王丹， 饒運章， 石亮， 張美道， 張吉勇

（江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州341000）

離子型稀土礦采用原地浸礦工藝開采時，需往山體中注入大量溶浸液，溶浸液中置換離子與稀土離子發(fā)生交換反應，不僅改變了礦土的化學配分，還改變了礦土的微觀孔隙結構，注入的溶浸液使山體飽和，改變了山體有效孔隙水壓的分布，使山體的抗滑力減小，更容易發(fā)生山體滑坡事故[1]。原地浸礦工藝又不得不往山體里注入溶浸液，使山體達到飽和狀態(tài)，以更多更快地析出稀土離子，所以離子型稀土的開采必然存在安全隱患[2]。滑坡災害預警是防止大事故發(fā)生的一個重大舉措，是預防滑坡災害的重要途徑之一。

選用哪些參數(shù)作為滑坡災害預警指標以及預警等級的劃分是滑坡預警研究的一個重點。采用單參數(shù)預警，還是多參數(shù)綜合預警，都是值得去探討的問題[3]。單參數(shù)預警技術的難點是在單參數(shù)預警閾值的確定，此問題可通過分析類似礦山的監(jiān)測情況得到，也可根據(jù)目標礦山的前期監(jiān)測數(shù)據(jù)得到[4-5]。單參數(shù)預警的缺點為：其中一個傳感器由于電子系統(tǒng)原因出現(xiàn)單個參數(shù)劇烈波動，造成預警不準確及誤報的問題[6]。多參數(shù)綜合預警的關鍵在于建立一套既科學、合理，又能反映實際狀況的預警指標體系，關鍵在于確定體系各指標的權重[7]。因此本次研究結合離子型稀土原地浸礦工藝特點，選擇坡體表面位移和坡體內(nèi)部孔內(nèi)水位、土壓力作為滑坡單參數(shù)，同時構建由這幾個參數(shù)及日降雨量、日降水量組成的綜合預警體系，進行預警模型研究[7-8]。

1 采場滑坡單參數(shù)預警

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

安遠西坑稀土礦主要賦存于條痕狀混合巖形成的全風化層中，類型為典型的全覆式，采場底部無隔水底板。巖石呈花崗變晶結構、交代結構及殘留結構，條帶～條痕狀、眼球狀、塊狀構造及不明顯的片麻狀構造。巖石多呈磚紅色、淺黃褐色，局部稍帶灰白色，結構松散?；w原巖為變粒巖、片巖等，礦物成分由長石、石英和黑云母，局部見白云母以及星點狀的黑色礦物等組成。風化殼中長石大部分已被高嶺土所取代，呈土狀產(chǎn)出，手搓具滑膩感，石英顆粒細小均一且含量少，因此其礦土滲透性極差。通過生產(chǎn)勘探，按邊界品位0.035%圈定，礦塊面積3 640.82 m2，礦體厚度10.82 m，平均品位0.08%，礦體體積39 399 m3，121b礦塊REO儲量47.46 t。安遠西坑稀土礦現(xiàn)場及采場收液工程，見圖1、圖2。

圖1 安遠西坑稀土礦現(xiàn)場Fig.1 The test ore-block in Anyuan Xikeng

圖2 試驗采場收液工程Fig.2 Field crack

礦區(qū)屬低山丘陵地貌，地勢較為平坦，地形相對西高東低，但起伏不大，相對高差一般為50～120 m。區(qū)內(nèi)地處亞熱帶季風氣候，四季分明，無霜期長，雨量充沛，水系發(fā)育，地表水資源豐富。礦山周圍地表溝谷發(fā)育，在周邊開采區(qū)由于以往堆浸采礦留下較多的尾砂堆，尾砂堆多沿溝谷山坡坡面堆積，在降雨的時候大量的尾砂流入溝谷至溪溝，導致溪溝淤積，水流面出現(xiàn)分枝復合現(xiàn)象。礦山范圍內(nèi)，受開采區(qū)段尾砂影響的溝谷，其泥石流易發(fā)程度均為中易發(fā)，其他的多為低易發(fā)。礦山環(huán)境地質(zhì)條件為中等類型，礦山地質(zhì)條件具有普適性，對于其他礦山的滑坡預警具有重要參考價值。

