地表位移—微震聯(lián)合監(jiān)測在某露天礦邊坡監(jiān)測的應(yīng)用

榮 輝 胡文劍 尚立君 禹朝群 高玉倩

（1.河鋼集團(tuán)礦山設(shè)計有限公司；2.河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司）

大型露天礦山存在著較多安全風(fēng)險，部分?jǐn)鄬?、裂隙等危險因素隨著礦山采掘深度不斷增加對邊坡的影響愈加嚴(yán)重。采區(qū)邊坡滑坡，對采場工作人員的生命安全，對大型設(shè)備等財產(chǎn)安全構(gòu)成隱患［1］。露天礦山發(fā)生邊坡災(zāi)害，是由于圍巖強(qiáng)度降低、內(nèi)部出現(xiàn)損傷、爆破振動及降雨潤滑等多種因素共同作用下，使邊坡由健康狀態(tài)轉(zhuǎn)為病態(tài)，最后在沒有及時進(jìn)行維護(hù)、修復(fù)情況下，發(fā)生邊坡災(zāi)害事故［2］。利用衛(wèi)星定位監(jiān)測可以進(jìn)行靜態(tài)位移監(jiān)測，微震監(jiān)測信息可以有效地分析巖體內(nèi)部損傷演化規(guī)律［3］。邊坡發(fā)生大的形變之前地下地質(zhì)體也會發(fā)生微小破裂或錯動事件，微震事件的監(jiān)測對于大型滑坡的前期預(yù)警和巖石深部破裂波及的潛在地災(zāi)區(qū)域的預(yù)警都具有重要意義［4-6］。

研究某鐵礦邊坡賦存情況及已揭露的巖層地質(zhì)條件發(fā)現(xiàn)，東幫礦巖體質(zhì)地較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，與邊坡方向一致，且受東幫滲水影響，發(fā)生邊坡地質(zhì)災(zāi)害事故概率較高，近2 a開展邊坡微震、GNSS系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，開展坡表、體內(nèi)空間協(xié)同監(jiān)測，準(zhǔn)確地預(yù)判邊坡變形趨勢、范圍和機(jī)理，深入開展邊坡災(zāi)害防治技術(shù)研究。

1 微震邊坡內(nèi)部監(jiān)測應(yīng)用研究

露天鐵礦安裝邊坡微震監(jiān)測設(shè)備，在-180～-158 m臺階布置了邊坡錨桿應(yīng)力計和微震在線監(jiān)測系統(tǒng)，微震監(jiān)測系統(tǒng)采用6個單通道傳感器。

1.1 不同區(qū)域巖石試樣采集分析

為進(jìn)一步探究邊坡賦存條件，分別從不同區(qū)域進(jìn)行了巖石試樣采集，進(jìn)行室內(nèi)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測量試驗(yàn)及巖石自然安息角測量。根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)，對邊坡賦存狀態(tài)進(jìn)行綜合評價；通過進(jìn)行微震及應(yīng)力監(jiān)測，探求爆破振動及降水對邊坡穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)一步得到邊坡災(zāi)變可能發(fā)生的位置。根據(jù)試樣采集坐標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果，利用三維重構(gòu)技術(shù)分別對采場邊坡區(qū)域劃分。

在東幫及東北幫區(qū)域邊坡自然安息角基本處于55°以下，若按照礦山設(shè)計65°坡面角進(jìn)行靠界，存在坡腳破壞、導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。

1.2 巖芯取樣分析

通過取樣巖芯，對圍巖完整性、巖石層理結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域?qū)儆诨聻?zāi)害高風(fēng)險區(qū)域，該區(qū)域主要以順傾且與邊坡表面斜交片理或?qū)永斫Y(jié)構(gòu)主導(dǎo)的楔體滑坡為主，鉆孔巖芯RQD的數(shù)據(jù)提取如圖1所示。

通過對巖芯照片識別，挑選出≥10 cm的巖芯塊段，與整體鉆孔長度對比，計算出RQD，然后將多個巖樣的RQD與鉆孔位置整合，生成塊體模型云圖如2所示，進(jìn)一步為探究邊坡穩(wěn)定性提供了重要基礎(chǔ)資料。

