基于綜合物探的露天礦高邊坡滑坡風(fēng)險評估

趙自豪 吳 兵 任玉輝,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

基于綜合物探的露天礦高邊坡滑坡風(fēng)險評估

趙自豪1，2吳 兵1任玉輝1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

露天礦巖石質(zhì)高邊坡滑坡對露天礦的安全生產(chǎn)帶來巨大威脅，并嚴重影響礦山經(jīng)濟效益。對于已經(jīng)發(fā)生滑坡的礦山，為了避免類似事故發(fā)生，應(yīng)對全礦進行滑坡危險性評估。研究了白云鄂博主東礦C區(qū)滑體滑坡機理，對主東礦所有未滑坡也未加固的區(qū)域進行了以地震法、地質(zhì)雷達法和高密度電法為主的綜合物探。在綜合物探結(jié)果基礎(chǔ)上，選定含水率、斷層組合模式等5個影響邊坡穩(wěn)定性的指標。對這5個因素通過兩兩比較構(gòu)建了判斷矩陣，通過對判斷矩陣進行變換，獲取了這些因素的權(quán)重矩陣。根據(jù)經(jīng)驗和參數(shù)敏感性分析，對這些指標設(shè)定危險性大、中和小3個等級的評語集并計算出了每個因素對評語的隸屬度。以某斷面為例，構(gòu)造灰色模糊矩陣和權(quán)重矩陣，進行了灰色綜合模糊評判，判定了該斷面的滑坡危險等級。

綜合物探 滑坡 灰色模糊綜合評判

露天礦高邊坡滑坡不但造成了設(shè)備的損壞和人員的傷亡，由于滑坡體的存在，導(dǎo)致下部境界不能準確靠界，造成的礦石損失十分巨大。以白云鄂博主東礦為例，因滑坡造成的壓礦損失達數(shù)億元，每年投入的邊坡治理費用達數(shù)千萬元。因此，對未滑坡也未進行加固的區(qū)域開展地質(zhì)勘探，進行滑坡危險性評估，在此基礎(chǔ)上通過加固等手段防患于未然，具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的勘探以地質(zhì)調(diào)查和鉆探為主，普通地質(zhì)調(diào)查花費小但是準確性差，鉆探準確性高，但是花費大，并且存在由于鉆探數(shù)目少而導(dǎo)致結(jié)果偏差大的問題。以地震法、地質(zhì)雷達法等為主的綜合物探法，在勘探費用和最終效果方面可以取得一個很好的平衡，雖然實際應(yīng)用時受到一些地形限制，但仍不失為一種好的、快捷的方法。本研究利用了綜合物探法，在對白云鄂博主東礦未滑坡和未加固區(qū)域進行工程物探的基礎(chǔ)上，進行了滑坡危險性評估[1]。

1 綜合物探

白云鄂博鐵礦主東礦在生產(chǎn)的過程中，由于受爆破技術(shù)的限制，形成了高度為56 m、近似垂直的四水平并段階段坡。由于階段坡坡角大，坡面長期暴露風(fēng)化，并受爆破震動影響，導(dǎo)致表面裂隙發(fā)育，時有碎石滑落。因此，為保證研究人員的安全，不宜采用以瞬變電磁等為主的面積型坡面勘探，也不適合進行地質(zhì)雷達垂吊坡面勘探。經(jīng)綜合考慮礦山地形和實際工程需要，本研究采用了地震法、地質(zhì)雷達法和高密度電法為主的綜合物探法，其西側(cè)平臺測線布置如圖1所示。

圖1 西側(cè)各平臺測線布置Fig.1 Layout of detection lines on the west-side platform

1.1 地震法

由于主東礦存在牙輪鉆機、電鏟、電動輪、破碎站和膠帶運輸機等大型礦山設(shè)備，并且由于生產(chǎn)需要，礦坑內(nèi)有高壓電線分布，因此存在嚴重的噪音干擾。為了有利于數(shù)據(jù)采集和后期資料處理，需要事先調(diào)查清楚干擾源和背景噪音的特性。本研究利用了中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研發(fā)的MMS-1型多波多分量地震儀進行了噪聲和干擾源的調(diào)查，經(jīng)分析，噪聲和干擾源特征如下：本研究區(qū)域背景噪音頻率均低于50 Hz，近偏移距噪聲直達波和反射波能量強反射明顯，頻率介于60～250 Hz，遠偏移距能量弱，低頻規(guī)則干擾強，其頻率一般在10～50 Hz之間。

利用重慶地質(zhì)儀器廠研發(fā)的DZQ 48高分辨地震儀進行了淺層地震勘探。48道接收，道間距2 m，最小偏移距2 m。單邊激發(fā)，12次覆蓋。激發(fā)方式采用30磅大錘，采用20 cm×30 cm×2 cm規(guī)格的鋼板作墊。由于干擾波和背景噪聲的影響，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和資料解釋后發(fā)現(xiàn)，20 m以內(nèi)的資料質(zhì)量不佳，20 m以下獲得了良好的勘探效果。通過原始地質(zhì)資料比對發(fā)現(xiàn)，新探出了32處地質(zhì)構(gòu)造，驗證了23處地質(zhì)構(gòu)造，由于干擾和方法的局限性，有6處地質(zhì)構(gòu)造未探出。圖2為地震測線6-6′的地震解釋圖。圓圈所標示的破碎帶對應(yīng)于高密度電法斷面11處的滑坡隱患區(qū)。