1.2 滑坡單參數(shù)預警

試驗礦塊采用原地浸礦工藝開采，以1%～2%硫酸銨水溶液為浸礦液，在原山布設注液網(wǎng)絡，注液和收液工程布置，見圖3。注液孔網(wǎng)度采用1.5 m×2 m，即排距2.0 m，孔距1.5 m，交錯布置，孔徑18 cm，注液孔調(diào)整為1.5～2.0 m深。根據(jù)試驗礦塊各探礦孔所獲得的礦塊賦存情況，山形地貌以及利于施工等情況，以集液巷道及魚骨狀小巷道為主，環(huán)山集液溝為輔的方式收液。大集液巷道和小斷面巷道作為主要收液工程。同時兼作地下水第一級防護措施。在原山布置5條測線，每條測線根據(jù)測線長短布置3~5個測點，形成邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)。試驗采用注液和收液工程布置見圖3。測線布置見圖4。

圖3 注液和收液工程布置Fig.3 Layout of injection and collection engineering

圖4 測線布置Fig.4 Line layout

注液半個多月后，日均注液量逼近250 m3經(jīng)驗限定值，導致1月20日前后，在3線下部地表，出現(xiàn)了較大位移的裂縫，詳細監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況，見圖5。3-2位移在此期間監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動。3-4水位明顯升高，說明下部土體含水量增加，3-2土壓顯著增大，該段時間稀土礦山無論是山體內(nèi)部，還是地表均發(fā)生了較大變化。

圖5 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)變化Fig.5 Sensor monitoring data changes

在9月13日，安遠西坑稀土礦在監(jiān)測3線附近發(fā)生了第2次滑動，詳細監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況，見圖6。3-2位移、3-2水位和3-2土壓均出現(xiàn)急劇增加，各參數(shù)增速超出經(jīng)驗預設閾值，發(fā)出預警信息。山體滑動后，山體內(nèi)部出現(xiàn)裂隙貫通，導致監(jiān)測孔內(nèi)水迅速流失；山體內(nèi)部出現(xiàn)滑動，導致山體內(nèi)部土壓力釋放，水位值及土壓力值均急速下降。

圖6 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)變化Fig.6 Sensor monitoring data changes

參照普通山體滑坡預警劃分等級，根據(jù)坡體的破壞情況、發(fā)展趨勢以及影響大小，將稀土礦邊坡滑坡的預警等級分為：I級、II級、III級、Ⅳ級 （正常），并將各預警等級進行評分，評分等級設置為3，5，7，9，預警等級越危險，發(fā)生滑坡的概率越大，評分越低。各等級的具體含義及需要采取的應急措施，如表1所列。

表1 預警等級的含義及措施Table 1 The meaning and measures of warning level

原地溶浸邊坡的預警閾值，目前尚無公認的方法，本文對各項預警指標對應于4個預警等級的取值范圍界定主要是結合現(xiàn)場實際調(diào)研、在現(xiàn)場建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析開采初期的監(jiān)測數(shù)據(jù)等綜合確定[9-10]。根據(jù)初期監(jiān)測結果，可將此數(shù)據(jù)作為預警等級劃分標準，安遠西坑稀土礦的水位增速達到20~70 cm/d，坡內(nèi)土壓增速2~5 kPa/d或位移增量0~66 mm/d時，當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到這一范圍時，坡面會出現(xiàn)裂縫，滑坡的可能性大；水位增速達到70~150 cm/d，坡內(nèi)土壓增速5~12 kPa/d或位移增量大于66 mm/d時，當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到這一范圍時，小范圍土體滑坡，滑坡的可能性非常大，坡體會有滑坡風險。當預警閾值無法確定其上限值時，則根據(jù)實際情況，選取一個較大的數(shù)值代替，坡面位移增速上限值取100 mm/d，3 h降雨量（為采集值換算為3 h降雨量）上限值取150 mm，注液量上限值取275 m3。該礦滑坡單參數(shù)的預警等級，見表2。

表2 安遠西坑滑坡單參數(shù)的預警等級Table 2 Single parameter warning level of Anyuan Xikeng landslide

2 基于熵權的采場滑坡綜合預警

2.1 綜合預警體系的建立

能夠反映滑坡的預警指標，針對稀土礦邊坡的實際情況，主要可以從坡體參數(shù)變化和外在干擾2方面進行分析，建立的原地浸礦滑坡預警體系，見圖7。滑坡土體在臨滑前，坡體參數(shù)必然會由于能量積累，導致坡體內(nèi)部土壓力變化；在坡體表面則會由于表土運動出現(xiàn)微小的位移；坡內(nèi)水位則會隨著內(nèi)部土體結構破壞，出現(xiàn)急劇的變化[11]。外在干擾則包括注入的溶浸液與吸附稀土離子的黏土礦物發(fā)生離子交換反應，改變土體結構，也會影響坡體穩(wěn)定性，增加滑坡概率；南方雨水較多，若開采期間遇到大雨，雨水經(jīng)過地表入滲坡體，增加土體含水量，影響坡內(nèi)水位，同樣會增大滑坡概率。

