巖質(zhì)邊坡微震監(jiān)測方案優(yōu)化設(shè)計及隱伏危險區(qū)域辨識

張文革 王加闖 董隴軍 龔甦文 羅才嚴(yán) 郝晨良 曹 恒 閆先航

(1.陜西鳳縣四方金礦有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721000;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體,受地下空間開發(fā)、礦產(chǎn)資源開采等活動產(chǎn)生的誘發(fā)地震等因素影響,受重力作用,沿著一定的軟弱面,整體或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象[1]。通常,滑坡災(zāi)害規(guī)模大、破壞能力強(qiáng),嚴(yán)重威脅著人員生命財產(chǎn)安全[2-3]。邊坡作為礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中重要的基礎(chǔ)設(shè)施,通常伴有高勢能的特點,且存在著重大環(huán)境污染和滑坡風(fēng)險隱患,滑坡災(zāi)害已成為影響區(qū)域社會與環(huán)境和諧穩(wěn)定的重要因素。地聲監(jiān)測技術(shù)作為一種常用的工程無損檢測技術(shù),可以通過捕捉監(jiān)測范圍內(nèi)的巖體破裂信號推斷礦體中的應(yīng)力分布[4],并進(jìn)一步判斷潛在失穩(wěn)區(qū)域,為滑坡災(zāi)害預(yù)警和防控提供指導(dǎo)。

工程實踐表明[5],復(fù)雜的地質(zhì)條件及工程因素,決定了分析評價邊坡穩(wěn)定性需運用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù),如此可便于從機(jī)理角度合理闡述監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢,進(jìn)而開展危險區(qū)域災(zāi)害風(fēng)險超前預(yù)警。目前,邊坡體采用的監(jiān)測方法主要包括變形場監(jiān)測[6-7]、地應(yīng)力監(jiān)測[8]、雷達(dá)監(jiān)測[9]等。監(jiān)測技術(shù)對土質(zhì)或軟巖等具有較大位移的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測比較有效,但對于高陡巖質(zhì)邊坡,由于宏觀狀態(tài)下邊坡體的破壞變形較小,且位移變化狀態(tài)不明顯,在這種情況下當(dāng)邊坡表面有明顯的變形時,坡體內(nèi)部可能已經(jīng)產(chǎn)生了較大的破壞,此時進(jìn)行的監(jiān)測已滯后于邊坡破壞的前兆信息[10]。地聲監(jiān)測技術(shù)可以實時采集巖體內(nèi)部裂紋萌生、發(fā)育、貫通時釋放的地震波信息,通過信號辨識、震源定位及其破壞機(jī)制反演等手段獲取豐富的震源信息,并可對邊坡體監(jiān)測區(qū)域內(nèi)可能存在的危險區(qū)域進(jìn)行維護(hù)和預(yù)警[11-13]。因此,地聲監(jiān)測技術(shù)已成為深部資源開采中有效的監(jiān)測手段之一[14-15]。地聲波形信號是礦山地壓監(jiān)測中所獲取的最基本數(shù)據(jù),也是礦山采掘活動最為直觀的體現(xiàn),任何與之相關(guān)的地震學(xué)參數(shù)以及后續(xù)的演化規(guī)律分析,都是依據(jù)地聲波形信號而來,因此地聲波的信號分析對于礦山安全監(jiān)測極為重要。但在實際生產(chǎn)過程中,受地質(zhì)地形、采礦工藝等方面的影響,傳感器布設(shè)要考慮多方面的因素進(jìn)而提升監(jiān)測效果和監(jiān)測精度。

高陡邊坡由于其內(nèi)部成分復(fù)雜且不均勻造成的各向異性的特點使得學(xué)者們很難了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu),這給內(nèi)部災(zāi)源位置精細(xì)定位、異常結(jié)構(gòu)剖析帶來了難度。地震層析成像技術(shù)以其分辨率高的特點而被應(yīng)用于精細(xì)構(gòu)造和目標(biāo)探測。現(xiàn)階段,該項技術(shù)在地球物理等多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外已有部分學(xué)者對成像技術(shù)展開了研究。如利用鉆孔成像設(shè)備與軟件用于隧道圍巖裂隙分析[16],還可利用三維成像技術(shù)分析微震事件、大地震事件,探索采礦活動對地下結(jié)構(gòu)的影響情況[17-22]。從諸多領(lǐng)域的成像研究現(xiàn)狀可知,利用主動震源時域特征具有可調(diào)可控的優(yōu)勢,在對高陡坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析時,可通過建立主被動震源優(yōu)化波速場的數(shù)理方程,優(yōu)化成像模型從而提高成像精度。由此可見,該技術(shù)在圈定礦山及邊坡巖體內(nèi)部異常區(qū)域、分析內(nèi)部異常結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警等方面具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

