稀土礦邊坡監(jiān)測(cè)方案構(gòu)建與滑坡灰色預(yù)測(cè)

王丹，　袁博云，　饒運(yùn)章，　饒睿，　張永勝

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000）

稀土礦邊坡監(jiān)測(cè)方案構(gòu)建與滑坡灰色預(yù)測(cè)

王丹1，袁博云1，饒運(yùn)章1，饒睿2，張永勝1

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000）

原地浸礦法開采稀土礦山有很多優(yōu)點(diǎn)，也有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：注入的溶浸液容易導(dǎo)致山體滑坡.利用FLAC3D和強(qiáng)度折減理論對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了采場(chǎng)邊坡失穩(wěn)區(qū)域，作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)失穩(wěn)的山體部分與模擬結(jié)果相吻合；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)7 d監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用灰色理論建立灰色預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果精度等級(jí)為好，可以應(yīng)用于工程實(shí)際，同時(shí)也為后續(xù)的滑坡預(yù)警提供支持.

稀土礦邊坡；原地浸礦；數(shù)值模擬；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；灰色預(yù)測(cè)

0　引　言

稀土是國(guó)防和航天不可或缺的戰(zhàn)略性資源.全球范圍內(nèi)，美國(guó)稀土儲(chǔ)量占全球稀土儲(chǔ)藏量的40%，俄羅斯占30%，中國(guó)占18%，印度占7%.我國(guó)稀土資源總量的98%分布在內(nèi)蒙古的白云鄂博、江西贛南、廣東粵北、四川涼山等地區(qū).江西贛南地區(qū)的稀土元素以離子形態(tài)吸附在花崗巖風(fēng)化殼的全風(fēng)化層的黏土當(dāng)中，由于過(guò)去采用的堆浸法的“搬山運(yùn)動(dòng)”對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，現(xiàn)在多采用原地浸礦法開采[1].

原地浸礦法的主要特征是，礦石處于天然狀態(tài)下未經(jīng)任何位移，通過(guò)注液工程往礦層注入溶浸液，使之與礦石中的有用成分接觸，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[2].贛南稀土礦區(qū)的地層構(gòu)造依次為表土層、含稀土元素的透水全風(fēng)化層、不透水的基巖，贛南地區(qū)的稀土資源非常適合此種開采方法.注液工程主要有打穿表土層的注液孔，開采過(guò)程就是通過(guò)管道向注液孔里注入溶浸液，然后收集浸出液.但隨著注液的進(jìn)行，注入的液體不僅帶走了稀土，還帶走了半風(fēng)化層的細(xì)小顆粒，改變了土體的級(jí)配，使土體的孔隙和裂縫加大，改變了土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力.注入的液體會(huì)造成2個(gè)方面的結(jié)果，一是溶浸液進(jìn)入這些孔隙和裂縫，降低土坡的抗剪強(qiáng)度；二是注入的液體補(bǔ)給地下水，使地下水位抬高，減小滑動(dòng)面的有效法向應(yīng)力，滲透壓力增大，這些都可能致使邊坡更容易滑動(dòng)[3].滑坡造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，歸因于對(duì)滑坡的發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間和強(qiáng)度的無(wú)法事先預(yù)測(cè)，所以對(duì)贛南稀土礦邊坡的監(jiān)測(cè)尤為重要[4-6]！

1　監(jiān)測(cè)方案的構(gòu)建

1.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的概況

江西省龍南縣關(guān)西2A車間防滑坡實(shí)驗(yàn)礦塊位于江西省龍南縣城東南10 km，行政屬于龍南縣關(guān)西鎮(zhèn)管轄.礦體由中部往四周傾斜，沿山脊礦體傾斜較緩，一般為5°～10°.沿山坡礦體傾斜較陡，多數(shù)為20°～30°，坡角礦體局部達(dá)40°.礦體平均厚度為8.1 m，礦區(qū)為似層狀面型表露礦體，形態(tài)較為簡(jiǎn)單，其產(chǎn)狀和厚度變化明顯受地貌形態(tài)的制約.

