地表位移—微震聯合監測在某露天礦邊坡監測的應用

榮 輝 胡文劍 尚立君 禹朝群 高玉倩

（1.河鋼集團礦山設計有限公司；2.河鋼集團礦業有限公司）

大型露天礦山存在著較多安全風險，部分斷層、裂隙等危險因素隨著礦山采掘深度不斷增加對邊坡的影響愈加嚴重。采區邊坡滑坡，對采場工作人員的生命安全，對大型設備等財產安全構成隱患［1］。露天礦山發生邊坡災害，是由于圍巖強度降低、內部出現損傷、爆破振動及降雨潤滑等多種因素共同作用下，使邊坡由健康狀態轉為病態，最后在沒有及時進行維護、修復情況下，發生邊坡災害事故［2］。利用衛星定位監測可以進行靜態位移監測，微震監測信息可以有效地分析巖體內部損傷演化規律［3］。邊坡發生大的形變之前地下地質體也會發生微小破裂或錯動事件，微震事件的監測對于大型滑坡的前期預警和巖石深部破裂波及的潛在地災區域的預警都具有重要意義［4-6］。

研究某鐵礦邊坡賦存情況及已揭露的巖層地質條件發現，東幫礦巖體質地較軟，節理裂隙發育，與邊坡方向一致，且受東幫滲水影響，發生邊坡地質災害事故概率較高，近2 a開展邊坡微震、GNSS系統聯合應用，開展坡表、體內空間協同監測，準確地預判邊坡變形趨勢、范圍和機理，深入開展邊坡災害防治技術研究。

1 微震邊坡內部監測應用研究

露天鐵礦安裝邊坡微震監測設備，在-180～-158 m臺階布置了邊坡錨桿應力計和微震在線監測系統，微震監測系統采用6個單通道傳感器。

1.1 不同區域巖石試樣采集分析

為進一步探究邊坡賦存條件，分別從不同區域進行了巖石試樣采集，進行室內點荷載強度測量試驗及巖石自然安息角測量。根據強度試驗，對邊坡賦存狀態進行綜合評價；通過進行微震及應力監測，探求爆破振動及降水對邊坡穩定性的影響，并進一步得到邊坡災變可能發生的位置。根據試樣采集坐標及試驗結果，利用三維重構技術分別對采場邊坡區域劃分。

在東幫及東北幫區域邊坡自然安息角基本處于55°以下，若按照礦山設計65°坡面角進行靠界，存在坡腳破壞、導致滑坡災害發生的風險。

1.2 巖芯取樣分析

通過取樣巖芯，對圍巖完整性、巖石層理結構進行探究，發現該區域屬于滑坡災害高風險區域，該區域主要以順傾且與邊坡表面斜交片理或層理結構主導的楔體滑坡為主，鉆孔巖芯RQD的數據提取如圖1所示。

通過對巖芯照片識別，挑選出≥10 cm的巖芯塊段，與整體鉆孔長度對比，計算出RQD，然后將多個巖樣的RQD與鉆孔位置整合，生成塊體模型云圖如2所示，進一步為探究邊坡穩定性提供了重要基礎資料。

1.3 應力計數據及微震數據分析

針對邊坡內部監測，主要對微震數據及應力計數據進行研究分析。傳感器布置平面及剖面如圖3所示，布置位置分別在-157 m及-180 m臺階，其中1#、2#、3#微震監測點及1#、2#應力計布置在-180 m臺階，4#、5#、6#微震監測點及3#、4#應力計布置在-157 m臺階。在每組應力計中，共布置4個應力監測點。微震監測點布置位置如圖3所示。

針對一次較大降雨量，對邊坡內部應力數據進行了詳細分析。隨著降雨量增加，邊坡內部應力均出現較大波動。1#、2#應力計監測中，應力基本呈突增變化，表明在降雨過程中，雨量滲透進入邊坡內部，降低了邊坡內摩擦力，使邊坡出現向下滑移跡象，從而導致邊坡滑動力增加。

3#應力存在突增和突降2種變化，且變化幅度較1#、2#組均小，充分考慮邊坡賦存情況，主要由于-157 m安全平臺留存，使得上部邊坡在出現向下滑移時，安全平臺產生阻止作用，因而使得該邊坡的滑移應力變化遠遠小于下部邊坡。

微震監測手段不僅可以采集破壞能量數值，同時利用多點同源數據反演技術，可進一步實現源點定位，是目前探究內部損傷的主要手段之一。微震事件一般日均發生在5次以下，微震事件發生代表著巖石內部或者表面出現破裂，單位時間內發生事件率越高，表明發生邊坡災害可能性越高。針對時間段內的信號，進行定位反演，得到了破裂源點，反演后的三維定位如圖4所示，圓圈內的實心點即為定位源點。

破裂源與破裂面之間的關系如圖5，從圖5可以進一步探究該破裂源點與邊坡坡面之間的關系，絕大多數定位源點都在邊坡表面附近，少數定位點偏離群體，破裂源點主要集中在距離坡面約7 m范圍，表明在該處發生邊坡災害可能性較其他區域高，應重點對該區域位移變化情況進行監測，及時開展邊坡穩定性及邊坡削坡處理、治理加固等措施。

