基于熵權(quán)的離子型稀土原地浸礦滑坡綜合預(yù)警

王丹， 饒運(yùn)章， 石亮， 張美道， 張吉勇

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

離子型稀土礦采用原地浸礦工藝開采時(shí)，需往山體中注入大量溶浸液，溶浸液中置換離子與稀土離子發(fā)生交換反應(yīng)，不僅改變了礦土的化學(xué)配分，還改變了礦土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，注入的溶浸液使山體飽和，改變了山體有效孔隙水壓的分布，使山體的抗滑力減小，更容易發(fā)生山體滑坡事故[1]。原地浸礦工藝又不得不往山體里注入溶浸液，使山體達(dá)到飽和狀態(tài)，以更多更快地析出稀土離子，所以離子型稀土的開采必然存在安全隱患[2]?；聻?zāi)害預(yù)警是防止大事故發(fā)生的一個(gè)重大舉措，是預(yù)防滑坡災(zāi)害的重要途徑之一。

選用哪些參數(shù)作為滑坡災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)以及預(yù)警等級(jí)的劃分是滑坡預(yù)警研究的一個(gè)重點(diǎn)。采用單參數(shù)預(yù)警，還是多參數(shù)綜合預(yù)警，都是值得去探討的問題[3]。單參數(shù)預(yù)警技術(shù)的難點(diǎn)是在單參數(shù)預(yù)警閾值的確定，此問題可通過分析類似礦山的監(jiān)測情況得到，也可根據(jù)目標(biāo)礦山的前期監(jiān)測數(shù)據(jù)得到[4-5]。單參數(shù)預(yù)警的缺點(diǎn)為：其中一個(gè)傳感器由于電子系統(tǒng)原因出現(xiàn)單個(gè)參數(shù)劇烈波動(dòng)，造成預(yù)警不準(zhǔn)確及誤報(bào)的問題[6]。多參數(shù)綜合預(yù)警的關(guān)鍵在于建立一套既科學(xué)、合理，又能反映實(shí)際狀況的預(yù)警指標(biāo)體系，關(guān)鍵在于確定體系各指標(biāo)的權(quán)重[7]。因此本次研究結(jié)合離子型稀土原地浸礦工藝特點(diǎn)，選擇坡體表面位移和坡體內(nèi)部孔內(nèi)水位、土壓力作為滑坡單參數(shù)，同時(shí)構(gòu)建由這幾個(gè)參數(shù)及日降雨量、日降水量組成的綜合預(yù)警體系，進(jìn)行預(yù)警模型研究[7-8]。

1 采場滑坡單參數(shù)預(yù)警

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

安遠(yuǎn)西坑稀土礦主要賦存于條痕狀混合巖形成的全風(fēng)化層中，類型為典型的全覆式，采場底部無隔水底板。巖石呈花崗變晶結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)及殘留結(jié)構(gòu)，條帶～條痕狀、眼球狀、塊狀構(gòu)造及不明顯的片麻狀構(gòu)造。巖石多呈磚紅色、淺黃褐色，局部稍帶灰白色，結(jié)構(gòu)松散?；w原巖為變粒巖、片巖等，礦物成分由長石、石英和黑云母，局部見白云母以及星點(diǎn)狀的黑色礦物等組成。風(fēng)化殼中長石大部分已被高嶺土所取代，呈土狀產(chǎn)出，手搓具滑膩感，石英顆粒細(xì)小均一且含量少，因此其礦土滲透性極差。通過生產(chǎn)勘探，按邊界品位0.035%圈定，礦塊面積3 640.82 m2，礦體厚度10.82 m，平均品位0.08%，礦體體積39 399 m3，121b礦塊REO儲(chǔ)量47.46 t。安遠(yuǎn)西坑稀土礦現(xiàn)場及采場收液工程，見圖1、圖2。

