李連崇，徐奴文，唐春安，馬天輝

(大連理工大學土木工程學院，遼寧 大連 110064)

當露天凹陷開采深度超過一定深度以后，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)濟合理服務年限進行設計的，在轉(zhuǎn)地下開采時，露天境界凹陷深度已達數(shù)百米，常處于穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，再進一步地下開采，邊坡穩(wěn)定性甚至要比露采時降低10%～20%，且該系統(tǒng)內(nèi)的巖體應力狀態(tài)與變化過程完全不同于單一露天開采條件下的邊坡變形問題[4]，如圖1是幾種典型的由地下開采誘發(fā)的露天邊坡滑移模式[5]。因此，開展地下開采誘發(fā)邊坡滑移機制的研究，具有社會經(jīng)濟效益和科研學究意義。

1 露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡滑動面標定中有待深入研究的科學問題

國外露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山較多，相應的工程實施的時間也較早，如瑞典的基魯納瓦拉礦1952年就開始由露天向地下開采過渡，1962年全部轉(zhuǎn)入地下開采；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題的研究積累了寶貴的實踐經(jīng)驗[5-8]。

國內(nèi)針對露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡穩(wěn)定性的研究，白銀折腰山礦露天轉(zhuǎn)地下開采地壓研究是具有開拓性的相關(guān)研究課題之一，其研究結(jié)果闡述了 “重復地下采動造成的邊坡巖體性態(tài)改變及對穩(wěn)定性的影響”[9]。近年針對此類課題的研究，主要集中于數(shù)值模擬[10-18]、實驗分析[4,19]、現(xiàn)場監(jiān)測[3,20]及統(tǒng)計歸納、非線性理論分析[21-24]等。露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡的研究中有“邊坡”穩(wěn)定性研究的共性問題，雖然也有很多學者就這些共性問題，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行過系統(tǒng)的研究，但我們不得不看到露天轉(zhuǎn)地下開采礦山邊坡的特殊性及有待深化研究的問題。

圖1 地下開采誘發(fā)露天邊坡滑移破壞的典型模式[5]

1)露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡工程安全性的分析評估和時空預測問題目前還沒有得到很好的解決，例如：①分析評估和時空預測的核心—模型和參數(shù)仍然是“瓶頸”問題，開采會引起巖體的損傷及演化，只有采用與巖體損傷程度相對應的參數(shù)和模型才能對其行為進行很好地分析；②還存在著制約巖石力學參數(shù)反演方法的難題[25-26]。隨著監(jiān)測儀器、監(jiān)測方法和技術(shù)日新月異，邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測分析已不再局限于全站儀、GPS、數(shù)字攝影、遙感等技術(shù)等，“聲發(fā)射”(Acoustic Emission, AE)/“微震”(Microseismic, MS)監(jiān)測技術(shù)，除了應用于“井下采礦工程”的安全評估及災害預測[27-34]，已逐步應用于邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測[35-40]。

作者所在研究團隊在巖質(zhì)高邊坡微震監(jiān)測方面進行了探索性的研究工作，2009年，在四川錦屏一級水電站的“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)測系統(tǒng)[39]，在邊坡及地下洞室開挖施工過程中，坡體出現(xiàn)了卸荷松弛導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。

但從國內(nèi)外微震技術(shù)的應用情況來看，目前微震監(jiān)測發(fā)揮的主要作用是對巖體破壞點進行空間和時間上的定位。然而，僅僅將微震監(jiān)測停留在 “監(jiān)測”層面上是不夠的。因為除了時空坐標，微震監(jiān)測得到的震源信息極為豐富，與巖體微破裂相關(guān)的震級、矩震級、能量大小、能量密度、靜動態(tài)應力降、空間誤差值、震動頻次、震動矩等均可得到，我們可以嘗試利用這些豐富的“實體物理信息”，開展更深入的研究：①可根據(jù)破壞點的時空坐標及能量釋放的量值、密度、微破裂相關(guān)的參數(shù)進行邊坡實體模型參數(shù)的標定，實現(xiàn)對損傷區(qū)(潛在滑動面)巖體參數(shù)的實時修正；②以破壞點的時空坐標及源尺寸對實體邊坡模型進行局部損傷反饋，并以修正的巖體力學參數(shù)為輸入，來反演邊坡的實時安全系數(shù)(對于露天轉(zhuǎn)地下邊坡，這是比較特殊的，也是必要的，因為不斷有地下開采、爆破等誘發(fā)的損傷出現(xiàn)、積累，坡體內(nèi)潛在滑動面區(qū)域和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)面區(qū)域內(nèi)的巖體物理力學性可能會逐步劣化)。而上述兩點在目前的邊坡穩(wěn)定性分析中研究的還較少?？上驳氖?，國內(nèi)外有很多學者在利用聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)刻畫巖石等準脆性材料方面進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度等信息[41-43]。