2 地表位移GNSS系統的應用研究

研山鐵礦引進地表位移監測GNSS系統，目前該系統包括5個監測點和2個監測基站。系統采集數據頻率為1 h，利用軟件設置最大變形量警戒值，系統聯網向指定目標發送預警信息。

2.2 邊坡位移數據分析

為方便進行分析，對各個監測點的數據利用截尾均值法進行處理，根據監測點布置位置對數據進行分析如圖6。

-42 m不同監測點處邊坡位移變形量隨著月份變化，顯示邊坡水平方向位移變化量總體上呈增大趨勢，其變形量隨著月份的推移逐漸增加，最大變形量尚未達到30 mm，邊坡尚且處于安全狀態。豎直方向位移變化量基本在循環波動狀態，整體相對穩定，無明顯增大趨勢，表明在豎直方向，邊坡同樣處于穩定狀態。

對-67 m水平不同監測點處邊坡位移變化量進行分析，發現位移變化量總體同樣呈增加趨勢。在2020年7—11月期間，受雨季汛期影響，變化幅度較大，同時對-67 m臺階不同點豎直方向位移變化量進行分析，發現豎直方向位移變化同樣整體呈平穩狀態，在5 mm附近上下循環波動，表明該平臺同樣處于相對穩定狀態。

2.3 雨季對邊坡位移的影響

在2020年8—10月為雨季主汛期，邊坡位移變化量呈鋸齒狀變化，位移變化量浮動較大，分析原因主要是在雨水的浸潤下，局部邊坡較之前松軟，部分雨水滲入到邊坡內部不連續面邊界，改變了邊坡巖體不連續面中充填物的物理性質，使得不連續面的摩阻系數減小，黏聚力降低，在采場爆破振動影響下，局部邊坡周期變形幅度較大。在雨季結束后，邊坡內部滲水逐漸減少，邊坡不連續面的摩阻系數逐漸恢復，使得邊坡位移變化量也趨于平穩［7］。

通過對監測數據時間—位移分析，可以實現對特殊時期重點部位的安全性監測。

3 微震—地表位移監測聯合監測應用

東幫的監測設備為6通道微震監測系統，在-157、-187 m平臺各布置3個微震探頭。巖體在破壞前，在一段時間內會通過聲波的形式釋放能量，隨著結構接近失穩，能量釋放的強度也會變化。每個微震信號中都包含著豐富的信息，依據對信號的分析處理可對巖體穩定性做出評判依據。

微震事件的能量震級分布多在0~-2.4，震級分布圖如圖7。能量分布比較集中，且能量值分布比較均勻，在密集爆破的情況下，多發的能級較接近且密集的微震事件對東幫的順層淺層狀邊坡的影響是比較大的。

震級的分布與距離的關系如圖8所示，100 m之內的微震事件占絕大數，且較集中，能量分布在整體上看比較均勻，在各距離都有不同的震級分布，但是在120 m以后震級分布就更加稀疏，這與大于120 m的微震事件數本來就少有關，而在傳感器周圍的微震事件比較多的原因是因為距離傳感器相對較遠的小震級事件在地震波的傳播過程中衰減或耗散而導致未被設備監測到，在40~80 m的微震事件震級多在-1~-2.5，驗證了在監測點的微震密集且震級較集中。

微震事件能量分布比較集中，且能量值分布比較均勻，在密集爆破的情況下，多發的能級較接近且密集的微震事件對東幫的順層淺層狀邊坡的影響比較大，對時間—位移數據進行分析，實現了對特殊時期重點部位的安全性監測。通過對露天采場微震—地表位移邊坡在線監測的研究與應用，建立了表面監控與內部測量融合性邊坡監測系統，不僅獲得了邊坡地質的資料，還對邊坡潛在破壞模式進行了多方面的數值擬合研究；同時，建立起了大型露天鐵礦地質模型及網絡模型，對邊坡排水方案進行優化；通過建立邊坡監測系統，替代人力資源，使邊坡監測更加方便快捷，并且，此系統已經得到了推廣應用。

4 結論

（1）通過采用圖像識別技術，對采場邊坡賦存狀態有了宏觀把握，根據強度試驗，得到了基于巖石指標的數值模型。

（2）在進行微震及應力監測中，得到了降水對邊坡內部應力的影響，此外通過多點同源定位技術，發現在東幫-157 m水平存在邊坡滑坡危險區域，該滑坡面距離坡面約7 m左右，應重點關注。

（3）通過對監測數據時間—位移進行分析，可以實現對重點部位的安全性監測，不同監測點處邊坡受雨季影響不同，局部邊坡周期變形幅度較大。

（4）通過對邊坡微震、GNSS系統的聯合應用，開展坡表、體內空間協同監測，能夠更準確地預判邊坡變形趨勢、范圍和機理，有利于深入開展邊坡災害防治技術研究。有效整合、綜合評判邊坡穩定性，是一項互利互補的技術，在后期發展中具有較高的實用價值。