李連崇，徐奴文，唐春安，馬天輝

(大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 110064)

當(dāng)露天凹陷開(kāi)采深度超過(guò)一定深度以后，一些延深較大的傾斜、急傾斜礦體轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采是深凹露天礦山的必然選擇[1-4]。由于露天邊坡是按照經(jīng)濟(jì)合理服務(wù)年限進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在轉(zhuǎn)地下開(kāi)采時(shí)，露天境界凹陷深度已達(dá)數(shù)百米，常處于穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，再進(jìn)一步地下開(kāi)采，邊坡穩(wěn)定性甚至要比露采時(shí)降低10%～20%，且該系統(tǒng)內(nèi)的巖體應(yīng)力狀態(tài)與變化過(guò)程完全不同于單一露天開(kāi)采條件下的邊坡變形問(wèn)題[4]，如圖1是幾種典型的由地下開(kāi)采誘發(fā)的露天邊坡滑移模式[5]。因此，開(kāi)展地下開(kāi)采誘發(fā)邊坡滑移機(jī)制的研究，具有社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和科研學(xué)究意義。

1 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡滑動(dòng)面標(biāo)定中有待深入研究的科學(xué)問(wèn)題

國(guó)外露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山較多，相應(yīng)的工程實(shí)施的時(shí)間也較早，如瑞典的基魯納瓦拉礦1952年就開(kāi)始由露天向地下開(kāi)采過(guò)渡，1962年全部轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采；其中也不乏滑坡事故，如南非Palabora礦井下崩落采礦誘發(fā)的大型滑坡等。這些工程為露天轉(zhuǎn)地下邊坡安全管理等問(wèn)題的研究積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[5-8]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡穩(wěn)定性的研究，白銀折腰山礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采地壓研究是具有開(kāi)拓性的相關(guān)研究課題之一，其研究結(jié)果闡述了 “重復(fù)地下采動(dòng)造成的邊坡巖體性態(tài)改變及對(duì)穩(wěn)定性的影響”[9]。近年針對(duì)此類(lèi)課題的研究，主要集中于數(shù)值模擬[10-18]、實(shí)驗(yàn)分析[4,19]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[3,20]及統(tǒng)計(jì)歸納、非線性理論分析[21-24]等。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡的研究中有“邊坡”穩(wěn)定性研究的共性問(wèn)題，雖然也有很多學(xué)者就這些共性問(wèn)題，從土質(zhì)到巖質(zhì)邊坡，從露天礦邊坡、自然地質(zhì)邊坡、交通路塹邊坡到水利水電工程邊坡進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，但我們不得不看到露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山邊坡的特殊性及有待深化研究的問(wèn)題。

圖1 地下開(kāi)采誘發(fā)露天邊坡滑移破壞的典型模式[5]

1)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡工程安全性的分析評(píng)估和時(shí)空預(yù)測(cè)問(wèn)題目前還沒(méi)有得到很好的解決，例如：①分析評(píng)估和時(shí)空預(yù)測(cè)的核心—模型和參數(shù)仍然是“瓶頸”問(wèn)題，開(kāi)采會(huì)引起巖體的損傷及演化，只有采用與巖體損傷程度相對(duì)應(yīng)的參數(shù)和模型才能對(duì)其行為進(jìn)行很好地分析；②還存在著制約巖石力學(xué)參數(shù)反演方法的難題[25-26]。隨著監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)日新月異，邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)分析已不再局限于全站儀、GPS、數(shù)字?jǐn)z影、遙感等技術(shù)等，“聲發(fā)射”(Acoustic Emission, AE)/“微震”(Microseismic, MS)監(jiān)測(cè)技術(shù)，除了應(yīng)用于“井下采礦工程”的安全評(píng)估及災(zāi)害預(yù)測(cè)[27-34]，已逐步應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)[35-40]。

作者所在研究團(tuán)隊(duì)在巖質(zhì)高邊坡微震監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了探索性的研究工作，2009年，在四川錦屏一級(jí)水電站的“左岸邊坡”建立了由28通道組成、覆蓋左岸邊坡400m×400m×600m區(qū)域范圍的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[39]，在邊坡及地下洞室開(kāi)挖施工過(guò)程中，坡體出現(xiàn)了卸荷松弛導(dǎo)致局部破裂等危害邊坡整體穩(wěn)定性的潛在隱患。微震監(jiān)測(cè)能夠揭示出空間全局范圍內(nèi)坡體內(nèi)存在的潛在失穩(wěn)面和破壞區(qū)域，并可給出豐富的損傷區(qū)巖體的物理信息。