圖2 地震解釋圖Fig.2 Seismic interpretation DF33～DF43—地質(zhì)裂隙帶

1.2 地質(zhì)雷達法

采用了中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研發(fā)的ZTR12礦用本安型地質(zhì)雷達系統(tǒng)沿測線進行了探測。探測前，進行了測量時窗和采樣點數(shù)實驗，發(fā)現(xiàn)在2 048采樣點、100 ms和300 ms采樣時窗時，獲得的地質(zhì)雷達圖像最好。因此利用這2個參數(shù)組合分別進行了探測，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，探測深度為穿過覆土層進入基巖5 m，有效的探測出了巖石的破碎和風(fēng)化分布情況。在所有測線上均發(fā)現(xiàn)有裂隙帶和破碎帶存在，裂隙帶和破碎帶延伸范圍在總長中占比25%左右。且1544平臺明顯比1488平臺裂隙帶發(fā)育嚴重，破碎帶數(shù)目多，清掃平臺落石情況也相對比較嚴重。圖3為高密度電法斷面11處所對應(yīng)的地質(zhì)雷達解釋圖。

圖3 地質(zhì)雷達解釋圖Fig.3 Geological radar interpretation

1.3 高密度電法

由于勘探區(qū)域為曲線，而高密度電法要求測線盡量平直，因此，實際勘探中在現(xiàn)場地形允許和安全的前提下，對部分符合高密度電法測量要求的地段進行了分段勘探?？碧綍r采用了重慶地質(zhì)儀器廠研發(fā)的DUK-2B高密度電法儀，在C區(qū)滑體上部進行了60道，電極距4 m的高密度電法勘探。其余測線段全部采用了2 m的道間距。最大測深分別為76 m和38 m。經(jīng)對數(shù)據(jù)的反演和去噪處理，發(fā)現(xiàn)了4處區(qū)域存在明顯的順層巖石滑坡“兩縱一橫”的高密度電法測線表觀特性。其中2處存在著高差和地理坐標上的呼應(yīng)關(guān)系，具有很高的順層巖石滑坡的風(fēng)險。圖4為斷面11處的高密度電法剖面圖。

圖4 高密度電法剖面圖Fig.4 High density resistivity profile

2 C區(qū)滑體的滑坡機理

自2000年開始出現(xiàn)滑坡跡象，到2006年開始進行削坡治理期間，C區(qū)先后發(fā)生了4次滑坡，出現(xiàn)1到4號4個滑體。經(jīng)對滑體的現(xiàn)場勘探分析發(fā)現(xiàn)，1號、2號滑體屬于順層巖石滑坡范疇。其中1號滑體周界清晰，邊界隔離斷層為F111和F107，滑動面為F91。2號滑體具有2級滑面的特征，其滑體周界分別為斷層F16和另外一側(cè)的煌斑巖脈。從在C區(qū)上部進行的高密度電法測線上，能看出1號滑體殘留的周界，其余特征已不可探測。

3號和4號滑體均為破碎巖石滑坡，所在區(qū)域巖石破碎帶發(fā)育，寬度最大可達15 m，受上部滑體推移、卸荷作用、爆破震動等因素綜合影響，不斷發(fā)生坍塌變形，最終導(dǎo)致滑坡發(fā)生[2]。

3 邊坡穩(wěn)定性評估

邊坡危險性的大小及與各影響因素之間的對應(yīng)關(guān)系屬于模糊理論范疇，而物探由于具有多解性，其結(jié)果的可靠度大小屬于灰色理論范疇。故本次邊坡滑坡危險性的評估采用灰色模糊綜合評判的方法[3-9]。

3.1 確定因素集(U)和評語集(V)

由于本次評估區(qū)域為巖石質(zhì)邊坡，而巖石質(zhì)邊坡的滑坡模式有順層巖石滑坡和破碎巖石滑坡。通過考察這2種滑坡的影響因素，選定評價因素如下：“兩縱一橫”的斷層組合模式，含水性，深部巖體的構(gòu)造發(fā)育程度，表層巖石裂隙發(fā)育和破碎帶分布，階段坡坡度。確定危險因素集為

滑坡失穩(wěn)風(fēng)險分為小、中、大3級。對應(yīng)的評語集為

對5個因素進行綜合研究，除階段坡坡度和裂隙與破碎分布可以量化外，其余均無法很好量化。對能夠量化的2個指標進行了邊坡穩(wěn)定性影響要素敏感性分析，在分析結(jié)果上給出了危險性大、中、小的劃分標準。其余3個無法準確量化的量根據(jù)經(jīng)驗進行危險性等級劃分。獲得的分級指標如表1所示。