1.3 應(yīng)力計數(shù)據(jù)及微震數(shù)據(jù)分析

針對邊坡內(nèi)部監(jiān)測，主要對微震數(shù)據(jù)及應(yīng)力計數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。傳感器布置平面及剖面如圖3所示，布置位置分別在-157 m及-180 m臺階，其中1#、2#、3#微震監(jiān)測點(diǎn)及1#、2#應(yīng)力計布置在-180 m臺階，4#、5#、6#微震監(jiān)測點(diǎn)及3#、4#應(yīng)力計布置在-157 m臺階。在每組應(yīng)力計中，共布置4個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)。微震監(jiān)測點(diǎn)布置位置如圖3所示。

針對一次較大降雨量，對邊坡內(nèi)部應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。隨著降雨量增加，邊坡內(nèi)部應(yīng)力均出現(xiàn)較大波動。1#、2#應(yīng)力計監(jiān)測中，應(yīng)力基本呈突增變化，表明在降雨過程中，雨量滲透進(jìn)入邊坡內(nèi)部，降低了邊坡內(nèi)摩擦力，使邊坡出現(xiàn)向下滑移跡象，從而導(dǎo)致邊坡滑動力增加。

3#應(yīng)力存在突增和突降2種變化，且變化幅度較1#、2#組均小，充分考慮邊坡賦存情況，主要由于-157 m安全平臺留存，使得上部邊坡在出現(xiàn)向下滑移時，安全平臺產(chǎn)生阻止作用，因而使得該邊坡的滑移應(yīng)力變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于下部邊坡。

微震監(jiān)測手段不僅可以采集破壞能量數(shù)值，同時利用多點(diǎn)同源數(shù)據(jù)反演技術(shù)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)源點(diǎn)定位，是目前探究內(nèi)部損傷的主要手段之一。微震事件一般日均發(fā)生在5次以下，微震事件發(fā)生代表著巖石內(nèi)部或者表面出現(xiàn)破裂，單位時間內(nèi)發(fā)生事件率越高，表明發(fā)生邊坡災(zāi)害可能性越高。針對時間段內(nèi)的信號，進(jìn)行定位反演，得到了破裂源點(diǎn)，反演后的三維定位如圖4所示，圓圈內(nèi)的實(shí)心點(diǎn)即為定位源點(diǎn)。

破裂源與破裂面之間的關(guān)系如圖5，從圖5可以進(jìn)一步探究該破裂源點(diǎn)與邊坡坡面之間的關(guān)系，絕大多數(shù)定位源點(diǎn)都在邊坡表面附近，少數(shù)定位點(diǎn)偏離群體，破裂源點(diǎn)主要集中在距離坡面約7 m范圍，表明在該處發(fā)生邊坡災(zāi)害可能性較其他區(qū)域高，應(yīng)重點(diǎn)對該區(qū)域位移變化情況進(jìn)行監(jiān)測，及時開展邊坡穩(wěn)定性及邊坡削坡處理、治理加固等措施。

2 地表位移GNSS系統(tǒng)的應(yīng)用研究

研山鐵礦引進(jìn)地表位移監(jiān)測GNSS系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)包括5個監(jiān)測點(diǎn)和2個監(jiān)測基站。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)頻率為1 h，利用軟件設(shè)置最大變形量警戒值，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)向指定目標(biāo)發(fā)送預(yù)警信息。

2.2 邊坡位移數(shù)據(jù)分析

為方便進(jìn)行分析，對各個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)利用截尾均值法進(jìn)行處理，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)布置位置對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如圖6。

-42 m不同監(jiān)測點(diǎn)處邊坡位移變形量隨著月份變化，顯示邊坡水平方向位移變化量總體上呈增大趨勢，其變形量隨著月份的推移逐漸增加，最大變形量尚未達(dá)到30 mm，邊坡尚且處于安全狀態(tài)。豎直方向位移變化量基本在循環(huán)波動狀態(tài)，整體相對穩(wěn)定，無明顯增大趨勢，表明在豎直方向，邊坡同樣處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對-67 m水平不同監(jiān)測點(diǎn)處邊坡位移變化量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)位移變化量總體同樣呈增加趨勢。在2020年7—11月期間，受雨季汛期影響，變化幅度較大，同時對-67 m臺階不同點(diǎn)豎直方向位移變化量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)豎直方向位移變化同樣整體呈平穩(wěn)狀態(tài)，在5 mm附近上下循環(huán)波動，表明該平臺同樣處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 雨季對邊坡位移的影響

