王丹，　袁博云，　饒運(yùn)章，　饒睿，　張永勝

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000）

稀土礦邊坡監(jiān)測方案構(gòu)建與滑坡灰色預(yù)測

王丹1，袁博云1，饒運(yùn)章1，饒睿2，張永勝1

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000）

原地浸礦法開采稀土礦山有很多優(yōu)點(diǎn)，也有一個明顯的缺點(diǎn)：注入的溶浸液容易導(dǎo)致山體滑坡.利用FLAC3D和強(qiáng)度折減理論對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了采場邊坡失穩(wěn)區(qū)域，作為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域.通過現(xiàn)場觀測，現(xiàn)場失穩(wěn)的山體部分與模擬結(jié)果相吻合；結(jié)合現(xiàn)場連續(xù)7 d監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用灰色理論建立灰色預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果精度等級為好，可以應(yīng)用于工程實際，同時也為后續(xù)的滑坡預(yù)警提供支持.

稀土礦邊坡；原地浸礦；數(shù)值模擬；在線監(jiān)測系統(tǒng)；灰色預(yù)測

0　引　言

稀土是國防和航天不可或缺的戰(zhàn)略性資源.全球范圍內(nèi)，美國稀土儲量占全球稀土儲藏量的40%，俄羅斯占30%，中國占18%，印度占7%.我國稀土資源總量的98%分布在內(nèi)蒙古的白云鄂博、江西贛南、廣東粵北、四川涼山等地區(qū).江西贛南地區(qū)的稀土元素以離子形態(tài)吸附在花崗巖風(fēng)化殼的全風(fēng)化層的黏土當(dāng)中，由于過去采用的堆浸法的“搬山運(yùn)動”對環(huán)境破壞嚴(yán)重，現(xiàn)在多采用原地浸礦法開采[1].

原地浸礦法的主要特征是，礦石處于天然狀態(tài)下未經(jīng)任何位移，通過注液工程往礦層注入溶浸液，使之與礦石中的有用成分接觸，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[2].贛南稀土礦區(qū)的地層構(gòu)造依次為表土層、含稀土元素的透水全風(fēng)化層、不透水的基巖，贛南地區(qū)的稀土資源非常適合此種開采方法.注液工程主要有打穿表土層的注液孔，開采過程就是通過管道向注液孔里注入溶浸液，然后收集浸出液.但隨著注液的進(jìn)行，注入的液體不僅帶走了稀土，還帶走了半風(fēng)化層的細(xì)小顆粒，改變了土體的級配，使土體的孔隙和裂縫加大，改變了土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力.注入的液體會造成2個方面的結(jié)果，一是溶浸液進(jìn)入這些孔隙和裂縫，降低土坡的抗剪強(qiáng)度；二是注入的液體補(bǔ)給地下水，使地下水位抬高，減小滑動面的有效法向應(yīng)力，滲透壓力增大，這些都可能致使邊坡更容易滑動[3].滑坡造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，歸因于對滑坡的發(fā)生的地點(diǎn)、時間和強(qiáng)度的無法事先預(yù)測，所以對贛南稀土礦邊坡的監(jiān)測尤為重要[4-6]！

1　監(jiān)測方案的構(gòu)建

1.1實驗場地的概況

江西省龍南縣關(guān)西2A車間防滑坡實驗礦塊位于江西省龍南縣城東南10 km，行政屬于龍南縣關(guān)西鎮(zhèn)管轄.礦體由中部往四周傾斜，沿山脊礦體傾斜較緩，一般為5°～10°.沿山坡礦體傾斜較陡，多數(shù)為20°～30°，坡角礦體局部達(dá)40°.礦體平均厚度為8.1 m，礦區(qū)為似層狀面型表露礦體，形態(tài)較為簡單，其產(chǎn)狀和厚度變化明顯受地貌形態(tài)的制約.

1.2監(jiān)測方案構(gòu)建

采用三維數(shù)值模擬，建立水平投影面積為200m× 180 m三維立體模型，找出三維邊坡最容易失穩(wěn)的區(qū)域，把該區(qū)域作為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域.對三維模型進(jìn)行以下處理：①將三維邊坡簡化為均質(zhì)三維模型.由于影響邊坡穩(wěn)定性的最敏感地質(zhì)層為土層，選擇該均質(zhì)邊坡為全風(fēng)化層均質(zhì)土坡.②簡化邊界條件和相關(guān)參數(shù).③忽略地下水的影響.給模型添加底部和四周位移約束；為了使邊坡模型失穩(wěn)更易顯現(xiàn)，相關(guān)參數(shù)按照表1的全風(fēng)化層參數(shù).

