基于物探技术的露天矿边坡失稳因素勘测研究
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Investigation on Factors Affecting Slope Instability in Open-pit Mines Based on Geophysical Prospecting Technology
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通讯作者:
收稿日期: 2019-10-07 修回日期: 2020-02-12 网络出版日期: 2020-07-01
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Received: 2019-10-07 Revised: 2020-02-12 Online: 2020-07-01
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康恩胜, 孟海东, 赵自豪, 何滔.
KANG Ensheng, MENG Haidong, ZHAO Zihao, HE Tao.
露天矿山边坡失稳是一个多因素耦合形变的过程,其影响因素包括内因和外因2个方面。其中,内因主要有岩体的岩性、水文地质条件、断层、裂隙和岩脉等工程地质条件形成的地质结构面和结构应力,外因有降雨、冻融、风化、采矿活动和震动等岩体所处的环境条件[1]。探查边坡失稳的影响因素,分析致灾机理,对边坡灾害预测和防治至关重要。
采用传统的地质调查、钻探技术和土工试验等方法,所获得的失稳边坡信息数量少、成本高且效率低。近年来,以高密度电法和地质雷达法为代表的新型物探方法在边坡稳定性研究中得到了推广应用[2,3],此类方法能够有效补充钻孔间信息,提升复杂地质条件下的边坡灾害源探测的精度,降低探查成本。王永强等[4]使用地质雷达法探测滑坡范围和滑动面深度,并结合实测值和力学计算得到的滑动面,证明了地质雷达法进行边坡地质构造探查的可行性;孙光林等[5]采用地质雷达法探测浅层滑坡体内的地质缺陷,分析探测区的破碎带位置,获得了相应滑坡体、破碎带和滑床的综合特征剖面图;门业凯等[6]采用高密度电法进行矿体电阻率研究,建立了基于地电场数值模拟的层间软弱层稳定性评价模型;温学飞等[7]根据高密度电法和地质雷达法探测对象的不同物理属性,相互印证2种探测结论,并同时将2种方法运用在土质边坡滑动面探测中,取得了较好的效果。实践表明,不同物探方法的适用条件不同,单一探测手段在探测施工和结果解释方面存在一定的困难。高密度电法对存在电性差异的地下介质具有连续响应特性,但对异常地质体和岩层分界面等位置判定存在误差;地质雷达电磁波受介电常数、电导率和磁导率的影响,在探测参数设置、图像辨识依据和采集数据分析解释等方面存在一定的困难。此外,由开采工艺所形成的露天矿山高陡边坡和已发生形变的边坡等因素,不利于高密度电法的现场布设。从探测对象的地质条件出发,通过对比分析不同物探方法所获得的研究区实际勘测结果,结合传统钻探数据,互相印证勘测数据,能够有效提高物探勘测精度。
本文以白云鄂博矿区边坡软弱结构面为探查对象,针对研究区水文地质条件复杂、物探施工条件差以及地质资料缺乏的现状,将高密度电法与地质雷达法相结合,充分发挥2种物探方法的优势,通过探查水文条件和地质条件的变化情况,快速定位软弱结构面的位置,为合理确定边坡失稳因素提供依据。
1 综合物探技术原理
物探技术是根据介质的波速、电导性、磁性、密度和放射性等参数差异进行地下地质体勘测的方法。实践发现,单一物探方法在分析解译异常的过程中存在一定的局限性和多解性[8]。采用综合物探技术,能够相互印证边坡不同物理属性之间的差异,综合判断和解释物探参数异常的场源性质。
1.1 高密度电法
高密度电法利用地下不同岩土介质的电性差异,根据边坡的软弱结构面呈现低电阻,及其与围岩视电阻率差异较大的电性特征,通过A、B电极向边坡地下发射直流电信号,测量M、N极电位差,然后计算得出地下目标测点的视电阻率值
式中:
通过改变电极距来控制勘探深度。浅部采用小极距,深部采用大极距,由浅入深探测,探查测点地下介质垂向电阻率的变化[10]。实际测量时,利用电缆同时布设电极,由电极转换开关和电脑控制电极切换观测,自动完成整条排列的数据采集工作。