礦山邊坡監(jiān)測有助于及時發(fā)現(xiàn)坡體存在的明顯風(fēng)險并進(jìn)行控制,是了解礦山邊坡全生命周期狀態(tài)、開展災(zāi)害應(yīng)急防控的重要手段。但現(xiàn)階段,對于邊坡體風(fēng)險監(jiān)測多集中于使用相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行位移、浸潤線、水位等單一要素的監(jiān)測,通過這種監(jiān)測手段獲得的結(jié)果由于設(shè)備誤差大、判斷標(biāo)準(zhǔn)不一而準(zhǔn)確度不高,導(dǎo)致邊坡體災(zāi)害預(yù)防存在一定的滯后性和被動性。另外,盡管目前邊坡體的聯(lián)合關(guān)鍵技術(shù)在應(yīng)急管理領(lǐng)域中得到了廣泛重視,但由于起步較晚,其在邊坡體災(zāi)害防控中的研究與應(yīng)用仍然較為薄弱。本研究以陜西省四方金礦為例,結(jié)合該礦地質(zhì)條件和地壓活動規(guī)律,從治理礦山地表環(huán)形邊坡、解決安全綠色采礦的關(guān)鍵問題角度出發(fā),針對礦山生產(chǎn)特點,從經(jīng)濟(jì)性角度設(shè)計滿足礦山監(jiān)測要求的地壓系統(tǒng)監(jiān)測方案。同時,為進(jìn)一步辨識礦山邊坡體的薄弱異常區(qū)域,確定區(qū)域穩(wěn)定性情況,采用主被動成像方法對礦山邊坡體內(nèi)部波速場進(jìn)行分析,進(jìn)而實現(xiàn)內(nèi)部隱伏空洞異常區(qū)域的超前辨識及監(jiān)測效果分析。

1 礦山地壓系統(tǒng)監(jiān)測方案優(yōu)化設(shè)計

假設(shè)在一座礦山內(nèi),以潛在地壓活動相對較高的區(qū)域作為監(jiān)測對象,地聲傳感器以一定方式環(huán)繞該區(qū)域布設(shè),對于給定的傳感器數(shù)來說,震源誤差最小且靈敏度最高。但是,采礦工程地壓監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計總會面臨一些無法避免的約束因素:① 地壓監(jiān)測區(qū)域是否具備用于監(jiān)測系統(tǒng)安裝的環(huán)境。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的巷道、斜井、溜井等是安裝監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的通路,但是大部分巷道、斜井、溜井在系統(tǒng)安裝時都是出于生產(chǎn)實際需要處于施工完畢階段,即不可更改的,而以地壓監(jiān)測為目的進(jìn)行大量巷道開挖是難以實現(xiàn)的。因此,通常情況下只能選擇在已完成開挖的巷道、斜井、溜井內(nèi)布設(shè)地壓監(jiān)測傳感器。這些已有硐室的空間分布形態(tài)和相對空間位置對傳感器的空間布設(shè)形狀及其與監(jiān)測對象的關(guān)系呈現(xiàn)不同特征。② 地壓監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)性能。包括傳感器的靈敏度和響應(yīng)頻率、通信系統(tǒng)性能等,不同的地壓監(jiān)測系統(tǒng)可能受到其技術(shù)性能約束需要采用不同類型和不同數(shù)量的硬件設(shè)備。③ 項目經(jīng)費開支。

1.1 工程概況

四方金礦屬八卦廟礦床,位于鳳縣縣城正東直距36 km 處,礦體厚度為3～80 m,主要賦存標(biāo)高為1 300～890 m,目前1 340 m 中段基本開采結(jié)束,主要生產(chǎn)中段在1 290、1 240、1 190、1 140 m 水平。地表環(huán)形邊坡南高北低,南北長約460 m,東西長約324 m。地表構(gòu)筑物西風(fēng)井、東風(fēng)井及充填站受地表環(huán)形邊坡影響,礦山先后對高陡坡進(jìn)行了卓有成效的治理,但是隨著開采向地下深部繼續(xù)延伸,巖石移動區(qū)有向周圍擴(kuò)展的趨勢,且下一步礦山開采向充填法轉(zhuǎn)變,過渡期間,礦山部分高品質(zhì)資源采區(qū)將作為保安礦柱用于減緩移動帶擴(kuò)張。為提高資源回收率,有效治理地表環(huán)形邊坡,解決安全綠色采礦的關(guān)鍵問題,亟須開展礦山及邊坡體的地聲監(jiān)測進(jìn)而解決深地資源開采中的監(jiān)控防災(zāi)難題。

