量较大，热缩管在单轴压缩试验中具有一定的缓冲保护作用。将制好的岩样测量尺寸后用热缩管按从上到下顺序将上垫块、岩样、下垫块包裹，并用热风机加热热缩管使其与岩样、垫块接触紧密，加热过程做到“螺旋式吹风，均匀、紧密接触”。

(4)在试件上安装轴向和径向引伸计，测定轴向和径向应变；套上热缩胶套后置于伺服试验机承压板压头中间，在胶套外安装好轴向及环向引伸计，尽可能保证环向引伸计安装水平且轴向引伸计在岩样中部对称位置。试件为脆性岩石时，应加设保护装置。

(5)施加少量预压荷载(本试验取值0.2kN)，保证试件与试验机加载装置紧密接触，削弱试件断面不平整度带来的误差影响；轴向变形和径向变形值清零，以0.2mm/min的轴向位移速率进行轴压加载，直至试件破坏。如无峰值时，加载至轴向应变达15％～20％时停止试验。

表8各岩组单轴压缩试验物理力学性质一览表

经过“饱水-失水”循环后岩样的单轴抗压强度都有所降低，峰值抗压时的轴向应变有所增大，所测岩样的力学特性分为两类：

(1)黄铁绢英岩化混合岩化斜长角闪质碎裂岩、花岗岩、黄铁绢英质碎裂岩对水的敏感性较小，经历饱水-失水循环15次后，单轴抗压强度仍为自然状态下的80～90％。

(2)黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗岩对水的敏感性较大，其中黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩遇水软化性最为明显，循环15次后的单轴抗压强度下降至17.53MPa，仅为自然状态下的55.4％。

岩石的抗拉特性是分析岩体工程稳定的重要力学指标，由于岩石材料的特殊性，直接进行标准试件拉伸试验需要对试件要求极高，耗费太大，通常采用间接法来测试岩石的抗拉强度，如纯弯曲梁法、劈裂法、点荷载法等，其中劈裂法和点荷载法是最常用的方法。本文采用劈裂法试验对岩石进行抗拉强度的试验，并进行对比分析。

劈裂试验采用直径50mm、高度25mm的圆柱形在不同饱和-风化循环次数条件下(1次，5次，15次)试件进行试验，具体步骤如下：

(1)将试件分组并使用游标卡尺测量试件尺寸(试件高度在其直径的两个垂直方向测量，取算数平均值)。

(2)通过试件的直径两端画两条线作为加载基线，将试件放入夹具内，上下刃对准基线，使试件中心线与加载机中心线对齐。

(3)开动试验机，以0.03MPa/s的速度加载至试件破坏，记录实验数据。

(4)计算试件抗拉强度，计算公式如2.2所示：

R_L＝2P/πDL (2.2)

式中，R_L—岩石抗拉强度，MPa；

P—试件破坏荷载，N；

D—试件直径，mm；

L—试件厚度，mm。

五种岩石抗拉强度实验结果如表9所示。由实验结果可以看出，各组岩石的抗拉强度随“饱水-失水”循环次数的增加而逐渐降低。黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩的抗拉强度最低，为1.427MPa，经循环15次后降为0.8571MPa，降低了37％，花岗岩在经历15次循环后强度下降14％。

表9各岩石拉压强度一览表

目前测定岩石抗剪强度的试验方法包括室内试验和现场试验两种方法。由于现场试验条件的局限性，室内三轴压缩试验测定岩石抗剪强度应用较为普遍。根据围压的不同可以将其分为假三轴试验和真三轴试验，论文研究采用假三轴试验方法测定岩石的强度。

将5种岩样分为两类，对水敏感性较低的黄铁绢英岩化混合岩化斜长角闪质碎裂岩、黄铁绢英质碎裂岩、花岗岩三种岩样进行天然状态围压2MPa、5MPa、9MPa三组三轴压缩试验，对水敏感性较高的黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩和黄铁绢英岩化花岗岩进行不同“饱水-失水”循环次数下的三轴压缩试验。其试验步骤为：