本次高密度电法勘测采用温纳装置(图1)。采用三点线性平滑算子对采集结果进行平滑滤波,采用三点圆滑方法进行畸变数据处理,采用有限元方法进行地形校正,采用圆滑约束最小二乘反演最优化方法进行反演。根据反演图像,结合各测点的地形地质条件,排除地形因素和异常干扰因素的影响,进而推测研究区内的地质结构轮廓,推断出断层破碎带和富水区的位置。
图1
1.2 地质雷达法
图2
电磁波在地下介质中传播速度
式中:
勘测目标体深度
式中:
本次地质雷达勘探采用加拿大pulseEKKO PRO地质雷达系统,天线频率最低为12.5 MHz,现场以探测断层破碎带和裂隙为主,包括影响边坡稳定性的断层、裂隙、破碎带、岩脉和软弱夹层等。根据干扰信号和有效信号在频率、视速度上的差异,采用曲波变换进行数据处理,采用Hilbert变换进行信号分析处理,控制偏移速度在0.02~0.10 m/ns范围内变化进行克希霍夫偏移获取目的层反射面图像。
高密度电法电极布设一次完成,减少了勘测过程中电极设置的干扰,勘测数据丰富,反演图像能够直观地表达勘测区域的地质情况[18]。结合研究区工程水文地质特性和出露岩体情况,以软弱结构面探查为主要工作内容,分析解译断层破碎带的发育程度、空间产状及其组合形式、地下水分布情况。由于受作业区地形条件的影响,失稳边坡区域地表地质条件差,无法布置大面积三维高密度测网。地质雷达法测点布置灵活,能够按照现场情况布设成规则、不规则测网或任意单条剖面,可以进行逐点勘测或沿剖面连续勘测。因此,本研究选用地质雷达勘测法与高密度电法共同勘测,结合工程水文和地质调查结果,综合研究解释边坡的软弱结构面成因及分布。
2 研究区工程水文地质情况分析
2.1 地层岩性特征
研究区位于白云鄂博矿区边坡E区,为大型露天铁矿。境界外分布有第四系,主要岩性为粉质黏土层、砾石层和残坡积层。出露岩体以板岩和白云岩为主,其中长石板岩节理发育,质地坚硬;碳质板岩质地较软,呈零星夹层分布于长石板岩中,水蚀或风蚀易变为薄层状软岩。该岩组抗风化能力较差,中等风化深度为40~80 m。地表强风化板岩褪色明显,风化裂隙切割剧烈,岩石十分破碎。白云岩组呈中厚层状,岩石致密坚硬,抗风化能力较强,完整性较好,中等风化深度约为30 m。云母片岩出露范围较小,分布于铁矿与板岩或白云岩与板岩的接触部位,受构造应力作用产生层间揉皱或变形,易风化,遇水软化。大部分铁矿石致密坚硬,具有颗粒状结构,块状构造。煌斑岩脉新鲜,岩石致密坚硬,极易风化,风化后质地松散,遇水膨胀,工程性质极差。
2.2 水文地质构造
3 物探勘测数据分析
为准确查明影响边坡安全性的软弱结构面的空间分布规律和富水性特征,选用高密度电法,采用统一的视电阻值变化标准,联合地质雷达属性信息,开展研究区边坡失稳因素勘测研究。在研究区北帮境界线之外区域布置了3条测线,共有8个高密度电法断面,2条地质雷达测线,测线布置情况见图3。
图3
NL1测线沿边坡走向布置,电极间距为5 m;NL2测线位于胶带运输南侧,电极间距为10 m;NL3测线位于NL2测线南侧约30 m处。在1620清扫平台布置了1条测线,共有56个高密度电法断面,电极间距为5 m,2条地质雷达测线,天线间距为1 m。以NL1测线勘测范围为例,说明研究区勘测结果。
3.1 高密度电法异常解译分析
NL1测线方向自西向东,相邻断面间相距15个电极。图4(a)~4(c)分别为NL1测线247、249和251断面的高密度视电阻率剖面图,图中横坐标表示断面位置,纵坐标表示探测深度,颜色代表不同电阻率。NL1测线地层视电阻率呈两侧低、中间高的变化趋势。综合分析各断面可知:桩号0~320 m之间视电阻率值较低,电性反映为100~500 Ω·m,推测该区域为较破碎的板岩。桩号330~500 m之间深度70 m下视电阻率值较低,呈线性变化,电性反映为250~500 Ω·m,与上覆高阻体界限清晰,推测为倾角较陡的断层破碎带。桩号540 m浅部位置有低阻小圈闭,推测为浅部破碎区域。桩号740 m位置有线性条带状低阻区,向下延伸,推测该区域为典型的断层破碎带。高阻区电性反映为5 000 Ω·m以上,推测为较完整的白云岩区。
图4
3.2 地下水分布情况分析