表1 評判指標的穩(wěn)定性分級標準Table 1 Stability classification of evaluation index

3.2 確定單因素灰色模糊矩陣

本次評判有5個因素，3個評語，因此單因素灰色模糊矩陣：

(1)

式中，μmn表示第m個因素對第n個評語的隸屬度，又稱該灰色模糊矩陣的模部。vmn表示的是第m個因素對第n個評語的灰度，也就是不可信度，它反應(yīng)的是由于技術(shù)因素的限制，該結(jié)果的可靠情況或信息收集的充分程度，又稱之為灰色模糊矩陣的灰部。在本分析中，將信息收集的充分程度劃分為5個等級，分別為：{很充分，較充分，一般，較貧乏，很貧乏}，對應(yīng)的點灰度分別為{0 0.3 0.5 0.7 1}。

本評判中有2個指標變大型因素，3個定性因素。對于指標變大型因素，有：

對于定性評價因素，與評語符合則隸屬度為1，否則為0。

對高密度電法斷面11所對應(yīng)的118 m區(qū)域根據(jù)地質(zhì)雷達、高密度電法和地震法所獲取的地質(zhì)資料和現(xiàn)場實測的階段坡坡度資料，生成單因素灰色模糊矩陣：

(2)

3.3 確定各因素的權(quán)重矩陣

首先確定各因素之間重要程度的判斷矩陣，在本次評估中，5個因素的判斷矩陣如表2所示。

表2 各因素重要程度的判斷矩陣Table 2 Judgment matrix on importance of each factor

采用根法計算得到該矩陣的特征向量，并合成包含灰度的邊坡失穩(wěn)各因素的權(quán)重矩陣：

(3)

計算該比較矩陣的最大特征根：λmax=5.042 5，代入公式

式中,n=5，查表得RI=1.12，計算可得CR=0.009 5<0.1，說明上面算出的權(quán)重矩陣具有滿意的一致性，可以用來進行灰色模糊評判。

3.4 灰色模糊綜合評判

本次綜合評判因素的合成，對于模部采用的是加權(quán)平均模型，對于灰部采用的是均值模型，合成后的灰色模糊矩陣為

B=A·R=

(4)

計算所對應(yīng)的范數(shù)：

{0.54,0.828 7,1.032 5}.

(5)

因此，根據(jù)評判規(guī)則，該段發(fā)生失穩(wěn)的危險性大。依據(jù)同樣的規(guī)則，可以對白云鄂博主礦東礦的其他段進行危險性評估。

4 結(jié) 論

利用了地質(zhì)雷達、地震法和高密度電法對白云鄂博主東礦1544和1488水平臺階進行了綜合物探，通過優(yōu)化測定參數(shù)，改進數(shù)據(jù)處理工藝，獲得了能夠反應(yīng)地下水、破碎帶、斷層組合結(jié)構(gòu)等參數(shù)的地質(zhì)資料。在此基礎(chǔ)上，選定階段坡坡度、含水性等參數(shù)，利用灰色模糊綜合評判方法，以高密度電法斷面11所在區(qū)域為例，進行了評判，判定該區(qū)域失穩(wěn)危險性大。通過本文的研究，將綜合物探與灰色綜合模糊評判聯(lián)系起來，為邊坡失穩(wěn)評估找到一種具有一定可行性的方法。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Open-pit Slope Landslide Risk Assessment Based on Comprehensive Geophysical Prospecting Method

Zhao Zihao1，2Wu Bing1Ren Yuhui1，2

(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningTechnology,Beijing100083,China;2.SchoolofMineandCoal,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Open-pit rocky high slope landslide brings a major threat to production safety,and seriously affects the economic benefits of mine.For a mine that has had a landslide,in order to avoid from similar accidents,a landslide risk assessment should be made on the whole mine.Based on the study of the mechanism of landslide in Zone C of Bayan Obo's main East mine,comprehensive geophysical prospecting,including seismic method,geophysical radar method and high density resistivity method,was made in non-landslide and not strengthened areas.On the basis of the results of the comprehensive geophysical prospecting,five indicators such as moisture content,mode of fault combination,etc.which influence the stability of slope are selected.Judgment matrix is made by comparing arbitrary two factors of five.After transforming the judgment matrix,weight matrix of these factors is obtained.Coupled with the experience and parameter sensitivity analysis,an evaluation set including big,medium and small level of risks is constructed for these factors,and each factor's membership degree to each evaluation level is calculated.Taking a cross-section for example,the gray fuzzy matrix and the weight matrix are constructed and a gray fuzzy comprehensive evaluation is conducted to determine the landslide risk of the cross-section.

Comprehensive geophysical prospecting,Landslide,Gray fuzzy comprehensive assessment

2014-05-27

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51264028)。

趙自豪(1977—)，男，副教授，博士研究生。

TD854.6

A

1001-1250(2014)-10-148-04