(1)根据试验要求对岩石进行编号，并对岩石试件的物理性质进行详细描述，说明试件的颜色、颗粒大小、层理构造、风化程度、含水率状况、加载方向及加工过程中可能出现的问题。

(2)利用相关测量仪器对岩石试件的直径、高度及横截面面积进行测量并记录表格。

第一步：测量试件的直径

对于直径的测量应该取岩石试件的上下横截面以及中间附近的截面，并且要对相互垂直的两个方向的直径进行测量，计算两者的算术平均值作为最后直径取值。

第二步：测量试件的高度

岩石试件高度的测定应选取过试件中心轴的两个相交的截面内的两点，分别测定其长度值，并取两者的算术平均值作为试件高度值。

第三步：测定试件的横截面面积

岩石试件直接用千分尺或者卡尺测量直径，然后算出半径，再根据圆的面积公式即可算出试件的横截面面积。

(3)侧向压力的确定：根据工程需要和岩石的特性确定；按等差级数进行分级，也可按等比级数分级。

(4)套热缩管：随着岩石试件轴向力的不断增大，试件会发生破坏，破坏后的岩石碎块可能落入油中，为了避免该情况，需要在试件上加套热缩管。

(5)安设引伸计：将引伸计安装在两个垫块中间，其径向长度取试件高度一半。

(6)把预制好的岩石试件放到压力室内，并且检查试件下部是否与压力室底部的凹孔紧密接触。检查无误后，向压力室内注油，当油量达到试验要求时停止注油，最后将压力室密封。

(7)操作试验控制系统缓慢对试件进行加压，在加压过程中一定严格控制加载路径、加载速度，具体过程如下：

①首先对试件进行轴向加压，大小为0.2kN，通过加压使试件与承压板紧密接触；

②将此时岩石试件的轴向压力值、形变值以及围压值设为零，并且对试件以15N/s速度对侧压进行加载，在试验结束前保持围压值不变，围压大小变化值不超出初始值的±2％；

③对试件的轴向进行缓慢加载并直到岩块发生破坏，加载速率应稳定在0.2mm/min左右，试件破坏后将此时轴向荷载填入表格，并对试件的破坏状态进行详细描述。注意在试件的破坏面比较完整的情况下，应当测定最大轴向力作用面与破坏面两者间的角度值，以校核由试验数据计算得到的内摩擦角。

自然状态岩样三轴试验结果分析

对水-岩作用不明显的三种岩样进行2MPa、5MPa、9MPa的三轴压缩试验，根据所测应力结果拟合绘制成莫尔圆以求得岩样C、值，实验结果如表10所示。可以看出，随着围压增大岩石的极限抗压强度也随之增大，三种岩石在三轴状态下极限抗压强度都增加了近50％，其中绢英化花岗岩在围压为9MPa的抗压强度达到了103.34MPa，比单轴抗压强度增加了67％。

表10三轴压缩数据表

饱水-失水循环作用下岩样三轴试验结果分析

对水-岩作用比较明显的两类岩石，首先进行不同次数的“饱水-失水”循环，对不同循环次数的岩样进行围压为2MPa、5MPa、9MPa的三轴压缩试验，并根据实验数据画出各组岩样的摩尔圆，求得岩样C、值，实验结果如表11。由实验数据可以看出，随着循环次数的增加，岩石的极限抗压强度随之减小，c、值也不断减少

表11饱水-失水循环三轴压缩数据表

5.边坡监测数据：

地表位移监测：

自2014年1月20日至2015年12月28日对在滑坡区内布置的33个地表位移监测点进行定期监测。根据长期观测，现将监测点位移统计如表12，边坡整体滑移方向为南偏东。

