微震監(jiān)測(cè)和三維激光掃描聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)在山達(dá)克南礦體擴(kuò)幫邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

袁 康，張志軍

(中冶集團(tuán)資源開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100028)

巴基斯坦山達(dá)克南礦體擴(kuò)幫是在已形成348 m(974～626 m)高的最終邊幫中下部(734 m水平)大范圍擴(kuò)幫，擴(kuò)幫后734 m以下邊坡角由原設(shè)計(jì)42°提高到47°～54°，整體邊坡角42°～48°，最大采深度達(dá)到396 m。邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體較為破碎，多條斷層出露于邊坡，受F1斷層影響，采坑西北部地表及950 m安全平臺(tái)已出現(xiàn)多條張開(kāi)型裂縫，為確保深部擴(kuò)幫的安全，開(kāi)展邊坡監(jiān)測(cè)尤其重要。但是傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段單一，大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)面數(shù)據(jù)采集模式，監(jiān)測(cè)結(jié)果不能很好地表現(xiàn)邊坡的整體變化。本文結(jié)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以從巖體變形開(kāi)始，跟蹤監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部從單元巖塊的斷裂到整個(gè)巖體失穩(wěn)的漸進(jìn)性破壞過(guò)程，預(yù)報(bào)具有準(zhǔn)確性和超前性，以及三維激光掃描技術(shù)具有海量數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，采用微震監(jiān)測(cè)和三維激光掃描的聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)山達(dá)克南礦體邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)踐證明該項(xiàng)技術(shù)能夠很好地體現(xiàn)出邊坡變化的整體趨勢(shì)，對(duì)高陡邊坡監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)露天礦深部強(qiáng)化開(kāi)采的高陡邊坡監(jiān)測(cè)有著重要的指導(dǎo)和實(shí)踐意義[1-3]。

1 邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

根據(jù)山達(dá)克南礦體露天邊坡現(xiàn)狀及地質(zhì)構(gòu)造，將微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要布置于西邊坡，將三維激光掃描儀布置在東邊坡，兩者結(jié)合對(duì)西邊坡擴(kuò)幫區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.1 微震監(jiān)測(cè)布置

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為32通道采集系統(tǒng)，由4臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀攜帶20個(gè)傳感器(共6個(gè)三分量、14個(gè)單分量)，分別布置在758 m、806 m、878 m、950 m四個(gè)水平，每臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀為一個(gè)監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)單元通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置傳輸至邊坡監(jiān)測(cè)室，其系統(tǒng)構(gòu)成及布置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Structure diagram of microseismic monitoring system

圖2 預(yù)期精度云圖Fig.2 Nephogram of expected accuracy

1.2 三維激光掃描布置

三維激光掃描系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)置于東邊坡806 m平臺(tái)，如圖2。臺(tái)階中央澆筑60 cm×60 cm×100 cm的混凝土平臺(tái)用于固定掃描儀，現(xiàn)場(chǎng)加設(shè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射端，通過(guò)無(wú)線設(shè)備將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至邊坡監(jiān)測(cè)室。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

2.1 微震系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

微震系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域?yàn)楸毕?2 650～3 674 m)、東向(1 753～3 000 m)、高程(-5～1 050 m)，經(jīng)降噪處理調(diào)試后微震系統(tǒng)背景噪音為 e-5J(即最小可監(jiān)測(cè)到震級(jí)為-3的微震事件)，傳感器觸發(fā)數(shù)目為4個(gè)，24 h不間斷監(jiān)測(cè)。

2.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描顯示區(qū)域?yàn)楸毕?2 350～3 850 m)、東向(1 753～3 200 m)、高程(400～1 200 m)，監(jiān)測(cè)原點(diǎn)設(shè)定為2018年4月5日下午3點(diǎn)15分，掃描時(shí)間間隔為3 h一次。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

本文以2018年9月份(8月28日至9月27日)為例，對(duì)微震系統(tǒng)和三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

3.1 監(jiān)測(cè)統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1)微震監(jiān)測(cè)有效事件統(tǒng)計(jì)