但從國(guó)內(nèi)外微震技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，目前微震監(jiān)測(cè)發(fā)揮的主要作用是對(duì)巖體破壞點(diǎn)進(jìn)行空間和時(shí)間上的定位。然而，僅僅將微震監(jiān)測(cè)停留在 “監(jiān)測(cè)”層面上是不夠的。因?yàn)槌藭r(shí)空坐標(biāo)，微震監(jiān)測(cè)得到的震源信息極為豐富，與巖體微破裂相關(guān)的震級(jí)、矩震級(jí)、能量大小、能量密度、靜動(dòng)態(tài)應(yīng)力降、空間誤差值、震動(dòng)頻次、震動(dòng)矩等均可得到，我們可以嘗試?yán)眠@些豐富的“實(shí)體物理信息”，開(kāi)展更深入的研究：①可根據(jù)破壞點(diǎn)的時(shí)空坐標(biāo)及能量釋放的量值、密度、微破裂相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行邊坡實(shí)體模型參數(shù)的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷區(qū)(潛在滑動(dòng)面)巖體參數(shù)的實(shí)時(shí)修正；②以破壞點(diǎn)的時(shí)空坐標(biāo)及源尺寸對(duì)實(shí)體邊坡模型進(jìn)行局部損傷反饋，并以修正的巖體力學(xué)參數(shù)為輸入，來(lái)反演邊坡的實(shí)時(shí)安全系數(shù)(對(duì)于露天轉(zhuǎn)地下邊坡，這是比較特殊的，也是必要的，因?yàn)椴粩嘤械叵麻_(kāi)采、爆破等誘發(fā)的損傷出現(xiàn)、積累，坡體內(nèi)潛在滑動(dòng)面區(qū)域和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)面區(qū)域內(nèi)的巖體物理力學(xué)性可能會(huì)逐步劣化)。而上述兩點(diǎn)在目前的邊坡穩(wěn)定性分析中研究的還較少?？上驳氖牵瑖?guó)內(nèi)外有很多學(xué)者在利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)刻畫(huà)巖石等準(zhǔn)脆性材料方面進(jìn)行了積極而有意義的探索，研究證明：基于聲發(fā)射/微震信息不僅可以確定巖石的損傷變量，而且有利于推斷巖體強(qiáng)度等信息[41-43]。

2)井下采動(dòng)對(duì)露天邊坡的擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、涉及范圍之廣與其他邊坡的單一卸荷開(kāi)挖擾動(dòng)相比，具有較大的差異[1,4]。但也正因如此，開(kāi)展露天轉(zhuǎn)地下邊坡滑面的標(biāo)定及穩(wěn)定性預(yù)測(cè)在空間、時(shí)間上都具有許多便宜條件：露天轉(zhuǎn)地下邊坡滑移災(zāi)害在空間上具有“觸發(fā)源”可接近性(如采空區(qū)、爆破)、多發(fā)性與高重復(fù)性、整體區(qū)域固定性、地質(zhì)構(gòu)造的明確性(露天邊坡已服務(wù)多年，坡體內(nèi)構(gòu)造基本明晰)，在時(shí)間上具有可控性(如調(diào)整開(kāi)采進(jìn)度、順序等)等特點(diǎn)。例如，南非Palabora礦露天采場(chǎng)北幫滑坡是典型的完全由地下采動(dòng)引起的滑坡，如圖1a所示，Palabora礦從2002年停止露天開(kāi)采，轉(zhuǎn)入地下采用分塊崩落法出礦。從2003年下半年邊坡北幫地表出現(xiàn)拉張裂縫，至2004年發(fā)生大面積滑坡，共計(jì)持續(xù)了18個(gè)月的時(shí)間。不少學(xué)者運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法開(kāi)展了針對(duì)南非 Palabora邊坡滑坡事故的分析，由于有相對(duì)較好的前期地質(zhì)調(diào)查及對(duì)滑坡觸發(fā)源的清晰認(rèn)識(shí)，所以數(shù)值分析結(jié)果較好地“再現(xiàn)”了地下采動(dòng)誘發(fā)的滑坡過(guò)程[7-8]。