表12监测点位移表

根据累积位移-时间曲线的具体情况，对累积位移数据进行了筛选处理，将异常点剔除后，整理剩余监测点并进行拟合，得到拟合函数对监测点位移发展进行分析。根据分析结果，可将边坡划分为主变形区、次变形区和基本稳定区，边坡的主变形区主要集中在滑坡前缘，滑坡的中部为次变形区，滑坡的后缘为基本稳定区，由位移速率－水位关系曲线可知，该边坡的变形与库水位的上升密切相关，现阶段与之前相比，边坡位移变化有增大趋势。

主变形区位于靠近矿坑的边坡北侧，其最大水平累积位移值已达到70mm，该区域的平均水平位移累计值为40mm，变形方向基本垂直于矿坑北侧边缘，最大沉降累计值已达到60mm，平均沉降累计值为42mm；次变形区的最大水平累积位移值达到24mm，该区域的平均水平位移累计值为16.8mm，最大沉降累计值达到35mm，平均沉降累计值为22.8mm，总体变形小于主变形区；基本稳定区位于矿坑北侧距矿坑较远，其最大水平位移累计值只有23mm，最大沉降累计值为20mm，该区域的地表裂缝量明显小于主变形区和次变形区，处于基本稳定状态。

水平累积位移监测分析：

本发明主要分析主变形区的位移及位移速率。主变形区(点GC3、GC7、GC8、GC4、GC6、GC13、GC2、GC9、GC10、GC12、GC33)拟合函数为线性函数、幂函数和指数函数。

从图6a、图6b可知，监测点GC3、GC7、GC8变形规律基本一致，曲线呈持续增长的特征，位移曲线经历了三次突变：分别在2014年9月、2015年1月、2015年9月，三处位移均为“低谷值”，其中2014年9月累计位移最小为8mm，而后位移增长迅速达到了60mm；2015年1月和2015年9月位移均为40mm，而后分别增长到了60mm和64mm。相较于GC8，GC3和GC7的位移突变稍微有些滞后，将位移折线拟合后，可以看出GC3、GC7、GC8的累积位移均呈线性增长，且水位也在持续增长，说明这段时间监测点的位移增长和水位作用密切相关。

从图6a、图6b可知，监测点GC3、GC7、GC8的位移速率基本吻合，最大位移速率达到了1mm/d；位移速率也经历了三次较大突变，和其累积位移基本一致，也是发生在2014年9月、2015年1月、2015年9月，但在2015年5月、7月、11月也发生了较小的突变，由于该期间为雨季，分析认为降雨引起了位移速率的突变。

从图7a、图7b可知，监测点GC4、GC6、GC13变形规律较一致，位移曲线经历了三次突变但突变幅度较小，分别在2014年8月、2015年1月、2015年7月；GC13变形次之，位移曲线也经历了三次突变且突变幅度较大，分别在2014年10月、2015年4月、2015年8月；GC4变形最小。根据拟合曲线，可以看出GC4、GC6、GC13的累积位移均呈幂函数增长，相交于GC3、GC7、GC8的线性增长较缓慢，位移也是随着矿坑水位的增长而增长。

从图7a、图7b可知，监测点GC4、GC6、GC13的位移速率和其累积位移的变化规律相对应，位移速率多在-0.5mm/d～0.5mm/d之间波动，最大位移速率达到了1.5mm/d；三个监测点在降雨量较大的月份2015年5月和2015年8月都发生了突变，这说明降雨也是影响位移突变的一个因素。

从图8a、图8b可知，监测点GC2、GC9、GC10、GC12、GC33变形规律基本一致，曲线呈先增长后趋于平缓的特征。在2014年9月以前监测点位移较小，11月后位移开始迅速增长，其中GC12位移值最大达到了75mm，其他突变点集中在2015年4月、7月、8月。将位移数据拟合后，可以看出五个测点的累积位移均呈指数函数型增长，即累积位移增长到一定数值后位移曲线趋于平稳，说明开始时累积位移是随着矿坑水位增长而增长，但位移达到一定数值后，水位继续增长，位移变化不太明显。