1.2 礦山地壓系統(tǒng)監(jiān)測方案優(yōu)化分析與設(shè)計

理論上,無論傳感器采取什么樣的布置方式,只要數(shù)量足夠多,都可以滿足地壓監(jiān)測精度和靈敏度的要求。同時需要明確的是,傳感器數(shù)量的簡單增加并不總是能夠直接提高監(jiān)測精度,這通常與傳感器的質(zhì)量有一定的關(guān)系。一個高質(zhì)量、高精度的傳感器在一定程度上可以提升監(jiān)測結(jié)果,但同時增加傳感器數(shù)量可能會引入更大的計算誤差。因此,傳感器布置時,需要考慮以下幾個方面的因素。① 礦山目前開采巷道的布置形式,例如,如果巷道距離傳感器太遠(yuǎn),傳感器就會失去對巷道周邊地壓環(huán)境的監(jiān)測能力;反之,傳感器過于接近巷道,由于受到打孔注漿作業(yè)影響,也會影響巷道自身穩(wěn)定性。② 巷道形式和尺寸,如果巷道過于彎曲或細(xì)長,則傳感器的布置難度和監(jiān)測準(zhǔn)確性也會受到影響。③ 地壓活動的主要區(qū)域,需要明確地壓活動或災(zāi)害發(fā)生頻繁的區(qū)域,或者地壓活動會受外部生產(chǎn)條件影響的區(qū)域,該類區(qū)域需要重點布置傳感器,一些生產(chǎn)工程偏少的區(qū)域則可以少布置傳感器。④ 地下基礎(chǔ)設(shè)施的布置形式以及已有礦山通信網(wǎng)絡(luò)銜接情況。由于地壓監(jiān)測需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,因此網(wǎng)絡(luò)通信難易程度極為重要,這可能會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實時性。另外,監(jiān)測系統(tǒng)傳感器站網(wǎng)布置應(yīng)充分考慮礦區(qū)工程地質(zhì)特征、現(xiàn)有工程條件、擬采用監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)性能和投資大小,確保足夠的三維定位精度和靈敏度。

根據(jù)前期地質(zhì)條件調(diào)查可知,四方金礦地壓監(jiān)測的重點范圍是地表,同時兼顧1 340 m 中段以下作業(yè)面和1 190 m 中段以上山體。因此擬構(gòu)建的地壓監(jiān)測系統(tǒng)地聲采用62 通道,包含38 支地聲傳感器和24 支動態(tài)力傳感器。系統(tǒng)可以分16 個子系統(tǒng)(10 個地聲采集儀+6 個動態(tài)力采集儀),分別針對各中段的地壓活動分布特點進(jìn)行布置。其中,地聲傳感器可通過實時感知礦山內(nèi)部的地震和振動信號,監(jiān)測礦山巖層移動、礦震、巖爆等潛在隱患,保障施工安全。動態(tài)力傳感器可監(jiān)測礦井內(nèi)部和礦山施工現(xiàn)場的力學(xué)變化,進(jìn)一步預(yù)警可能發(fā)生的危險和破壞。由于四方金礦重點監(jiān)測范圍內(nèi)主要包括采空區(qū)、斷層、地表環(huán)形坡、坡體松動區(qū)以及深部應(yīng)力集中區(qū)域,特別是西風(fēng)井和東風(fēng)井所在的地表環(huán)形坡附近出現(xiàn)裂隙,新建充填站臨近高陡環(huán)形坡區(qū)域,因此環(huán)形坡監(jiān)測點設(shè)置極為重要。本研究根據(jù)重點監(jiān)測區(qū)域的不同提出以下布點方案,環(huán)形坡最高點D-S1(傳感器編號)不同高度(1 390、1 410、1 430 m)的監(jiān)測方案定位絕對誤差如圖1所示。

圖1 D-S1 點不同高度的監(jiān)測方案定位誤差Fig.1 Positioning errors of monitoring schemes at different heights of D-S1 point

由圖1 可知:地表和井下分層共5 個部分,在理想化條件下,D-S1 點設(shè)置為不同的標(biāo)高時,定位誤差差距不明顯,且誤差分布相近。在進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計時,最頂部的點在1 390～1 430 m 高度范圍選擇任意位置,定位絕對誤差不大。由于環(huán)形坡形成原因復(fù)雜,且海拔較高,上部分巖石垮塌嚴(yán)重(圖2),因此,從安全性及施工難易程度角度分析,D-S1 點宜設(shè)置在1 390 m 水平。

圖2 D-S1 點周邊環(huán)境狀況(1 390～1 370 m 標(biāo)高)Fig.2 Environmental conditions around D-S1 point(1 390～1 370 m elevation)

2 礦山隱伏危險區(qū)域辨識

2.1 礦山邊坡體臺網(wǎng)布置

根據(jù)礦山邊坡坡度和臺網(wǎng)監(jiān)測范圍,選取監(jiān)測剖面(圖3(a)),并結(jié)合監(jiān)測剖面與臺網(wǎng)分布,預(yù)設(shè)礦山邊坡危險區(qū)域(圖3(b)),地表邊坡監(jiān)測傳感器分布、邊坡剖面投影結(jié)果分別如圖3(c)和圖3(d)所示。