圖1為利用FLAC3D按照均質(zhì)邊坡參數(shù)得到的塑性區(qū)[7].shear-p區(qū)域已經(jīng)連成片，一般認(rèn)為形成了貫通的塑性區(qū)是邊坡區(qū)域失穩(wěn)的標(biāo)志，將該區(qū)域視為邊坡重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，測線及測孔布置如圖2.

第1條測線布置在K8、K52個勘探孔連線的方向上，C2孔埋設(shè)2#土壓計和C3孔埋設(shè)3#土壓計，第2條測線布置在K12、K142個勘探孔的連線上，C6孔埋設(shè)6#上土壓計和6#下土壓計，在6#監(jiān)測孔里埋設(shè)上測斜儀和下測斜儀.監(jiān)測系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)從采集、傳輸、存儲，再到處理的流程，配套的子系統(tǒng)包括監(jiān)測控制中心、綜合預(yù)警預(yù)報等[8].圖3為稀土礦區(qū)采場在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖[9].

表1　土層計算參數(shù)Table1　Soil calculation param eters

圖1　模型塑性區(qū)分布圖Fig.1　Plastic zone ofm odel

圖2　測線布置圖Fig.2　Layout of seism ic line

圖3　采場在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.3　Schem atic diagram of on-linemonitoring system for Stope

2　現(xiàn)場試驗成果及分析

2.1土壓力監(jiān)測結(jié)果分析

圖4為土壓力監(jiān)測相對值[10].數(shù)據(jù)顯示：2#土壓力出現(xiàn)較大異常波動，這可能與埋設(shè)時土體未搗實有關(guān)；3#監(jiān)測孔附近坡體平緩，在整個注液過程中基本保持穩(wěn)定；6#監(jiān)測孔上部土壓力處于穩(wěn)定緩慢增加的正常狀態(tài)；6#監(jiān)測孔下部土壓力出現(xiàn)了異常.

圖4　4個土壓力計隨監(jiān)測時間的變化趨勢Fig.4　Changing trends of 4 soil p ressure w ith m onitoring tim e

2.2失穩(wěn)實例分析

6#監(jiān)測孔位于山坡山腳上部位置，沿山體往下約10 m即是礦區(qū)道路.圖5為2014年1月17日清晨坡腳風(fēng)化巖出現(xiàn)裂縫，阻塞了積液溝，導(dǎo)致積液溝稀土母液沿道路流失，且給礦區(qū)道路帶來了安全隱患.

1月7日至1月14日期間，6#監(jiān)測孔下部土壓力急劇增大，14日以后增大幅度減小，17日出現(xiàn)坡腳失穩(wěn)破壞，破壞后應(yīng)力釋放并達(dá)到新的平衡，即19日19日后測斜管監(jiān)測數(shù)據(jù)又趨于穩(wěn)定．

圖5　邊坡失穩(wěn)現(xiàn)場Fig.5 Slope instability of the scen

圖6　6#監(jiān)測孔測斜儀隨監(jiān)測時間的撓度曲線Fig.6　Deflection curve of 6 inclinom eter w ith m onitoring tim e

3　灰色預(yù)測

3.1灰色理論簡介

灰色預(yù)測是通過少量的、不確定的信息，建立數(shù)學(xué)模型并做出預(yù)測的一種預(yù)測方法．灰色預(yù)測的過程是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加或累減處理，生成新數(shù)據(jù)后土壓力又趨于穩(wěn)定．然而，6#監(jiān)測孔上部土壓力基本無變化，說明坡體位移主要發(fā)生在下部，但土壓力緩慢增大說明山體總體上仍然向下移動，且土壓力的監(jiān)測表明失穩(wěn)位置出現(xiàn)在全風(fēng)化層．

圖6為6#監(jiān)測孔測斜儀時間撓度曲線，圖6中1/0．6 m表示第1個應(yīng)變計距離地表0．6 m位置[11]．假定測斜管底部不變的撓度數(shù)據(jù)表明，測斜管底部與第2、3個應(yīng)變片的相對變化最為明顯，1月15日與1月18日之間，第2個應(yīng)變計的相對內(nèi)部位移短時間變化極大，而坡腳失穩(wěn)正好發(fā)生于17日．坡腳破壞導(dǎo)致坡體內(nèi)應(yīng)力重新分布并于19日達(dá)到新平衡，序列，把新序列用到微分方程模型中，由此抵消部分由不確定因素引起的隨機(jī)誤差，增加預(yù)測精度，更好地分析和判別變性趨勢．灰色預(yù)測常用GM（1，1）和GM（n，h）模型．灰色系統(tǒng)模型的精度檢驗按表2確定[12-14]．

