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露天转地下开采边坡滑动面标定的新思路

2012-05-28李连崇徐奴文唐春安马天辉

中国矿业 2012年1期
关键词:微震滑动力学

李连崇,徐奴文,唐春安,马天辉

(大连理工大学土木工程学院,辽宁 大连 110064)

当露天凹陷开采深度超过一定深度以后,一些延深较大的倾斜、急倾斜矿体转入地下开采是深凹露天矿山的必然选择[1-4]。由于露天边坡是按照经济合理服务年限进行设计的,在转地下开采时,露天境界凹陷深度已达数百米,常处于稳定的临界状态,再进一步地下开采,边坡稳定性甚至要比露采时降低10%~20%,且该系统内的岩体应力状态与变化过程完全不同于单一露天开采条件下的边坡变形问题[4],如图1是几种典型的由地下开采诱发的露天边坡滑移模式[5]。因此,开展地下开采诱发边坡滑移机制的研究,具有社会经济效益和科研学究意义。

1 露天转地下开采边坡滑动面标定中有待深入研究的科学问题

国外露天转地下开采的矿山较多,相应的工程实施的时间也较早,如瑞典的基鲁纳瓦拉矿1952年就开始由露天向地下开采过渡,1962年全部转入地下开采;其中也不乏滑坡事故,如南非Palabora矿井下崩落采矿诱发的大型滑坡等。这些工程为露天转地下边坡安全管理等问题的研究积累了宝贵的实践经验[5-8]。

国内针对露天转地下矿山边坡稳定性的研究,白银折腰山矿露天转地下开采地压研究是具有开拓性的相关研究课题之一,其研究结果阐述了 “重复地下采动造成的边坡岩体性态改变及对稳定性的影响”[9]。近年针对此类课题的研究,主要集中于数值模拟[10-18]、实验分析[4,19]、现场监测[3,20]及统计归纳、非线性理论分析[21-24]等。露天转地下开采边坡的研究中有“边坡”稳定性研究的共性问题,虽然也有很多学者就这些共性问题,从土质到岩质边坡,从露天矿边坡、自然地质边坡、交通路堑边坡到水利水电工程边坡进行过系统的研究,但我们不得不看到露天转地下开采矿山边坡的特殊性及有待深化研究的问题。

图1 地下开采诱发露天边坡滑移破坏的典型模式[5]

1)露天转地下开采边坡工程安全性的分析评估和时空预测问题目前还没有得到很好的解决,例如:①分析评估和时空预测的核心—模型和参数仍然是“瓶颈”问题,开采会引起岩体的损伤及演化,只有采用与岩体损伤程度相对应的参数和模型才能对其行为进行很好地分析;②还存在着制约岩石力学参数反演方法的难题[25-26]。随着监测仪器、监测方法和技术日新月异,边坡稳定性的监测分析已不再局限于全站仪、GPS、数字摄影、遥感等技术等,“声发射”(Acoustic Emission, AE)/“微震”(Microseismic, MS)监测技术,除了应用于“井下采矿工程”的安全评估及灾害预测[27-34],已逐步应用于边坡的稳定性监测[35-40]。

作者所在研究团队在岩质高边坡微震监测方面进行了探索性的研究工作,2009年,在四川锦屏一级水电站的“左岸边坡”建立了由28通道组成、覆盖左岸边坡400m×400m×600m区域范围的微震监测系统[39],在边坡及地下洞室开挖施工过程中,坡体出现了卸荷松弛导致局部破裂等危害边坡整体稳定性的潜在隐患。微震监测能够揭示出空间全局范围内坡体内存在的潜在失稳面和破坏区域,并可给出丰富的损伤区岩体的物理信息。

但从国内外微震技术的应用情况来看,目前微震监测发挥的主要作用是对岩体破坏点进行空间和时间上的定位。然而,仅仅将微震监测停留在 “监测”层面上是不够的。因为除了时空坐标,微震监测得到的震源信息极为丰富,与岩体微破裂相关的震级、矩震级、能量大小、能量密度、静动态应力降、空间误差值、震动频次、震动矩等均可得到,我们可以尝试利用这些丰富的“实体物理信息”,开展更深入的研究:①可根据破坏点的时空坐标及能量释放的量值、密度、微破裂相关的参数进行边坡实体模型参数的标定,实现对损伤区(潜在滑动面)岩体参数的实时修正;②以破坏点的时空坐标及源尺寸对实体边坡模型进行局部损伤反馈,并以修正的岩体力学参数为输入,来反演边坡的实时安全系数(对于露天转地下边坡,这是比较特殊的,也是必要的,因为不断有地下开采、爆破等诱发的损伤出现、积累,坡体内潜在滑动面区域和关键结构面区域内的岩体物理力学性可能会逐步劣化)。而上述两点在目前的边坡稳定性分析中研究的还较少。可喜的是,国内外有很多学者在利用声发射监测数据刻画岩石等准脆性材料方面进行了积极而有意义的探索,研究证明:基于声发射/微震信息不仅可以确定岩石的损伤变量,而且有利于推断岩体强度等信息[41-43]。