可見(jiàn)，在充分的工程地質(zhì)條件調(diào)查基礎(chǔ)之上，現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜工程、地質(zhì)條件下滑坡過(guò)程的模擬分析，但由于損傷及損傷積累帶來(lái)的問(wèn)題的復(fù)雜性，目前大多的數(shù)值計(jì)算分析在以下兩方面需進(jìn)一步加強(qiáng)：①滑動(dòng)面的表征尺度應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化。正如文獻(xiàn)[44]指出的，細(xì)觀尺度研究對(duì)于材料力學(xué)性能評(píng)估是必要的，只有近真實(shí)尺度分析才會(huì)使得以基本建模模塊描述的材料力學(xué)行為預(yù)測(cè)成為可能。Wittmamn最先把微觀、細(xì)觀和宏觀這種三個(gè)尺度的研究應(yīng)用到混凝土力學(xué)性能的研究中，其中細(xì)觀尺度所包含的范圍較大，REV尺寸從10-4cm到幾個(gè)cm，甚至更大些[45]。細(xì)觀又是一個(gè)相對(duì)尺度，針對(duì)不同的材料與結(jié)構(gòu)體系，具有不同的空間尺度范圍。要想對(duì)邊坡滑動(dòng)面的時(shí)空位置做出準(zhǔn)確標(biāo)定，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在滑動(dòng)面區(qū)域和關(guān)鍵構(gòu)造面區(qū)域的精細(xì)表征；②數(shù)值計(jì)算所采用的參數(shù)應(yīng)進(jìn)一步逼近實(shí)際。傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算所采用的強(qiáng)度一般是宏觀綜合巖體強(qiáng)度，而這種宏觀巖體質(zhì)量評(píng)判體系下的代表尺寸可達(dá)幾米乃至數(shù)十米這一量級(jí)。但真正意義上的邊坡滑動(dòng)面尺度遠(yuǎn)小于宏觀綜合巖體強(qiáng)度的代表尺寸，因此采用宏觀綜合巖體強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，損傷區(qū)域的巖體強(qiáng)度被顯著的低估，所以可以在傳統(tǒng)的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)之上，整合微震監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)巖體參數(shù)實(shí)時(shí)反演，使實(shí)際計(jì)算參數(shù)更逼近實(shí)際。

2 研究的新思路

對(duì)于露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡滑動(dòng)面的標(biāo)定，如果只建立三維邊坡力學(xué)模型進(jìn)行滑動(dòng)面及穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算分析，其模型及參數(shù)的可靠性和適用性缺乏實(shí)際物理反饋信息的驗(yàn)證；如果只對(duì)邊坡進(jìn)行單一的損傷定位的微震監(jiān)測(cè)，則對(duì)于坡體損傷形成機(jī)理分析缺乏理論依據(jù)且無(wú)法給出邊坡的實(shí)時(shí)安全系數(shù)。所以，可充分考慮三維地質(zhì)力學(xué)模型的背景應(yīng)力、邊坡體潛在滑動(dòng)面、微震信息(時(shí)空坐標(biāo)、源尺寸、能量等多物理信息)的內(nèi)因影響和聯(lián)系，如圖2所示，兩種方法從不同角度有機(jī)結(jié)合，互為補(bǔ)充。

在實(shí)際的研究過(guò)程中，可在有限的巖石(體)聲發(fā)射(微震)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，根據(jù)應(yīng)力水平、變形/應(yīng)變及聲發(fā)射/微震信號(hào)特征，對(duì)巖體的初始損傷閥值和臨界損傷閥值做出界定；并基于“聲發(fā)射(微震)率與損傷變量具有一致性”的物理背景，假設(shè)損傷位置及損傷范圍分別與聲發(fā)射(微震)源位置和源尺寸相一致，建立聲發(fā)射/微震信號(hào)與損傷變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在典型的邊坡巖體監(jiān)測(cè)域內(nèi)，獲取損傷變量的三維空間分布，得到損傷變量與彈摸及強(qiáng)度損失等的表征關(guān)系；再結(jié)合跨尺度三維地質(zhì)力學(xué)精細(xì)表征模型，使數(shù)值計(jì)算分析不再停留在對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡滑坡的“再現(xiàn)”，而是將其作用提升至對(duì)邊坡滑動(dòng)面及穩(wěn)定性的“實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)”，從而實(shí)現(xiàn)邊坡巖體應(yīng)力分布和損傷演化的三維、透視、動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)標(biāo)定。

圖2 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡實(shí)體的數(shù)值計(jì)算結(jié)果-數(shù)值模型-微震物理信息之間的內(nèi)在本質(zhì)聯(lián)系

3 結(jié)論

除地表滲流、風(fēng)化等自然因素影響，受控于井下采動(dòng)影響，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡巖體力學(xué)性質(zhì)必然是逐步劣化的，其邊坡滑移災(zāi)害的“觸發(fā)源”在空間尺度上有可接近性、多發(fā)性與高重復(fù)性、整體區(qū)域固定性、地質(zhì)構(gòu)造的明確性等特征，在時(shí)間尺度上有可控性等特征，這為開(kāi)展邊坡潛在滑動(dòng)面的微震監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算及相關(guān)理論分析提供了有利條件?？蓪⑽⒄鸨O(jiān)測(cè)技術(shù)拓展應(yīng)用于邊坡巖體力學(xué)參數(shù)的表征識(shí)別上，使其不再局限于僅僅是提供損傷定位及邊坡失穩(wěn)前兆的動(dòng)力現(xiàn)象，從而對(duì)井下采動(dòng)誘發(fā)的邊坡巖體內(nèi)部損傷“演化”實(shí)現(xiàn)“量化”的表征，在牢固的物理、力學(xué)背景之下，整合微震分析、數(shù)值計(jì)算及相關(guān)理論分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采邊坡滑動(dòng)面的實(shí)時(shí)標(biāo)定。

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