在2020年8—10月為雨季主汛期，邊坡位移變化量呈鋸齒狀變化，位移變化量浮動較大，分析原因主要是在雨水的浸潤下，局部邊坡較之前松軟，部分雨水滲入到邊坡內(nèi)部不連續(xù)面邊界，改變了邊坡巖體不連續(xù)面中充填物的物理性質(zhì)，使得不連續(xù)面的摩阻系數(shù)減小，黏聚力降低，在采場爆破振動影響下，局部邊坡周期變形幅度較大。在雨季結(jié)束后，邊坡內(nèi)部滲水逐漸減少，邊坡不連續(xù)面的摩阻系數(shù)逐漸恢復(fù)，使得邊坡位移變化量也趨于平穩(wěn)［7］。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)時間—位移分析，可以實(shí)現(xiàn)對特殊時期重點(diǎn)部位的安全性監(jiān)測。

3 微震—地表位移監(jiān)測聯(lián)合監(jiān)測應(yīng)用

東幫的監(jiān)測設(shè)備為6通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，在-157、-187 m平臺各布置3個微震探頭。巖體在破壞前，在一段時間內(nèi)會通過聲波的形式釋放能量，隨著結(jié)構(gòu)接近失穩(wěn)，能量釋放的強(qiáng)度也會變化。每個微震信號中都包含著豐富的信息，依據(jù)對信號的分析處理可對巖體穩(wěn)定性做出評判依據(jù)。

微震事件的能量震級分布多在0~-2.4，震級分布圖如圖7。能量分布比較集中，且能量值分布比較均勻，在密集爆破的情況下，多發(fā)的能級較接近且密集的微震事件對東幫的順層淺層狀邊坡的影響是比較大的。

震級的分布與距離的關(guān)系如圖8所示，100 m之內(nèi)的微震事件占絕大數(shù)，且較集中，能量分布在整體上看比較均勻，在各距離都有不同的震級分布，但是在120 m以后震級分布就更加稀疏，這與大于120 m的微震事件數(shù)本來就少有關(guān)，而在傳感器周圍的微震事件比較多的原因是因?yàn)榫嚯x傳感器相對較遠(yuǎn)的小震級事件在地震波的傳播過程中衰減或耗散而導(dǎo)致未被設(shè)備監(jiān)測到，在40~80 m的微震事件震級多在-1~-2.5，驗(yàn)證了在監(jiān)測點(diǎn)的微震密集且震級較集中。

微震事件能量分布比較集中，且能量值分布比較均勻，在密集爆破的情況下，多發(fā)的能級較接近且密集的微震事件對東幫的順層淺層狀邊坡的影響比較大，對時間—位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對特殊時期重點(diǎn)部位的安全性監(jiān)測。通過對露天采場微震—地表位移邊坡在線監(jiān)測的研究與應(yīng)用，建立了表面監(jiān)控與內(nèi)部測量融合性邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，不僅獲得了邊坡地質(zhì)的資料，還對邊坡潛在破壞模式進(jìn)行了多方面的數(shù)值擬合研究；同時，建立起了大型露天鐵礦地質(zhì)模型及網(wǎng)絡(luò)模型，對邊坡排水方案進(jìn)行優(yōu)化；通過建立邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，替代人力資源，使邊坡監(jiān)測更加方便快捷，并且，此系統(tǒng)已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）通過采用圖像識別技術(shù)，對采場邊坡賦存狀態(tài)有了宏觀把握，根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)，得到了基于巖石指標(biāo)的數(shù)值模型。

（2）在進(jìn)行微震及應(yīng)力監(jiān)測中，得到了降水對邊坡內(nèi)部應(yīng)力的影響，此外通過多點(diǎn)同源定位技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在東幫-157 m水平存在邊坡滑坡危險區(qū)域，該滑坡面距離坡面約7 m左右，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

（3）通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)時間—位移進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)部位的安全性監(jiān)測，不同監(jiān)測點(diǎn)處邊坡受雨季影響不同，局部邊坡周期變形幅度較大。

（4）通過對邊坡微震、GNSS系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用，開展坡表、體內(nèi)空間協(xié)同監(jiān)測，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)判邊坡變形趨勢、范圍和機(jī)理，有利于深入開展邊坡災(zāi)害防治技術(shù)研究。有效整合、綜合評判邊坡穩(wěn)定性，是一項(xiàng)互利互補(bǔ)的技術(shù)，在后期發(fā)展中具有較高的實(shí)用價值。