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以接收區(qū)域內(nèi)微小的巖石破裂事件，同時(shí)還包括生產(chǎn)信號(hào)、調(diào)電干擾型號(hào)等，根據(jù)信號(hào)波形及特定的頻率、振幅、能級(jí)等可將巖石破裂有效事件挑選出來(lái)。2018年9月份微震系統(tǒng)共接收事件16 437個(gè)，其中巖石破裂事件56個(gè)，爆破事件8個(gè)，其余事件均為生產(chǎn)事件及干擾事件。通過(guò)對(duì)巖體破裂事件進(jìn)行定位處理，其定位信息如圖3所示。

2)三維激光掃描位移云圖

工程領(lǐng)域的三維模型設(shè)計(jì)軟件有很多種，各有特點(diǎn)，在實(shí)踐中都得到了很好的應(yīng)用。其中，Smart 3D是Intergraph公司出品的工程系列軟件之一，是目前國(guó)內(nèi)外主推的一款工程模型軟件，其內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大，基于服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)模型的實(shí)時(shí)在線修改、存儲(chǔ)和共享。通過(guò)定制三維模型，可以精確建立模型的外形尺寸，完全展現(xiàn)裝置的真實(shí)樣貌。同時(shí)，該軟件支持與Excel和AUTO CAD等文件的數(shù)據(jù)交互，可以基于模型生成需要的圖紙、表單。

圖3 微震監(jiān)測(cè)有效事件定位圖Fig.3 Location diagram of microseismic monitoring effective events

三維激光掃描位移云圖如圖4、圖5所示，點(diǎn)云圖兩側(cè)及上部紅色區(qū)域?yàn)榧す鈷呙杞嵌燃熬嚯x問(wèn)題產(chǎn)生的噪點(diǎn)；734m臺(tái)階及下部臺(tái)階大片紅色區(qū)域?yàn)閿U(kuò)幫區(qū)；734 m臺(tái)階上部邊坡眉線及坡底紅色區(qū)域主要由各臺(tái)階眉線滾石及坡底松散堆積物造成。

3.2 監(jiān)測(cè)統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

1)震級(jí)與能量分析

描述震源能量釋放強(qiáng)度特征的主要參數(shù)有震動(dòng)能量、地震矩、震級(jí)及應(yīng)力降等。有效微震事件震級(jí)分級(jí)見(jiàn)表1，有效微震事件能量分級(jí)見(jiàn)表2。

圖4 8月28日位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of 28thAugust

圖5 9月27日位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of 27th September

震級(jí)分級(jí)事件數(shù)量/個(gè)所占比例/%M≤-11425-1

表2 有效事件能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)表

從表1、表2可以看出，有效微震事件震級(jí)主要分布在-1～0.5區(qū)間，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明-0.50的事件。震動(dòng)能量1E2

2)震級(jí)-頻度分析

根據(jù)震級(jí)-頻度關(guān)系式，也稱古登堡公式或G-R關(guān)系式：

LgN(≥M)=a-bM

式中：M為地震震級(jí)；N(≥M)為震級(jí)大于等于M的地震次數(shù)；a、b為常數(shù)，其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義為：a表征地震活動(dòng)水平，b表征大小地震數(shù)目的比例關(guān)系。b值越小，表征大破裂的比例就越大。強(qiáng)震一般發(fā)生在低b值區(qū)或b值由高向低的轉(zhuǎn)折處。通過(guò)分析本期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出本月a值為0.11，b值為0.78(上月a值為0.43，b值為0.72)，詳見(jiàn)圖6。

上截?cái)嗾鸺?jí)分布公式：最大震級(jí)：-0.20(2018/08/31 06∶14∶54) 次大震級(jí)：-0.45(2018/09/04 04∶53∶22) 第三大震級(jí)：-0.45(2018/09/12 08∶30∶49)開(kāi)始事件時(shí)間：2018/08/28 06∶39∶09 結(jié)束事件時(shí)間：2018/09/26 13∶57∶25 事件總數(shù)：56圖6 微震事件數(shù)-震級(jí)分布圖Fig.6 Distribution graph of microquake events and earthquake magnitude

通過(guò)震級(jí)-頻度關(guān)系式可以看出，本月表征地震活動(dòng)水平的a值較上月減小，說(shuō)明本月拾取的有效微震事件數(shù)減少，即巖石破裂微震活動(dòng)事件的活躍性較上月減弱；表征大小地震數(shù)目的比例關(guān)系的b值比上月大，說(shuō)明震級(jí)較高的微震事件在所有有效事件中所占比例較上月減小。