从图8a、图8b可知，监测点GC2、GC9、GC10、GC12、GC33的位移速率呈震荡型，最大位移速率达到了1mm/d，除了在2015年7月、9月、10月发生突变外，基本处于平稳状态，且在0上下稍微波动，比上两组监测点位移速率的变化小。

边坡目前变形呈震荡状态，由仪器本来误差和测量共同引起，但累积位移值较小在误差允许范围内；无论从专业监测还是现场宏观变形，现阶段与之前相比位移变化有增大趋势，该边坡局部范围内存在一些变形，处于局部变形阶段；边坡前缘是主变形区，变形较大，边坡中部和后缘变形较小，主要原因可能在于这部分监测点所在位置坡度较陡且受水的影响较大；从地表位移监测结果分析及实际情况可知，影响边坡变形滑坡的主要因素是水位变化，次要因素是降雨。

滑坡裂缝监测分析

自裂缝变化监测点设置以来，严格按照每月一次的测量要求，并在雨季酌量增加测量次数。在监测初期，即14年7月～8月，裂缝累积位移随监测时间的增长而线性增大，表明此时间段内裂缝在扩展，分析原因主要是7月～8月为雨季，雨水容易下渗并软化滑体，使得滑体变形加剧；14年8月后，裂缝累积位移曲线趋于平缓，累积位移量较小，表明滑坡体在此时间段内相对比较稳定。整体来看，5个测点裂缝累积位移都在50mm以下，5号测点累积位移甚至不足10mm，虽然在雨季相较于其他时间段内位移变化较大，但总体上边坡比较稳定，处于稳定变形状态。

为了更直观地分析滑坡裂缝位移的变化特征，因为气候的影响，14年7月～8月的滑坡裂缝变形速率相较于其他时间段内较大，但从整体来看，裂缝长期变形速率较小，5个测点的变形速率都不超过1.3mm/d，表明现阶段边坡处于稳定变形阶段。

深部位移监测分析

在北帮边坡共布置3个测斜孔：1#、2#、3#测量孔。地下深部岩石位移监测周期为4周/次，当地下位移变化量较大时加密测量频率。取2014年7月27日至2015年5月28日10次测量。由监测结果可以看出，边坡深部位移现阶段变化较为稳定，累积位移-深度曲线为“B”型、“V”型、无规律型3种特征类型。

1#测斜孔最大位移在15m深度处为7.9cm，最大相对位移量为4.7cm，在距孔口2.5m处。位移变化曲线呈“B”型，曲线有2个突变点，分别在5m深度和15m深度，累积位移分别为6.5cm、7.9cm，在这两处可能有潜在的滑动面。但是从总体来看，在整个监测期内累积位移较小，相对位移也没有发生较大的变化，这说明1#监测孔坡体范围内是比较稳定的。

2#测斜孔其向坡外的最大位移值为6.25cm，相较于1#测斜孔，2#测斜孔的相对位移量较大，最大达到了6cm。位移变化曲线呈“V”型，监测范围内深度大于20m的位置位移很小，小于20m的位移变化速度从2014年9月26日到2015年2月28日有匀速变化的趋势，表明20m以上的边坡在发生变形；从2015年3月28日到5月28日，位移变化速度减小，深部位移不再发生较大变化。总体来看，边坡没有出现明显的变形突变带且位移较小，但随着时间的推移，有可能在5m-15m的最薄弱位置处形成滑动面。

3#测斜孔整条曲线呈摆动状态，分析原因可能是填砂未完全密实，测斜管存在摆动；最大位移在10m深度处为12.6cm，最大相对位移量为4.6cm，且监测相对位移都在精度范围内。边坡变形有小幅增长的趋势，这表明3#孔监测范围内坡体处在缓慢变形增长阶段。