根据现场试验和标本测定结果,不含水的白云岩较完整,视电阻率值达5 000 Ω以上,断层破碎带不发育。完整的板岩视电阻率值为80~600 Ω,弱破碎,含水,遇水后板岩强度和视电阻率值急剧降低,可能降低至40 Ω甚至几欧姆。
由视电阻率值变化分析NL1测线地下水分布情况,如图5所示,NL1测线大部分区域在桩号100~150 m处浅部断层破碎带为富水区,其他区域无水或少水,解释该区域为大气降水汇聚断层破碎带而形成的富水区。
图5
3.3 地质雷达法岩性勘测分析
由于研究区边坡受场地施工条件的影响,高密度电法测线布置无法满足勘测需求,因此采用地质雷达法进行补充勘测。根据高密度电法视电阻率反演结果和地质雷达法插入的属性信息进行属性融合,能够获得客观反映地质灾害隐患的边坡综合物探异常信息。
图6(a)、6(a)分别为NL1测线地质雷达解释剖面图和高密度电法剖面图。在地质雷达剖面上,桩号140~280 m之间反射能量微弱,为反射阴影区,电磁波吸收较强,反射振幅小,推测为板岩破碎带。桩号220~260 m之间浅层有3处明显绕射,推测为裂隙反射。桩号300~520 m之间同相轴清晰,反射能量较强,为较完整的白云岩,在370 m附近有明显的竖直条带状反射阴影区,推测为断层破碎带。桩号520~580 m和720~740 m之间存在上窄下宽的低反射,下部反射杂乱,上部有局部反射强振幅区,推测为破碎松散岩石区。将地质雷达反演图和高密度电法反演图相对照,2种物探结果能够相互印证。由对比结果可知,综合物探法能够更加有效地推断地下状况。
图6
4 基于物探数据的边坡失稳因素分析
4.1 地下水影响
由勘测结果和前期研究资料可知,研究区地下水以基岩裂隙水为主。随着开采工作的推进,地下水自然疏干,边坡体内地下水位下降。高密度电法NL1测线区桩号100~150 m的富水区埋深较浅,分布集中,推测为大气降水形成,地质雷达剖面图显示为反射阴影区。高密度电法反演结果显示,该区域为含水破碎板岩形成的软岩结构。
4.2 岩性影响
根据高密度电法勘测及反演,推断在桩号0~260 m之间为破碎板岩发育区,桩号320 m上部发育断层破碎带,桩号370 m处有明显的断层破碎带,桩号450~500 m之间深度70 m以下为较破碎的板岩,桩号520~580 m上部发育断层破碎带,桩号740 m位置为明显的断层破碎带,上述区域地质雷达显示为反射阴影区,岩层强度较低。将物探数据与研究区地质调查和现场出露情况进行对比,发现物探解释与现场探测的断层、破碎带情况吻合度较好。
4.3 滑体区域地质条件分析
根据研究区域已发生滑坡的滑体分析,E区存在外倾68°的隐形岩脉,走向与坡面相近,形成滑体后缘。滑体两侧存在断层,有外倾节理优势。开采过程导致应力重新分布,在上方平台沿岩脉方向出现裂缝,降雨沿岩脉和板岩裂缝进入坡体,使接触面和岩脉强度降低,抗滑力降低;水压作用造成滑动力增加,裂缝不断延伸,最终形成上部沿岩脉和板岩接触面分布,下部贯穿板岩的复合滑坡。
5 结论
研究区断层内发育有破碎岩石、泥或地下水,是形成软弱结构面的主要原因。断层两侧的岩石发育有节理和褶皱,断层影响带、岩脉和软弱夹层内的裂隙带内存在非均匀充填物。破碎带和裂隙带内地质雷达波有绕射和散射现象,波形较杂乱,同相断层和裂隙界面反射强烈,介电差异大,地质雷达能够有效反映现场情况。
研究区基岩的断裂、裂隙等低阻异常体多为水充填,电阻率普遍在20 Ω·m以下,局部小于2.5 Ω·m;白云岩电阻率在70~300 Ω·m之间,表现为中等电阻的特征;石英岩和云母岩表现出较高电阻率特征,电阻率在200~3 000 Ω·m之间,遇水则强度降低。勘测区介质有明显的反射界面,分析高密度电法和地质雷达法探测结果能够有效地推断研究区边坡软弱面形成的因素及其分布情况。
软弱结构面是研究区边坡失稳的主要原因,相比而言,软弱结构面的变化缓慢,而水文、地质条件变化较快,通过物探技术,推断出软弱面的形成因素和位置,能够为边坡失稳预警提供有力支持。
http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-3-363.shtml
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