1.2監(jiān)測(cè)方案構(gòu)建

采用三維數(shù)值模擬，建立水平投影面積為200m× 180 m三維立體模型，找出三維邊坡最容易失穩(wěn)的區(qū)域，把該區(qū)域作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域.對(duì)三維模型進(jìn)行以下處理：①將三維邊坡簡(jiǎn)化為均質(zhì)三維模型.由于影響邊坡穩(wěn)定性的最敏感地質(zhì)層為土層，選擇該均質(zhì)邊坡為全風(fēng)化層均質(zhì)土坡.②簡(jiǎn)化邊界條件和相關(guān)參數(shù).③忽略地下水的影響.給模型添加底部和四周位移約束；為了使邊坡模型失穩(wěn)更易顯現(xiàn)，相關(guān)參數(shù)按照表1的全風(fēng)化層參數(shù).

圖1為利用FLAC3D按照均質(zhì)邊坡參數(shù)得到的塑性區(qū)[7].shear-p區(qū)域已經(jīng)連成片，一般認(rèn)為形成了貫通的塑性區(qū)是邊坡區(qū)域失穩(wěn)的標(biāo)志，將該區(qū)域視為邊坡重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，測(cè)線及測(cè)孔布置如圖2.

第1條測(cè)線布置在K8、K52個(gè)勘探孔連線的方向上，C2孔埋設(shè)2#土壓計(jì)和C3孔埋設(shè)3#土壓計(jì)，第2條測(cè)線布置在K12、K142個(gè)勘探孔的連線上，C6孔埋設(shè)6#上土壓計(jì)和6#下土壓計(jì)，在6#監(jiān)測(cè)孔里埋設(shè)上測(cè)斜儀和下測(cè)斜儀.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)從采集、傳輸、存儲(chǔ)，再到處理的流程，配套的子系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)控制中心、綜合預(yù)警預(yù)報(bào)等[8].圖3為稀土礦區(qū)采場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖[9].

表1　土層計(jì)算參數(shù)Table1　Soil calculation param eters

圖1　模型塑性區(qū)分布圖Fig.1　Plastic zone ofm odel

圖2　測(cè)線布置圖Fig.2　Layout of seism ic line

圖3　采場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.3　Schem atic diagram of on-linemonitoring system for Stope

2　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果及分析

2.1土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖4為土壓力監(jiān)測(cè)相對(duì)值[10].數(shù)據(jù)顯示：2#土壓力出現(xiàn)較大異常波動(dòng)，這可能與埋設(shè)時(shí)土體未搗實(shí)有關(guān)；3#監(jiān)測(cè)孔附近坡體平緩，在整個(gè)注液過(guò)程中基本保持穩(wěn)定；6#監(jiān)測(cè)孔上部土壓力處于穩(wěn)定緩慢增加的正常狀態(tài)；6#監(jiān)測(cè)孔下部土壓力出現(xiàn)了異常.

圖4　4個(gè)土壓力計(jì)隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.4　Changing trends of 4 soil p ressure w ith m onitoring tim e

2.2失穩(wěn)實(shí)例分析

6#監(jiān)測(cè)孔位于山坡山腳上部位置，沿山體往下約10 m即是礦區(qū)道路.圖5為2014年1月17日清晨坡腳風(fēng)化巖出現(xiàn)裂縫，阻塞了積液溝，導(dǎo)致積液溝稀土母液沿道路流失，且給礦區(qū)道路帶來(lái)了安全隱患.

1月7日至1月14日期間，6#監(jiān)測(cè)孔下部土壓力急劇增大，14日以后增大幅度減小，17日出現(xiàn)坡腳失穩(wěn)破壞，破壞后應(yīng)力釋放并達(dá)到新的平衡，即19日19日后測(cè)斜管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)又趨于穩(wěn)定．

圖5　邊坡失穩(wěn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Slope instability of the scen

圖6　6#監(jiān)測(cè)孔測(cè)斜儀隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的撓度曲線Fig.6　Deflection curve of 6 inclinom eter w ith m onitoring tim e

3　灰色預(yù)測(cè)