4.监测结果分析

(1)由水位监测分析可知：矿坑水位一直处于上升阶段，目前水位上升速度趋于平稳，水位变化速率在2.5cm/d左右，但是由于坑体呈漏斗型，随高度的增加，水位上升所需水量增加，库水排入量仍然在不断增加，为防止因水位过高而造成边坡滑动破坏，建议立即加大抽水量以降低水位。

(2)由地表位移监测分析可知：现阶段(矿坑蓄水期间)，边坡的主变形区主要集中在滑坡前缘，滑坡的中后部为次变形区；该边坡的变形与库水位的上升密切相关，现阶段与之前相比边坡位移变化有增大趋势。该边坡局部范围内存在一些变形。由滑坡裂缝监测分析可知：5个测点裂缝累积位移在50mm以下，且变形速率不超过1.3mm/d，显示边坡整体上处于稳定的变形阶段。

(3)由深部位移监测分析可知：1#测斜孔位移变化曲线呈“B”型，最大位移量47mm，2#测斜孔位移变化曲线呈“V”型，最大位移量62.5mm，3#测斜孔位移变化曲线呈无规律型，最大位移量46mm。三个监测孔累积位移和相对位移变化量不大，表明在监测孔范围内坡体是处于缓慢变形阶段；但随着时间的推移，未来有可能在最薄弱位置处形成滑动破坏面。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，包括：

矿坑水位监测单元，用GPS量测水位高程变化，通过地质资料及室内岩石力学试验分析可得，矿坑水位循环变化是产生滑坡的主要诱因，矿坑水位的变化决定其他监测单元的监测频率；

地表裂缝及位移监测单元，采用GPS系统测量，GPS数据采集使用多台GPS接收机同步观测以获得观测数据，观测完成后，下载观测数据，对下载的数据初步解算处理；

深部变形及位移监测单元，采用钻孔倾斜仪监测，采取定期测孔，由技术人员携带钻孔测斜仪监测设备，到滑坡现场对深部位移测试，记录数据，然后对监测数据内业整理；

宏观巡查监测单元，通过调查和巡访直接了解边坡的变化情况；

中央处理单元，前述各单元的数据分别输送至中央处理器中，通过调用原始数据库资料，分析位移监测资料与水位监测资料的关系，同时结合宏观巡查资料分析边坡失稳的概率。

2.如权利要求1所述的用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，所述地表裂缝及位移监测单元，具体包括在稳定地段建立基准点，在监测边坡体上设置观测点，运用GPS定期测量测点和基准点之间的位移变化量；数据处理后解译为滑坡体地表位移量、位移方向和变形速率曲线图；

所述观测点的布置，在深部岩体位移监测布置3个测斜孔。

3.如权利要求1所述的用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，为完成地表位移测点布置，在北帮边坡建立监控网，并采用GPS实时监测的方法，采用直接埋设方法，完成了各测点的位移值测量。

4.如权利要求1所述的用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，所述地表裂缝监测单元，采用钢卷尺测量，监测内容主要是裂缝的扩展情况，当裂缝发展速度突然跳跃式的变化，或者纵向裂缝突然被拉长，预示边坡即将失稳破坏；在坡顶拉裂裂缝两侧共布置5组裂缝宽度测量基点，用钢卷尺直接量测裂缝的宽度变化。

5.如权利要求1所述的用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，所述深部变形及位移监测单元，具体包括通过观测深部岩体位移，准确掌握坡体滑动面的位置、边坡测点位移速率和边坡体位移随深度的变化情况；监测数据处理后的历时曲线，解译为崩滑体内各岩土层相对位移的空间分布和变形规律。

6.如权利要求1所述的用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，所述矿坑水位监测单元，具体包括监测内容为水位值的变化，数据处理后解译为水位变化量和变化速率曲线图；水位的变化量和变化速率决定着其他监测单元的监测频率，监测频率与水位的变化量和变化速率成正比。

7.如权利要求1所述的用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，所述宏观巡查监测单元，具体包括沉降、隆起、建筑物变形及异常现象，提交崩滑体巡查路线及变形情况报告。