圖3 邊坡體傳感器布置及投影Fig.3 Sensors layout and projection of slope

2.2 基于監(jiān)測震源的礦山邊坡區(qū)域相對波速場成像分析

通過在監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行巖體取樣,調(diào)查分析采樣點附近的巖石完整度等特征,進(jìn)而開展巖石力學(xué)參數(shù)測定及各類聲學(xué)測試試驗。監(jiān)測剖面內(nèi)的危險區(qū)域原始數(shù)值模型及射線追蹤結(jié)果分別如圖4 和圖5所示,以低速和高速異常區(qū)域分別代表潛在空洞和應(yīng)力聚集區(qū)等危險區(qū)域。由圖4(b)和圖5(b)可知:由于危險區(qū)域內(nèi)部波速與礦山邊坡巖體本身波速的差異,其射線路徑發(fā)生了相應(yīng)的繞射和折現(xiàn)現(xiàn)象,而不同于圖6(a)中巖體背景波速的射線路徑,這也導(dǎo)致存在異常區(qū)域時礦山邊坡監(jiān)測臺網(wǎng)所監(jiān)測的信號到時的差異。

圖4 邊坡監(jiān)測剖面低速危險區(qū)域真實模型與射線追蹤圖Fig.4 Real model for low-speed hazard area in the slope monitoring profile and ray tracing diagram

圖5 邊坡體監(jiān)測剖面高速危險區(qū)域真實模型與射線追蹤圖Fig.5 Real model for high-speed hazard area in the slope monitoring profile and ray tracing diagram

圖6 邊坡監(jiān)測剖面低速危險區(qū)域成像結(jié)果Fig.6 Imaging results of the low-speed hazard area in the slope monitoring profile

礦山邊坡體監(jiān)測剖面低速危險區(qū)域的成像結(jié)果如圖6(b)至圖6(f)所示。分析可知:隨著迭代次數(shù)增加,逐漸從礦山邊坡背景速度模型圖6(a)中辨識出低速危險區(qū)域,當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到20 時,低速危險區(qū)域的分布已足夠進(jìn)行分辨,并且成像結(jié)果的射線可以看到其低速危險區(qū)域邊界附近的繞射現(xiàn)象十分明顯。礦山邊坡體監(jiān)測剖面高速危險區(qū)域的成像結(jié)果如圖7所示。由圖7 可知:當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到20 時,也足以對其中的高速危險區(qū)域進(jìn)行辨識。辨識結(jié)果表明:基于當(dāng)前的臺網(wǎng)布置方案,可滿足對于礦山邊坡監(jiān)測剖面內(nèi)部危險區(qū)域的辨識需求。

圖7 邊坡監(jiān)測剖面高速危險區(qū)域成像結(jié)果Fig.7 Imaging results of the high-speed hazard area in the slope monitoring profile

3 結(jié)論

針對四方金礦高陡坡采區(qū)的地壓凸顯問題,本研究從經(jīng)濟(jì)性角度設(shè)計與優(yōu)化了滿足礦山監(jiān)測要求的地壓系統(tǒng)監(jiān)測方案。同時,為進(jìn)一步辨識礦山邊坡體的薄弱異常區(qū)域,確定邊坡的區(qū)域穩(wěn)定性情況,采用主被動成像技術(shù)對礦山邊坡體內(nèi)部波速場進(jìn)行了分析,以探明環(huán)形坡附近巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)。所得結(jié)論如下:

(1)在理想化條件下,礦山高陡坡的最高監(jiān)測點設(shè)置不同標(biāo)高時(本研究標(biāo)高為1 390、1 410、1 430 m),定位誤差差距不明顯,但由于環(huán)形坡形成原因復(fù)雜,從安全性及施工難易程度角度分析,將最高點設(shè)置在1 390 m 中段即可滿足對于礦山邊坡監(jiān)測剖面內(nèi)部危險區(qū)域的辨識需求。

(2)基于監(jiān)測區(qū)域和臺網(wǎng)分布并結(jié)合波速場成像技術(shù),本研究建立了邊坡體低速區(qū)域和高速區(qū)域的波速場成像模型。從監(jiān)測剖面的低速危險區(qū)域成像結(jié)果可知,隨著迭代次數(shù)增加,礦山邊坡背景速度模型低速危險區(qū)域的分布已足夠進(jìn)行分辨,低速危險區(qū)域邊界附近的繞射現(xiàn)象十分明顯。對于監(jiān)測剖面高速危險區(qū)域成像結(jié)果,當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到20 時,也足以對其中的高速危險區(qū)域進(jìn)行辨識。因此,針對礦山高陡坡采區(qū)的隱伏危險區(qū)域辨識方案設(shè)計是合理可行的。