圖7 原地浸礦滑坡預警體系Fig.7 Landslide warning system of in-situ leaching

2.2 熵權的確定

熵權法被許多學者用來作為多元綜合評價中權重的確定方法[12]。一般地，決策中某項指標的指標值變異程度越大，信息熵越小，該指標提供的信息量越大，該指標的權重也應越大；若某項指標的指標值變異程度越小，該指標的權重也應越小[13-15]。

a）根據(jù)實測數(shù)據(jù)構造評價指標特征值矩陣X：

b）各個預警指標的量綱不同，需對各個不同的預警指標進行歸一化處理，構建標準化的評價矩陣。

c）計算第j個評價指標下第i個待評價樣本特征值比重。

d）計算第j個評價指標的熵。

e）計算第j個評價指標的權重。

3 工程實例應用

安遠西坑稀土礦滑坡監(jiān)測系統(tǒng)在開采期間，實現(xiàn)了對試驗采場坡體表面位移、孔隙水壓力、土壓力等物理量的遠程在線監(jiān)測，對滑坡預警提供支持[16]。根據(jù)安遠西坑稀土礦遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，選取10組具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表3。

表3 安遠西坑稀土礦10組監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of ten groups of rare earth mine in Anyuan Xikeng

根據(jù)每個參數(shù)與預警等級之間的關系，本文所選單參數(shù)指標，均為負向指標，實際數(shù)值越小，評分越高[17-18]。根據(jù)單參數(shù)指標的實際數(shù)值，確定該指標隸屬于某一等級[19]，該等級評分范圍為（a,b）；參數(shù)上下限范圍為（u,v），實際數(shù)值為x，則該數(shù)值評分y的計算公式為：

根據(jù)熵權法，計算5個預警指標的權重值Wi為（0.117 3，0.223 5，0.239 7，0.205，0.214 5）。令稀土礦滑坡綜合預警評分由5個指標的評分加權總和計算，綜合評分計算計算公式：

通過式（8），計算該組監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合評分，確定最終綜合預警等級[20]，安遠西坑監(jiān)測預警結果，見表4。

表4 各組監(jiān)測數(shù)據(jù)評分結果表Table 4 Scoring results of monitoring data of each group

在表3的基礎上，新增5組監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表5。

表5 安遠西坑稀土礦5組監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 5 Monitoring data of five groups of rare earth mine in Anyuan Xikeng

重新計算5個預警指標的權重值Wi為（0.116 3，0.2335，0.229 7，0.2093，0.211 2）。通過式（8），安遠西坑監(jiān)測綜合預警結果，見表6。

表6 各組監(jiān)測數(shù)據(jù)評分結果表Tab le 6 Scoring results of monitoring data of each group

表6（續(xù)） 各組監(jiān)測數(shù)據(jù)評分結果表Tab le 6（continued） Scoring results of monitoring data of each group

4 結束語

本文結合礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，構建滑坡在線監(jiān)測系統(tǒng)采集坡體水位、土壓、坡面位移、礦區(qū)降雨量的參數(shù)實時數(shù)據(jù)，記錄每天注液強度。通過分析注液前期各參數(shù)的變化及山體破壞情況，確定了以各參數(shù)的增速作為預警指標及各預警等級的指標閾值?；陟貦嗬碚?，編寫算法，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化各指標權重，確定每一組數(shù)據(jù)的綜合預警等級。通過實例，驗證了2組監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合預警等級，表明該預警方法具有良好的適用性。

1）通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合采場現(xiàn)場實際情況，明確了單個預警指標的閾值。安遠西坑的水位增速達到20~70 cm/d，坡內(nèi)土壓增速2~5 kPa/d或位移增速0~66 mm/d時，坡面會出現(xiàn)裂縫；水位增速達到70~150 cm/d，坡內(nèi)土壓增速5~12 kPa/d或位移增速大于66 mm/d時，坡體會有滑坡風險。

2）基于熵權理論，給出了多指標綜合評分的計算方法，通過實例，驗證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的預警等級，與實際情況相吻合，對礦山安全生產(chǎn)有重大意義。

3）可將綜合預警算法集成到數(shù)據(jù)處理平臺端，隨著采集數(shù)據(jù)的累積，算法不斷優(yōu)化各指標的熵權，預警的準確性會越來越高。