圖1 安遠(yuǎn)西坑稀土礦現(xiàn)場Fig.1 The test ore-block in Anyuan Xikeng

圖2 試驗(yàn)采場收液工程Fig.2 Field crack

礦區(qū)屬低山丘陵地貌，地勢(shì)較為平坦，地形相對(duì)西高東低，但起伏不大，相對(duì)高差一般為50～120 m。區(qū)內(nèi)地處亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，無霜期長，雨量充沛，水系發(fā)育，地表水資源豐富。礦山周圍地表溝谷發(fā)育，在周邊開采區(qū)由于以往堆浸采礦留下較多的尾砂堆，尾砂堆多沿溝谷山坡坡面堆積，在降雨的時(shí)候大量的尾砂流入溝谷至溪溝，導(dǎo)致溪溝淤積，水流面出現(xiàn)分枝復(fù)合現(xiàn)象。礦山范圍內(nèi)，受開采區(qū)段尾砂影響的溝谷，其泥石流易發(fā)程度均為中易發(fā)，其他的多為低易發(fā)。礦山環(huán)境地質(zhì)條件為中等類型，礦山地質(zhì)條件具有普適性，對(duì)于其他礦山的滑坡預(yù)警具有重要參考價(jià)值。

1.2 滑坡單參數(shù)預(yù)警

試驗(yàn)礦塊采用原地浸礦工藝開采，以1%～2%硫酸銨水溶液為浸礦液，在原山布設(shè)注液網(wǎng)絡(luò)，注液和收液工程布置，見圖3。注液孔網(wǎng)度采用1.5 m×2 m，即排距2.0 m，孔距1.5 m，交錯(cuò)布置，孔徑18 cm，注液孔調(diào)整為1.5～2.0 m深。根據(jù)試驗(yàn)礦塊各探礦孔所獲得的礦塊賦存情況，山形地貌以及利于施工等情況，以集液巷道及魚骨狀小巷道為主，環(huán)山集液溝為輔的方式收液。大集液巷道和小斷面巷道作為主要收液工程。同時(shí)兼作地下水第一級(jí)防護(hù)措施。在原山布置5條測線，每條測線根據(jù)測線長短布置3~5個(gè)測點(diǎn)，形成邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)。試驗(yàn)采用注液和收液工程布置見圖3。測線布置見圖4。

圖3 注液和收液工程布置Fig.3 Layout of injection and collection engineering

圖4 測線布置Fig.4 Line layout

注液半個(gè)多月后，日均注液量逼近250 m3經(jīng)驗(yàn)限定值，導(dǎo)致1月20日前后，在3線下部地表，出現(xiàn)了較大位移的裂縫，詳細(xì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況，見圖5。3-2位移在此期間監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動(dòng)。3-4水位明顯升高，說明下部土體含水量增加，3-2土壓顯著增大，該段時(shí)間稀土礦山無論是山體內(nèi)部，還是地表均發(fā)生了較大變化。

圖5 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)變化Fig.5 Sensor monitoring data changes

在9月13日，安遠(yuǎn)西坑稀土礦在監(jiān)測3線附近發(fā)生了第2次滑動(dòng)，詳細(xì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況，見圖6。3-2位移、3-2水位和3-2土壓均出現(xiàn)急劇增加，各參數(shù)增速超出經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)閾值，發(fā)出預(yù)警信息。山體滑動(dòng)后，山體內(nèi)部出現(xiàn)裂隙貫通，導(dǎo)致監(jiān)測孔內(nèi)水迅速流失；山體內(nèi)部出現(xiàn)滑動(dòng)，導(dǎo)致山體內(nèi)部土壓力釋放，水位值及土壓力值均急速下降。

圖6 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)變化Fig.6 Sensor monitoring data changes

參照普通山體滑坡預(yù)警劃分等級(jí)，根據(jù)坡體的破壞情況、發(fā)展趨勢(shì)以及影響大小，將稀土礦邊坡滑坡的預(yù)警等級(jí)分為：I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)、Ⅳ級(jí) （正常），并將各預(yù)警等級(jí)進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分等級(jí)設(shè)置為3，5，7，9，預(yù)警等級(jí)越危險(xiǎn)，發(fā)生滑坡的概率越大，評(píng)分越低。各等級(jí)的具體含義及需要采取的應(yīng)急措施，如表1所列。