8.如权利要求7所述的用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统，其特征是，所述异常现象包括地声、地下水异常和动物异常。

9.一种利用用于露天矿坑尾矿库边坡滑坡预警的动态监测系统的监测方法，其特征是，包括以下步骤：

1)地质资料分析，通过对矿区地质资料进行分析，确定诱发露天矿坑尾矿库边坡失稳的主要地质构造，根据矿山地质勘探资料及目前边坡产生变形的滑坡潜在区域分析，确定地表位移监测点的位置及数目，边坡体内部存在软弱蚀变带结构，是发生滑坡的重要结构面，根据蚀变带位置确定深部位移监测点的位置、深度、数目；

2)室内岩石力学试验，尾矿的排放使的水位处于持续变化状态；通过室内岩石力学试验分析水位变化对岩石的力学特性的影响，选取典型的蚀变带岩石，进行不同饱水-失水循环条件单轴和三轴压缩实验，水位变化对边坡岩石力学性质造成严重损伤，是产生滑坡的主要诱导因素；

3)有限元强度折减法分析，通过建立的数值模型分析水位变化时，边坡的应力、应变及安全系数的变化，确定水位变化是影响滑坡的主要因素；

4)监测设备的安装与调试，安装GPS测量系统，运行设备并记录初始数据，利用钻孔测斜仪测量并记录各个测孔的初始数据；

5)监测数据的获取与处理，监测信息涉及施测项目全部测点成果数据和计算结果数据，定期由专业监测人员携带GPS接收机、移动式钻孔倾斜仪设备，到各个监测点观测记录或下载数据；

6)一个期次的监测工作完成后，及时处理各类监测仪器的数据，剔出监测噪音数据；对可靠的数据编制各类数据成果表、曲线图，综合分析监测成果；掌握滑坡的变形动态，编写监测报告。

10.如权利要求9所述的监测方法，其特征是，步骤4)中的数据处理如下：

(1)异常数据的剔除与内插

对监测数据中明显异常和误差较大的数据进行了剔除，为了保证监测数据的等间隔性，对剔除后的监测数据进行了线性内插处理；

对于累积位移系列Y₁，Y₂，Y₃…Y_i…Y_p…Y_j…Y_n，i、j、n为顺序时间序列，n为大于3的整数，p为剔除点个数；

其对应的时间系列为t₁，t₂，t₃…t_i…t_p…t_j…t_n，如果在t_i…t_j间剔除了p个数据，剔除后的内插值采用下式计算：

$Y_p=Y_i+\frac{Y_j-Y_i}{t_j-t_i}(t_p-t_i)$

式中：t_i为监测时间；Y_i为从开始到t_i累计位移，Y_j为从开始到t_j累计位移；

(2)投影

首先，通过统计分析的手段判定监测点累积位移的位移方向，以大多数位移矢量方向为依据，确定各点的主滑方向，并将各点位移矢量向各点的主滑方向投影，得到各点在主滑方向上的位移；下式为计算各监测点在主滑方向的累积位移量的计算公式：

Y_i ^*＝Y_icos(α_i-γ)

式中：Y_i ^*－各点累积位移在主滑方向上的投影；

α_i－累积位移方位角；

γ－主滑方位角；

(3)变形突变现象的分析与处理

分析累积位移-时间曲线的类型，归纳不同类型累积位移-时间曲线所对应的滑坡变形规律；不同类型的累积位移-时间曲线的处理方法不同：光滑型曲线不处理；震荡型曲线釆用均匀滤波法进行平滑处理，采用二次滤波处理累积位移：

${Y_i}^1=\frac{Y_{i-1}-Y_i}{2}$

${Y_i}^2=\frac{{Y^1}_{i-1}-{Y^1}_i}{2}$

式中：Y_i ¹－一次均匀滤波后所得累积位移；

Y_i ²－二次均匀滤波后所得累积位移。