3.1灰色理論簡(jiǎn)介

灰色預(yù)測(cè)是通過(guò)少量的、不確定的信息，建立數(shù)學(xué)模型并做出預(yù)測(cè)的一種預(yù)測(cè)方法．灰色預(yù)測(cè)的過(guò)程是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加或累減處理，生成新數(shù)據(jù)后土壓力又趨于穩(wěn)定．然而，6#監(jiān)測(cè)孔上部土壓力基本無(wú)變化，說(shuō)明坡體位移主要發(fā)生在下部，但土壓力緩慢增大說(shuō)明山體總體上仍然向下移動(dòng)，且土壓力的監(jiān)測(cè)表明失穩(wěn)位置出現(xiàn)在全風(fēng)化層．

圖6為6#監(jiān)測(cè)孔測(cè)斜儀時(shí)間撓度曲線，圖6中1/0．6 m表示第1個(gè)應(yīng)變計(jì)距離地表0．6 m位置[11]．假定測(cè)斜管底部不變的撓度數(shù)據(jù)表明，測(cè)斜管底部與第2、3個(gè)應(yīng)變片的相對(duì)變化最為明顯，1月15日與1月18日之間，第2個(gè)應(yīng)變計(jì)的相對(duì)內(nèi)部位移短時(shí)間變化極大，而坡腳失穩(wěn)正好發(fā)生于17日．坡腳破壞導(dǎo)致坡體內(nèi)應(yīng)力重新分布并于19日達(dá)到新平衡，序列，把新序列用到微分方程模型中，由此抵消部分由不確定因素引起的隨機(jī)誤差，增加預(yù)測(cè)精度，更好地分析和判別變性趨勢(shì)．灰色預(yù)測(cè)常用GM（1，1）和GM（n，h）模型．灰色系統(tǒng)模型的精度檢驗(yàn)按表2確定[12-14]．

表2　精度檢驗(yàn)Table 2　Accuracy test

3.2預(yù)測(cè)實(shí)例與分析

以6#下土壓計(jì)7 d數(shù)據(jù)為例，建立GM（1，1）模型[15]，模型時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為：x（k+1）=-13 410．277 9 exp（－0．002 5）＋134 44．164 1，預(yù)測(cè)結(jié)果如表3：

表3　土壓實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Table3　Com parison of soil pressure between m easured and p redicted

4　結(jié)　論

1）利用FLAC3D和保守的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了采場(chǎng)邊坡失穩(wěn)區(qū)域，作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，并以此制定了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施方案．通過(guò)分析土壓計(jì)及測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生急劇變化的時(shí)刻與現(xiàn)場(chǎng)大雨導(dǎo)致山體部分失穩(wěn)的時(shí)刻相吻合，現(xiàn)場(chǎng)失穩(wěn)的山體部分與模擬結(jié)果相吻合，表明構(gòu)建的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于稀土礦邊坡可靠．

2）結(jié)合6#下土壓計(jì)連續(xù)7 d監(jiān)測(cè)值，利用灰色理論建立灰色預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果精度等級(jí)為好，可以應(yīng)用到工程實(shí)際，同時(shí)也為后續(xù)的滑坡預(yù)警提供支持．

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Establishing slopemonitoring program for rare earth ore and grey prediction of landslide

WANG Dan1,YUAN Boyun1,RAO Yunzhang1,RAO Rui2,ZHANG Yongsheng1
（1.School of Resources and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China；2.Ganzhou Research Institute of NonferrousMetallurgy,Ganzhou 341000,China）

Despite of its advantages,in-situ leaching mining method has an obvious disadvantage,that is, landslide caused by injected leaching solution.Numerical simulation is performed on the slope stability by using FLAC3Dand strength subtraction.The stope slope instability region is regarded as key monitoring area. The field observation shows the instability of the mountain part is in conformity with the simulation results. Combing with field monitoring data in the 7 consecutive days,the grey prediction model is established based on grey theory,predicting precision grade being favorable.It can be applied to the engineering practice,which provides reference for the subsequent landslideswarning.

slope of rare earth mine;in-situ leaching;numerical simulation;on-line monitoring system;grey prediction

TD325.4

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.022

2014-11-01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA061901）；2011年度江西省安全生產(chǎn)重大課題

王丹（1989-），男，碩士研究生，主要從事金屬礦地下開采和巖土邊坡工程研究，E-mail：381749627@qq.com.

饒運(yùn)章（1963-），男，教授，博導(dǎo)，主要從事金屬礦和稀土礦開采及巖土邊坡工程研究，E-mail：raoyunzhang@sohu.com.