巖質邊坡微震監測方案優化設計及隱伏危險區域辨識

張文革 王加闖 董隴軍 龔甦文 羅才嚴 郝晨良 曹 恒 閆先航

(1.陜西鳳縣四方金礦有限責任公司,陜西 寶雞 721000;2.中南大學資源與安全工程學院,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、礦產資源開采等活動產生的誘發地震等因素影響,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象[1]。通常,滑坡災害規模大、破壞能力強,嚴重威脅著人員生命財產安全[2-3]。邊坡作為礦產資源開發過程中重要的基礎設施,通常伴有高勢能的特點,且存在著重大環境污染和滑坡風險隱患,滑坡災害已成為影響區域社會與環境和諧穩定的重要因素。地聲監測技術作為一種常用的工程無損檢測技術,可以通過捕捉監測范圍內的巖體破裂信號推斷礦體中的應力分布[4],并進一步判斷潛在失穩區域,為滑坡災害預警和防控提供指導。

工程實踐表明[5],復雜的地質條件及工程因素,決定了分析評價邊坡穩定性需運用先進的監測技術,如此可便于從機理角度合理闡述監測結果的變化趨勢,進而開展危險區域災害風險超前預警。目前,邊坡體采用的監測方法主要包括變形場監測[6-7]、地應力監測[8]、雷達監測[9]等。監測技術對土質或軟巖等具有較大位移的邊坡穩定性監測比較有效,但對于高陡巖質邊坡,由于宏觀狀態下邊坡體的破壞變形較小,且位移變化狀態不明顯,在這種情況下當邊坡表面有明顯的變形時,坡體內部可能已經產生了較大的破壞,此時進行的監測已滯后于邊坡破壞的前兆信息[10]。地聲監測技術可以實時采集巖體內部裂紋萌生、發育、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制反演等手段獲取豐富的震源信息,并可對邊坡體監測區域內可能存在的危險區域進行維護和預警[11-13]。因此,地聲監測技術已成為深部資源開采中有效的監測手段之一[14-15]。地聲波形信號是礦山地壓監測中所獲取的最基本數據,也是礦山采掘活動最為直觀的體現,任何與之相關的地震學參數以及后續的演化規律分析,都是依據地聲波形信號而來,因此地聲波的信號分析對于礦山安全監測極為重要。但在實際生產過程中,受地質地形、采礦工藝等方面的影響,傳感器布設要考慮多方面的因素進而提升監測效果和監測精度。

高陡邊坡由于其內部成分復雜且不均勻造成的各向異性的特點使得學者們很難了解其內部結構,這給內部災源位置精細定位、異常結構剖析帶來了難度。地震層析成像技術以其分辨率高的特點而被應用于精細構造和目標探測。現階段,該項技術在地球物理等多個領域中得到了廣泛應用,國內外已有部分學者對成像技術展開了研究。如利用鉆孔成像設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分析微震事件、大地震事件,探索采礦活動對地下結構的影響情況[17-22]。從諸多領域的成像研究現狀可知,利用主動震源時域特征具有可調可控的優勢,在對高陡坡內部結構特征進行分析時,可通過建立主被動震源優化波速場的數理方程,優化成像模型從而提高成像精度。由此可見,該技術在圈定礦山及邊坡巖體內部異常區域、分析內部異常結構、實現災害風險預警等方面具有重要的應用價值和廣闊的發展前景。

礦山邊坡監測有助于及時發現坡體存在的明顯風險并進行控制,是了解礦山邊坡全生命周期狀態、開展災害應急防控的重要手段。但現階段,對于邊坡體風險監測多集中于使用相關儀器設備進行位移、浸潤線、水位等單一要素的監測,通過這種監測手段獲得的結果由于設備誤差大、判斷標準不一而準確度不高,導致邊坡體災害預防存在一定的滯后性和被動性。另外,盡管目前邊坡體的聯合關鍵技術在應急管理領域中得到了廣泛重視,但由于起步較晚,其在邊坡體災害防控中的研究與應用仍然較為薄弱。本研究以陜西省四方金礦為例,結合該礦地質條件和地壓活動規律,從治理礦山地表環形邊坡、解決安全綠色采礦的關鍵問題角度出發,針對礦山生產特點,從經濟性角度設計滿足礦山監測要求的地壓系統監測方案。同時,為進一步辨識礦山邊坡體的薄弱異常區域,確定區域穩定性情況,采用主被動成像方法對礦山邊坡體內部波速場進行分析,進而實現內部隱伏空洞異常區域的超前辨識及監測效果分析。

1 礦山地壓系統監測方案優化設計

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

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,主要賦存標高為1 300～890 m,目前1 340 m 中段基本開采結束,主要生產中段在1 290、1 240、1 190、1 140 m 水平。地表環形邊坡南高北低,南北長約460 m,東西長約324 m。地表構筑物西風井、東風井及充填站受地表環形邊坡影響,礦山先后對高陡坡進行了卓有成效的治理,但是隨著開采向地下深部繼續延伸,巖石移動區有向周圍擴展的趨勢,且下一步礦山開采向充填法轉變,過渡期間,礦山部分高品質資源采區將作為保安礦柱用于減緩移動帶擴張。為提高資源回收率,有效治理地表環形邊坡,解決安全綠色采礦的關鍵問題,亟須開展礦山及邊坡體的地聲監測進而解決深地資源開采中的監控防災難題。