表2　精度檢驗Table 2　Accuracy test

3.2預(yù)測實例與分析

以6#下土壓計7 d數(shù)據(jù)為例，建立GM（1，1）模型[15]，模型時間響應(yīng)函數(shù)為：x（k+1）=-13 410．277 9 exp（－0．002 5）＋134 44．164 1，預(yù)測結(jié)果如表3：

表3　土壓實測值與預(yù)測值對比Table3　Com parison of soil pressure between m easured and p redicted

4　結(jié)　論

1）利用FLAC3D和保守的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了采場邊坡失穩(wěn)區(qū)域，作為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，并以此制定了在線監(jiān)測系統(tǒng)實施方案．通過分析土壓計及測斜儀的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生急劇變化的時刻與現(xiàn)場大雨導(dǎo)致山體部分失穩(wěn)的時刻相吻合，現(xiàn)場失穩(wěn)的山體部分與模擬結(jié)果相吻合，表明構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于稀土礦邊坡可靠．

2）結(jié)合6#下土壓計連續(xù)7 d監(jiān)測值，利用灰色理論建立灰色預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果精度等級為好，可以應(yīng)用到工程實際，同時也為后續(xù)的滑坡預(yù)警提供支持．

[1]程建忠，車麗萍．中國稀土資源開采現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．稀土，2010（2）：65-69．

[2]李春．原地浸礦新工藝在離子型稀土礦的推廣應(yīng)用[J]．有色金屬科學(xué)與工程，2011（1）：63-67．

[3]劉勇．離子型稀土礦原地浸礦開采對地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬[J]．南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（2）：64-68．

[4]黃紫彬，蔡昶，袁憲強(qiáng)．淺析原地浸礦開采的離子型稀土礦山安全問題[J]．稀土，2013（4）：99-102．

[5]饒運(yùn)章．巖土邊坡穩(wěn)定性分析[M]．長沙：中南大學(xué)出版社，2012．

[6]梁全輝．邊坡監(jiān)測技術(shù)淺談[J]．科學(xué)之友，2010，18：27-28．

[7]彭文斌．FLAC3D實用教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[8]Du J C，Teng H C．3D laser scanning and GPS technology for landslide earthwork volume estimation[J]．Automation in Construction，2007，16（5）：657-663．

[9]齊丹，鄧中華，王川嬰．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．自動化與儀表，2010（2）：28-31．

[10]張東明．邊坡監(jiān)測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的研究[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2010，22：5539-5543．

[11]袁寶遠(yuǎn)，呂建紅，劉大安．邊坡監(jiān)測信息可視化查詢分析系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]．工程地質(zhì)學(xué)報，1999（4）：355-360．

[12]劉思峰．灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2010．

[13]楊華龍，劉金霞，鄭斌．灰色預(yù)測GM（1，1）模型的改進(jìn)及應(yīng)用[J]．?dāng)?shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2011，23：39-46．

[14]劉曉敘．灰色預(yù)測與一元線性回歸預(yù)測的比較[J]．四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（1）：107-109．

[15]王東，尚文濤，馮曉．基于測斜儀數(shù)據(jù)的邊坡灰色預(yù)報[J]．交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009（4）：67-69．

Establishing slopemonitoring program for rare earth ore and grey prediction of landslide

WANG Dan1,YUAN Boyun1,RAO Yunzhang1,RAO Rui2,ZHANG Yongsheng1
（1.School of Resources and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China；2.Ganzhou Research Institute of NonferrousMetallurgy,Ganzhou 341000,China）

Despite of its advantages,in-situ leaching mining method has an obvious disadvantage,that is, landslide caused by injected leaching solution.Numerical simulation is performed on the slope stability by using FLAC3Dand strength subtraction.The stope slope instability region is regarded as key monitoring area. The field observation shows the instability of the mountain part is in conformity with the simulation results. Combing with field monitoring data in the 7 consecutive days,the grey prediction model is established based on grey theory,predicting precision grade being favorable.It can be applied to the engineering practice,which provides reference for the subsequent landslideswarning.

slope of rare earth mine;in-situ leaching;numerical simulation;on-line monitoring system;grey prediction

TD325.4

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.022

2014-11-01

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2012AA061901）；2011年度江西省安全生產(chǎn)重大課題

王丹（1989-），男，碩士研究生，主要從事金屬礦地下開采和巖土邊坡工程研究，E-mail：381749627@qq.com.

饒運(yùn)章（1963-），男，教授，博導(dǎo)，主要從事金屬礦和稀土礦開采及巖土邊坡工程研究，E-mail：raoyunzhang@sohu.com.