表1 預(yù)警等級(jí)的含義及措施Table 1 The meaning and measures of warning level

原地溶浸邊坡的預(yù)警閾值，目前尚無公認(rèn)的方法，本文對(duì)各項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)對(duì)應(yīng)于4個(gè)預(yù)警等級(jí)的取值范圍界定主要是結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研、在現(xiàn)場建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析開采初期的監(jiān)測數(shù)據(jù)等綜合確定[9-10]。根據(jù)初期監(jiān)測結(jié)果，可將此數(shù)據(jù)作為預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，安遠(yuǎn)西坑稀土礦的水位增速達(dá)到20~70 cm/d，坡內(nèi)土壓增速2~5 kPa/d或位移增量0~66 mm/d時(shí)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到這一范圍時(shí)，坡面會(huì)出現(xiàn)裂縫，滑坡的可能性大；水位增速達(dá)到70~150 cm/d，坡內(nèi)土壓增速5~12 kPa/d或位移增量大于66 mm/d時(shí)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到這一范圍時(shí)，小范圍土體滑坡，滑坡的可能性非常大，坡體會(huì)有滑坡風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)預(yù)警閾值無法確定其上限值時(shí)，則根據(jù)實(shí)際情況，選取一個(gè)較大的數(shù)值代替，坡面位移增速上限值取100 mm/d，3 h降雨量（為采集值換算為3 h降雨量）上限值取150 mm，注液量上限值取275 m3。該礦滑坡單參數(shù)的預(yù)警等級(jí)，見表2。

表2 安遠(yuǎn)西坑滑坡單參數(shù)的預(yù)警等級(jí)Table 2 Single parameter warning level of Anyuan Xikeng landslide

2 基于熵權(quán)的采場滑坡綜合預(yù)警

2.1 綜合預(yù)警體系的建立

能夠反映滑坡的預(yù)警指標(biāo)，針對(duì)稀土礦邊坡的實(shí)際情況，主要可以從坡體參數(shù)變化和外在干擾2方面進(jìn)行分析，建立的原地浸礦滑坡預(yù)警體系，見圖7?；峦馏w在臨滑前，坡體參數(shù)必然會(huì)由于能量積累，導(dǎo)致坡體內(nèi)部土壓力變化；在坡體表面則會(huì)由于表土運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)微小的位移；坡內(nèi)水位則會(huì)隨著內(nèi)部土體結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)急劇的變化[11]。外在干擾則包括注入的溶浸液與吸附稀土離子的黏土礦物發(fā)生離子交換反應(yīng)，改變土體結(jié)構(gòu)，也會(huì)影響坡體穩(wěn)定性，增加滑坡概率；南方雨水較多，若開采期間遇到大雨，雨水經(jīng)過地表入滲坡體，增加土體含水量，影響坡內(nèi)水位，同樣會(huì)增大滑坡概率。

圖7 原地浸礦滑坡預(yù)警體系Fig.7 Landslide warning system of in-situ leaching

2.2 熵權(quán)的確定

熵權(quán)法被許多學(xué)者用來作為多元綜合評(píng)價(jià)中權(quán)重的確定方法[12]。一般地，決策中某項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)值變異程度越大，信息熵越小，該指標(biāo)提供的信息量越大，該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)越大；若某項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)值變異程度越小，該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)越小[13-15]。

a）根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值矩陣X：

b）各個(gè)預(yù)警指標(biāo)的量綱不同，需對(duì)各個(gè)不同的預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)矩陣。

c）計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下第i個(gè)待評(píng)價(jià)樣本特征值比重。

d）計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵。

e）計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

安遠(yuǎn)西坑稀土礦滑坡監(jiān)測系統(tǒng)在開采期間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)采場坡體表面位移、孔隙水壓力、土壓力等物理量的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，對(duì)滑坡預(yù)警提供支持[16]。根據(jù)安遠(yuǎn)西坑稀土礦遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，選取10組具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表3。

表3 安遠(yuǎn)西坑稀土礦10組監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of ten groups of rare earth mine in Anyuan Xikeng

