基于綜合物探的露天礦高邊坡滑坡風險評估

趙自豪 吳 兵 任玉輝,2

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083；2.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010)

基于綜合物探的露天礦高邊坡滑坡風險評估

趙自豪1，2吳 兵1任玉輝1,2

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083；2.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010)

露天礦巖石質高邊坡滑坡對露天礦的安全生產帶來巨大威脅，并嚴重影響礦山經濟效益。對于已經發生滑坡的礦山，為了避免類似事故發生，應對全礦進行滑坡危險性評估。研究了白云鄂博主東礦C區滑體滑坡機理，對主東礦所有未滑坡也未加固的區域進行了以地震法、地質雷達法和高密度電法為主的綜合物探。在綜合物探結果基礎上，選定含水率、斷層組合模式等5個影響邊坡穩定性的指標。對這5個因素通過兩兩比較構建了判斷矩陣，通過對判斷矩陣進行變換，獲取了這些因素的權重矩陣。根據經驗和參數敏感性分析，對這些指標設定危險性大、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，構造灰色模糊矩陣和權重矩陣，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備的損壞和人員的傷亡，由于滑坡體的存在，導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億元，每年投入的邊坡治理費用達數千萬元。因此，對未滑坡也未進行加固的區域開展地質勘探，進行滑坡危險性評估，在此基礎上通過加固等手段防患于未然，具有十分重要的意義。

傳統的勘探以地質調查和鉆探為主，普通地質調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目少而導致結果偏差大的問題。以地震法、地質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域進行工程物探的基礎上，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的過程中，由于受爆破技術的限制，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，坡面長期暴露風化，并受爆破震動影響，導致表面裂隙發育，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，也不適合進行地質雷達垂吊坡面勘探。經綜合考慮礦山地形和實際工程需要，本研究采用了地震法、地質雷達法和高密度電法為主的綜合物探法，其西側平臺測線布置如圖1所示。

圖1 西側各平臺測線布置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備，并且由于生產需要，礦坑內有高壓電線分布，因此存在嚴重的噪音干擾。為了有利于數據采集和后期資料處理，需要事先調查清楚干擾源和背景噪音的特性。本研究利用了中國礦業大學(北京)研發的MMS-1型多波多分量地震儀進行了噪聲和干擾源的調查，經分析，噪聲和干擾源特征如下：本研究區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，低頻規則干擾強，其頻率一般在10～50 Hz之間。

利用重慶地質儀器廠研發的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，12次覆蓋。激發方式采用30磅大錘，采用20 cm×30 cm×2 cm規格的鋼板作墊。由于干擾波和背景噪聲的影響，經過數據處理和資料解釋后發現，20 m以內的資料質量不佳，20 m以下獲得了良好的勘探效果。通過原始地質資料比對發現，新探出了32處地質構造，驗證了23處地質構造，由于干擾和方法的局限性，有6處地質構造未探出。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于高密度電法斷面11處的滑坡隱患區。

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

1.2 地質雷達法

采用了中國礦業大學(北京)研發的ZTR12礦用本安型地質雷達系統沿測線進行了探測。探測前，進行了測量時窗和采樣點數實驗，發現在2 048采樣點、100 ms和300 ms采樣時窗時，獲得的地質雷達圖像最好。因此利用這2個參數組合分別進行了探測，經研究發現，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化分布情況。在所有測線上均發現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平臺裂隙帶發育嚴重，破碎帶數目多，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處所對應的地質雷達解釋圖。

圖3 地質雷達解釋圖Fig.3 Geological radar interpretation

1.3 高密度電法

由于勘探區域為曲線，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。勘探時采用了重慶地質儀器廠研發的DUK-2B高密度電法儀，在C區滑體上部進行了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。經對數據的反演和去噪處理，發現了4處區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關系，具有很高的順層巖石滑坡的風險。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區滑體的滑坡機理

自2000年開始出現滑坡跡象，到2006年開始進行削坡治理期間，C區先后發生了4次滑坡，出現1到4號4個滑體。經對滑體的現場勘探分析發現，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和另外一側的煌斑巖脈。從在C區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，所在區域巖石破碎帶發育，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，不斷發生坍塌變形，最終導致滑坡發生[2]。

3 邊坡穩定性評估

邊坡危險性的大小及與各影響因素之間的對應關系屬于模糊理論范疇，而物探由于具有多解性，其結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)

由于本次評估區域為巖石質邊坡，而巖石質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，深部巖體的構造發育程度，表層巖石裂隙發育和破碎帶分布，階段坡坡度。確定危險因素集為

滑坡失穩風險分為小、中、大3級。對應的評語集為

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定性影響要素敏感性分析，在分析結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經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，它反應的是由于技術因素的限制，該結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所對應的118 m區域根據地質雷達、高密度電法和地震法所獲取的地質資料和現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各因素的權重矩陣：

(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)

計算所對應的范數：

{0.54,0.828 7,1.032 5}.

(5)

因此，根據評判規則，該段發生失穩的危險性大。依據同樣的規則，可以對白云鄂博主礦東礦的其他段進行危險性評估。

4 結 論

利用了地質雷達、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，通過優化測定參數，改進數據處理工藝，獲得了能夠反應地下水、破碎帶、斷層組合結構等參數的地質資料。在此基礎上，選定階段坡坡度、含水性等參數，利用灰色模糊綜合評判方法，以高密度電法斷面11所在區域為例，進行了評判，判定該區域失穩危險性大。通過本文的研究，將綜合物探與灰色綜合模糊評判聯系起來，為邊坡失穩評估找到一種具有一定可行性的方法。

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(責任編輯 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