2)井下采动对露天边坡的扰动持续时间之长、涉及范围之广与其他边坡的单一卸荷开挖扰动相比,具有较大的差异[1,4]。但也正因如此,开展露天转地下边坡滑面的标定及稳定性预测在空间、时间上都具有许多便宜条件:露天转地下边坡滑移灾害在空间上具有“触发源”可接近性(如采空区、爆破)、多发性与高重复性、整体区域固定性、地质构造的明确性(露天边坡已服务多年,坡体内构造基本明晰),在时间上具有可控性(如调整开采进度、顺序等)等特点。例如,南非Palabora矿露天采场北帮滑坡是典型的完全由地下采动引起的滑坡,如图1a所示,Palabora矿从2002年停止露天开采,转入地下采用分块崩落法出矿。从2003年下半年边坡北帮地表出现拉张裂缝,至2004年发生大面积滑坡,共计持续了18个月的时间。不少学者运用数值计算方法开展了针对南非 Palabora边坡滑坡事故的分析,由于有相对较好的前期地质调查及对滑坡触发源的清晰认识,所以数值分析结果较好地“再现”了地下采动诱发的滑坡过程[7-8]。

可见,在充分的工程地质条件调查基础之上,现有的数值计算方法已经能够实现对复杂工程、地质条件下滑坡过程的模拟分析,但由于损伤及损伤积累带来的问题的复杂性,目前大多的数值计算分析在以下两方面需进一步加强:①滑动面的表征尺度应进一步细化。正如文献[44]指出的,细观尺度研究对于材料力学性能评估是必要的,只有近真实尺度分析才会使得以基本建模模块描述的材料力学行为预测成为可能。Wittmamn最先把微观、细观和宏观这种三个尺度的研究应用到混凝土力学性能的研究中,其中细观尺度所包含的范围较大,REV尺寸从10-4cm到几个cm,甚至更大些[45]。细观又是一个相对尺度,针对不同的材料与结构体系,具有不同的空间尺度范围。要想对边坡滑动面的时空位置做出准确标定,必须实现对潜在滑动面区域和关键构造面区域的精细表征;②数值计算所采用的参数应进一步逼近实际。传统数值计算所采用的强度一般是宏观综合岩体强度,而这种宏观岩体质量评判体系下的代表尺寸可达几米乃至数十米这一量级。但真正意义上的边坡滑动面尺度远小于宏观综合岩体强度的代表尺寸,因此采用宏观综合岩体强度进行分析时,损伤区域的岩体强度被显著的低估,所以可以在传统的岩体质量评价理论基础之上,整合微震监测的数据,对岩体参数实时反演,使实际计算参数更逼近实际。

2 研究的新思路

对于露天转地下开采边坡滑动面的标定,如果只建立三维边坡力学模型进行滑动面及稳定性的数值计算分析,其模型及参数的可靠性和适用性缺乏实际物理反馈信息的验证;如果只对边坡进行单一的损伤定位的微震监测,则对于坡体损伤形成机理分析缺乏理论依据且无法给出边坡的实时安全系数。所以,可充分考虑三维地质力学模型的背景应力、边坡体潜在滑动面、微震信息(时空坐标、源尺寸、能量等多物理信息)的内因影响和联系,如图2所示,两种方法从不同角度有机结合,互为补充。

在实际的研究过程中,可在有限的岩石(体)声发射(微震)监测数据基础之上,根据应力水平、变形/应变及声发射/微震信号特征,对岩体的初始损伤阀值和临界损伤阀值做出界定;并基于“声发射(微震)率与损伤变量具有一致性”的物理背景,假设损伤位置及损伤范围分别与声发射(微震)源位置和源尺寸相一致,建立声发射/微震信号与损伤变量的对应关系,在典型的边坡岩体监测域内,获取损伤变量的三维空间分布,得到损伤变量与弹摸及强度损失等的表征关系;再结合跨尺度三维地质力学精细表征模型,使数值计算分析不再停留在对露天转地下开采边坡滑坡的“再现”,而是将其作用提升至对边坡滑动面及稳定性的“实时预测预报”,从而实现边坡岩体应力分布和损伤演化的三维、透视、动态的实时标定。

图2 露天转地下开采边坡实体的数值计算结果-数值模型-微震物理信息之间的内在本质联系

3 结论

除地表渗流、风化等自然因素影响,受控于井下采动影响,露天转地下开采边坡岩体力学性质必然是逐步劣化的,其边坡滑移灾害的“触发源”在空间尺度上有可接近性、多发性与高重复性、整体区域固定性、地质构造的明确性等特征,在时间尺度上有可控性等特征,这为开展边坡潜在滑动面的微震监测、数值计算及相关理论分析提供了有利条件。可将微震监测技术拓展应用于边坡岩体力学参数的表征识别上,使其不再局限于仅仅是提供损伤定位及边坡失稳前兆的动力现象,从而对井下采动诱发的边坡岩体内部损伤“演化”实现“量化”的表征,在牢固的物理、力学背景之下,整合微震分析、数值计算及相关理论分析结果,实现对露天转地下开采边坡滑动面的实时标定。

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