2)井下采動對露天邊坡的擾動持續(xù)時間之長、涉及范圍之廣與其他邊坡的單一卸荷開挖擾動相比，具有較大的差異[1,4]。但也正因如此，開展露天轉(zhuǎn)地下邊坡滑面的標定及穩(wěn)定性預測在空間、時間上都具有許多便宜條件：露天轉(zhuǎn)地下邊坡滑移災害在空間上具有“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(露天邊坡已服務多年，坡體內(nèi)構(gòu)造基本明晰)，在時間上具有可控性(如調(diào)整開采進度、順序等)等特點。例如，南非Palabora礦露天采場北幫滑坡是典型的完全由地下采動引起的滑坡，如圖1a所示，Palabora礦從2002年停止露天開采，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，共計持續(xù)了18個月的時間。不少學者運用數(shù)值計算方法開展了針對南非 Palabora邊坡滑坡事故的分析，由于有相對較好的前期地質(zhì)調(diào)查及對滑坡觸發(fā)源的清晰認識，所以數(shù)值分析結(jié)果較好地“再現(xiàn)”了地下采動誘發(fā)的滑坡過程[7-8]。

可見，在充分的工程地質(zhì)條件調(diào)查基礎之上，現(xiàn)有的數(shù)值計算方法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜工程、地質(zhì)條件下滑坡過程的模擬分析，但由于損傷及損傷積累帶來的問題的復雜性，目前大多的數(shù)值計算分析在以下兩方面需進一步加強：①滑動面的表征尺度應進一步細化。正如文獻[44]指出的，細觀尺度研究對于材料力學性能評估是必要的，只有近真實尺度分析才會使得以基本建模模塊描述的材料力學行為預測成為可能。Wittmamn最先把微觀、細觀和宏觀這種三個尺度的研究應用到混凝土力學性能的研究中，其中細觀尺度所包含的范圍較大，REV尺寸從10-4cm到幾個cm，甚至更大些[45]。細觀又是一個相對尺度，針對不同的材料與結(jié)構(gòu)體系，具有不同的空間尺度范圍。要想對邊坡滑動面的時空位置做出準確標定，必須實現(xiàn)對潛在滑動面區(qū)域和關(guān)鍵構(gòu)造面區(qū)域的精細表征；②數(shù)值計算所采用的參數(shù)應進一步逼近實際。傳統(tǒng)數(shù)值計算所采用的強度一般是宏觀綜合巖體強度，而這種宏觀巖體質(zhì)量評判體系下的代表尺寸可達幾米乃至數(shù)十米這一量級。但真正意義上的邊坡滑動面尺度遠小于宏觀綜合巖體強度的代表尺寸，因此采用宏觀綜合巖體強度進行分析時，損傷區(qū)域的巖體強度被顯著的低估，所以可以在傳統(tǒng)的巖體質(zhì)量評價理論基礎之上，整合微震監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對巖體參數(shù)實時反演，使實際計算參數(shù)更逼近實際。

2 研究的新思路

對于露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡滑動面的標定，如果只建立三維邊坡力學模型進行滑動面及穩(wěn)定性的數(shù)值計算分析，其模型及參數(shù)的可靠性和適用性缺乏實際物理反饋信息的驗證；如果只對邊坡進行單一的損傷定位的微震監(jiān)測，則對于坡體損傷形成機理分析缺乏理論依據(jù)且無法給出邊坡的實時安全系數(shù)。所以，可充分考慮三維地質(zhì)力學模型的背景應力、邊坡體潛在滑動面、微震信息(時空坐標、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結(jié)合，互為補充。

在實際的研究過程中，可在有限的巖石(體)聲發(fā)射(微震)監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎之上，根據(jù)應力水平、變形/應變及聲發(fā)射/微震信號特征，對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/微震信號與損傷變量的對應關(guān)系，在典型的邊坡巖體監(jiān)測域內(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度損失等的表征關(guān)系；再結(jié)合跨尺度三維地質(zhì)力學精細表征模型，使數(shù)值計算分析不再停留在對露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡滑坡的“再現(xiàn)”，而是將其作用提升至對邊坡滑動面及穩(wěn)定性的“實時預測預報”，從而實現(xiàn)邊坡巖體應力分布和損傷演化的三維、透視、動態(tài)的實時標定。

圖2 露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡實體的數(shù)值計算結(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、風化等自然因素影響，受控于井下采動影響，露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡巖體力學性質(zhì)必然是逐步劣化的，其邊坡滑移災害的“觸發(fā)源”在空間尺度上有可接近性、多發(fā)性與高重復性、整體區(qū)域固定性、地質(zhì)構(gòu)造的明確性等特征，在時間尺度上有可控性等特征，這為開展邊坡潛在滑動面的微震監(jiān)測、數(shù)值計算及相關(guān)理論分析提供了有利條件?？蓪⑽⒄鸨O(jiān)測技術(shù)拓展應用于邊坡巖體力學參數(shù)的表征識別上，使其不再局限于僅僅是提供損傷定位及邊坡失穩(wěn)前兆的動力現(xiàn)象，從而對井下采動誘發(fā)的邊坡巖體內(nèi)部損傷“演化”實現(xiàn)“量化”的表征，在牢固的物理、力學背景之下，整合微震分析、數(shù)值計算及相關(guān)理論分析結(jié)果，實現(xiàn)對露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡滑動面的實時標定。

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