1.2 礦山地壓系統監測方案優化分析與設計

理論上,無論傳感器采取什么樣的布置方式,只要數量足夠多,都可以滿足地壓監測精度和靈敏度的要求。同時需要明確的是,傳感器數量的簡單增加并不總是能夠直接提高監測精度,這通常與傳感器的質量有一定的關系。一個高質量、高精度的傳感器在一定程度上可以提升監測結果,但同時增加傳感器數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,傳感器就會失去對巷道周邊地壓環境的監測能力;反之,傳感器過于接近巷道,由于受到打孔注漿作業影響,也會影響巷道自身穩定性。② 巷道形式和尺寸,如果巷道過于彎曲或細長,則傳感器的布置難度和監測準確性也會受到影響。③ 地壓活動的主要區域,需要明確地壓活動或災害發生頻繁的區域,或者地壓活動會受外部生產條件影響的區域,該類區域需要重點布置傳感器,一些生產工程偏少的區域則可以少布置傳感器。④ 地下基礎設施的布置形式以及已有礦山通信網絡銜接情況。由于地壓監測需要進行網絡數據傳輸,因此網絡通信難易程度極為重要,這可能會影響數據傳輸的穩定性和實時性。另外,監測系統傳感器站網布置應充分考慮礦區工程地質特征、現有工程條件、擬采用監測系統技術性能和投資大小,確保足夠的三維定位精度和靈敏度。

根據前期地質條件調查可知,四方金礦地壓監測的重點范圍是地表,同時兼顧1 340 m 中段以下作業面和1 190 m 中段以上山體。因此擬構建的地壓監測系統地聲采用62 通道,包含38 支地聲傳感器和24 支動態力傳感器。系統可以分16 個子系統(10 個地聲采集儀+6 個動態力采集儀),分別針對各中段的地壓活動分布特點進行布置。其中,地聲傳感器可通過實時感知礦山內部的地震和振動信號,監測礦山巖層移動、礦震、巖爆等潛在隱患,保障施工安全。動態力傳感器可監測礦井內部和礦山施工現場的力學變化,進一步預警可能發生的危險和破壞。由于四方金礦重點監測范圍內主要包括采空區、斷層、地表環形坡、坡體松動區以及深部應力集中區域,特別是西風井和東風井所在的地表環形坡附近出現裂隙,新建充填站臨近高陡環形坡區域,因此環形坡監測點設置極為重要。本研究根據重點監測區域的不同提出以下布點方案,環形坡最高點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 點設置為不同的標高時,定位誤差差距不明顯,且誤差分布相近。在進行方案優化設計時,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。由于環形坡形成原因復雜,且海拔較高,上部分巖石垮塌嚴重(圖2),因此,從安全性及施工難易程度角度分析,D-S1 點宜設置在1 390 m 水平。

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

2 礦山隱伏危險區域辨識

2.1 礦山邊坡體臺網布置

根據礦山邊坡坡度和臺網監測范圍,選取監測剖面(圖3(a)),并結合監測剖面與臺網分布,預設礦山邊坡危險區域(圖3(b)),地表邊坡監測傳感器分布、邊坡剖面投影結果分別如圖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 基于監測震源的礦山邊坡區域相對波速場成像分析

通過在監測區域進行巖體取樣,調查分析采樣點附近的巖石完整度等特征,進而開展巖石力學參數測定及各類聲學測試試驗。監測剖面內的危險區域原始數值模型及射線追蹤結果分別如圖4 和圖5所示,以低速和高速異常區域分別代表潛在空洞和應力聚集區等危險區域。由圖4(b)和圖5(b)可知:由于危險區域內部波速與礦山邊坡巖體本身波速的差異,其射線路徑發生了相應的繞射和折現現象,而不同于圖6(a)中巖體背景波速的射線路徑,這也導致存在異常區域時礦山邊坡監測臺網所監測的信號到時的差異。

圖4 邊坡監測剖面低速危險區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 邊坡體監測剖面高速危險區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 邊坡監測剖面低速危險區域成像結果Fig.6 Imaging results of the low-speed hazard area in the slope monitoring profile

礦山邊坡體監測剖面低速危險區域的成像結果如圖6(b)至圖6(f)所示。分析可知:隨著迭代次數增加,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域,當迭代次數達到20 時,低速危險區域的分布已足夠進行分辨,并且成像結果的射線可以看到其低速危險區域邊界附近的繞射現象十分明顯。礦山邊坡體監測剖面高速危險區域的成像結果如圖7所示。由圖7 可知:當迭代次數達到20 時,也足以對其中的高速危險區域進行辨識。辨識結果表明:基于當前的臺網布置方案,可滿足對于礦山邊坡監測剖面內部危險區域的辨識需求。

圖7 邊坡監測剖面高速危險區域成像結果Fig.7 Imaging results of the high-speed hazard area in the slope monitoring profile

3 結論

針對四方金礦高陡坡采區的地壓凸顯問題,本研究從經濟性角度設計與優化了滿足礦山監測要求的地壓系統監測方案。同時,為進一步辨識礦山邊坡體的薄弱異常區域,確定邊坡的區域穩定性情況,采用主被動成像技術對礦山邊坡體內部波速場進行了分析,以探明環形坡附近巖體的應力分布狀態。所得結論如下:

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

(2)基于監測區域和臺網分布并結合波速場成像技術,本研究建立了邊坡體低速區域和高速區域的波速場成像模型。從監測剖面的低速危險區域成像結果可知,隨著迭代次數增加,礦山邊坡背景速度模型低速危險區域的分布已足夠進行分辨,低速危險區域邊界附近的繞射現象十分明顯。對于監測剖面高速危險區域成像結果,當迭代次數達到20 時,也足以對其中的高速危險區域進行辨識。因此,針對礦山高陡坡采區的隱伏危險區域辨識方案設計是合理可行的。