根據(jù)每個(gè)參數(shù)與預(yù)警等級(jí)之間的關(guān)系，本文所選單參數(shù)指標(biāo)，均為負(fù)向指標(biāo)，實(shí)際數(shù)值越小，評(píng)分越高[17-18]。根據(jù)單參數(shù)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值，確定該指標(biāo)隸屬于某一等級(jí)[19]，該等級(jí)評(píng)分范圍為（a,b）；參數(shù)上下限范圍為（u,v），實(shí)際數(shù)值為x，則該數(shù)值評(píng)分y的計(jì)算公式為：

根據(jù)熵權(quán)法，計(jì)算5個(gè)預(yù)警指標(biāo)的權(quán)重值Wi為（0.117 3，0.223 5，0.239 7，0.205，0.214 5）。令稀土礦滑坡綜合預(yù)警評(píng)分由5個(gè)指標(biāo)的評(píng)分加權(quán)總和計(jì)算，綜合評(píng)分計(jì)算計(jì)算公式：

通過式（8），計(jì)算該組監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合評(píng)分，確定最終綜合預(yù)警等級(jí)[20]，安遠(yuǎn)西坑監(jiān)測預(yù)警結(jié)果，見表4。

表4 各組監(jiān)測數(shù)據(jù)評(píng)分結(jié)果表Table 4 Scoring results of monitoring data of each group

在表3的基礎(chǔ)上，新增5組監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表5。

表5 安遠(yuǎn)西坑稀土礦5組監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 5 Monitoring data of five groups of rare earth mine in Anyuan Xikeng

重新計(jì)算5個(gè)預(yù)警指標(biāo)的權(quán)重值Wi為（0.116 3，0.2335，0.229 7，0.2093，0.211 2）。通過式（8），安遠(yuǎn)西坑監(jiān)測綜合預(yù)警結(jié)果，見表6。

表6 各組監(jiān)測數(shù)據(jù)評(píng)分結(jié)果表Tab le 6 Scoring results of monitoring data of each group

表6（續(xù)） 各組監(jiān)測數(shù)據(jù)評(píng)分結(jié)果表Tab le 6（continued） Scoring results of monitoring data of each group

4 結(jié)束語

本文結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，構(gòu)建滑坡在線監(jiān)測系統(tǒng)采集坡體水位、土壓、坡面位移、礦區(qū)降雨量的參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，記錄每天注液強(qiáng)度。通過分析注液前期各參數(shù)的變化及山體破壞情況，確定了以各參數(shù)的增速作為預(yù)警指標(biāo)及各預(yù)警等級(jí)的指標(biāo)閾值?；陟貦?quán)理論，編寫算法，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化各指標(biāo)權(quán)重，確定每一組數(shù)據(jù)的綜合預(yù)警等級(jí)。通過實(shí)例，驗(yàn)證了2組監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合預(yù)警等級(jí)，表明該預(yù)警方法具有良好的適用性。

1）通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合采場現(xiàn)場實(shí)際情況，明確了單個(gè)預(yù)警指標(biāo)的閾值。安遠(yuǎn)西坑的水位增速達(dá)到20~70 cm/d，坡內(nèi)土壓增速2~5 kPa/d或位移增速0~66 mm/d時(shí)，坡面會(huì)出現(xiàn)裂縫；水位增速達(dá)到70~150 cm/d，坡內(nèi)土壓增速5~12 kPa/d或位移增速大于66 mm/d時(shí)，坡體會(huì)有滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

2）基于熵權(quán)理論，給出了多指標(biāo)綜合評(píng)分的計(jì)算方法，通過實(shí)例，驗(yàn)證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警等級(jí)，與實(shí)際情況相吻合，對(duì)礦山安全生產(chǎn)有重大意義。

3）可將綜合預(yù)警算法集成到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)端，隨著采集數(shù)據(jù)的累積，算法不斷優(yōu)化各指標(biāo)的熵權(quán)，預(yù)警的準(zhǔn)確性會(huì)越來越高。