3)邊坡位移分析

在邊坡變形監(jiān)測(cè)中，邊坡位移量和位移曲線形態(tài)是滑坡預(yù)測(cè)的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，位移曲線為判斷滑坡進(jìn)入臨滑階段最直接、有效的依據(jù)[4]。本月位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖7，重點(diǎn)區(qū)域平均位移見(jiàn)表3。

表3 各監(jiān)測(cè)區(qū)域平均位移量

圖7 三維激光掃描邊坡位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 3D laser scanning slope displacement monitoring curves

從本月位移曲線可以看出，邊坡各區(qū)域位移整體平穩(wěn)，形變量均小于5 mm，9月13日至9月14日風(fēng)沙塵天氣，位移數(shù)據(jù)有較大突變，將其剔除。各區(qū)域相對(duì)于2018年4月5日底圖平均累計(jì)位移最大8.9 mm，邊坡整體上處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

4)邊坡開(kāi)挖后位移變化分析

從微震監(jiān)測(cè)有效事件定位圖3看出，本月巖石破裂事件主要發(fā)生在采坑西北部擴(kuò)幫作業(yè)區(qū)域，8月28日位移云圖圖4顯示，擴(kuò)幫作業(yè)區(qū)上方出現(xiàn)一淺紅色區(qū)域，9月27日位移云圖圖5中區(qū)域7有進(jìn)一步加深的跡象，相對(duì)于2018年4月5日底圖最大位移達(dá)10 mm，這可能是邊坡開(kāi)挖破壞了原有的平衡，促使應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生新的變形以適應(yīng)開(kāi)挖后的邊坡應(yīng)力環(huán)境，也可能是邊坡失穩(wěn)的前兆[5]，后期監(jiān)測(cè)中應(yīng)密切關(guān)注該區(qū)域的微震事件和位移變化。

5)爆破振動(dòng)作用下邊坡位移變化分析

邊坡在爆破振動(dòng)影響下，巖體會(huì)產(chǎn)生一定程度損傷。因此，分析邊坡各區(qū)域在爆破振動(dòng)作用下的位移規(guī)律，對(duì)了解露天邊坡整體穩(wěn)定性情況具有指導(dǎo)意義。本月邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共接收到8次爆破事件，爆破時(shí)間、藥量、位置及震級(jí)見(jiàn)表4。

根據(jù)三維激光掃描系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的位移數(shù)據(jù)，各次爆破前后重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域位移變化見(jiàn)表5。

表4 爆破事件統(tǒng)計(jì)表

表5 爆破前后位移變化表

注：9月13日由于風(fēng)沙天氣的影響爆破位移變化未統(tǒng)計(jì)。

從表4、表5可以看出，8月31日、9月4日和9月20日爆破震級(jí)較大，各區(qū)域位移變化也相應(yīng)較大，從整體爆破前后位移變化看，未出現(xiàn)某一區(qū)域位移連續(xù)下降或上升，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)也顯示微震事件未在爆破之后持續(xù)出現(xiàn)。

4 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段相比，微震監(jiān)測(cè)和三維激光掃描聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)能監(jiān)測(cè)到巖體從變形到單元巖塊的斷裂到整個(gè)巖體失穩(wěn)的漸進(jìn)性破壞過(guò)程，預(yù)報(bào)具有準(zhǔn)確性和超前性，并可實(shí)現(xiàn)全天24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2)微震事件的大量聚集是巖體破碎、坡體松弛，甚至是局部巖塊失穩(wěn)滑移的前兆，因此對(duì)于微震事件密集區(qū)域附近的施工，應(yīng)引起一定程度的重視。爆破振動(dòng)對(duì)邊坡局部巖體的穩(wěn)定性影響不可忽略，尤其是大藥量爆破，不僅會(huì)削弱坡腳支撐力，而且會(huì)破碎邊坡巖體，造成坡體松弛。因此，施工開(kāi)挖應(yīng)少藥量多爆次，盡量減小爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的擾動(dòng)。

3)邊坡開(kāi)挖破壞了原有的平衡，促使應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生新的變形以適應(yīng)開(kāi)挖后的邊坡應(yīng)力環(huán)境，也有可能使邊坡巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞而失穩(wěn)。因此應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)挖后的微震和位移監(jiān)測(cè)，以期判明邊坡開(kāi)挖后的穩(wěn)定性情況。