赵自豪 吴 兵 任玉辉,2

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；2.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

基于综合物探的露天矿高边坡滑坡风险评估

赵自豪1，2吴 兵1任玉辉1,2

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；2.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

露天矿岩石质高边坡滑坡对露天矿的安全生产带来巨大威胁，并严重影响矿山经济效益。对于已经发生滑坡的矿山，为了避免类似事故发生，应对全矿进行滑坡危险性评估。研究了白云鄂博主东矿C区滑体滑坡机理，对主东矿所有未滑坡也未加固的区域进行了以地震法、地质雷达法和高密度电法为主的综合物探。在综合物探结果基础上，选定含水率、断层组合模式等5个影响边坡稳定性的指标。对这5个因素通过两两比较构建了判断矩阵，通过对判断矩阵进行变换，获取了这些因素的权重矩阵。根据经验和参数敏感性分析，对这些指标设定危险性大、中和小3个等级的评语集并计算出了每个因素对评语的隶属度。以某断面为例，构造灰色模糊矩阵和权重矩阵，进行了灰色综合模糊评判，判定了该断面的滑坡危险等级。

综合物探 滑坡 灰色模糊综合评判

露天矿高边坡滑坡不但造成了设备的损坏和人员的伤亡，由于滑坡体的存在，导致下部境界不能准确靠界，造成的矿石损失十分巨大。以白云鄂博主东矿为例，因滑坡造成的压矿损失达数亿元，每年投入的边坡治理费用达数千万元。因此，对未滑坡也未进行加固的区域开展地质勘探，进行滑坡危险性评估，在此基础上通过加固等手段防患于未然，具有十分重要的意义。

传统的勘探以地质调查和钻探为主，普通地质调查花费小但是准确性差，钻探准确性高，但是花费大，并且存在由于钻探数目少而导致结果偏差大的问题。以地震法、地质雷达法等为主的综合物探法，在勘探费用和最终效果方面可以取得一个很好的平衡，虽然实际应用时受到一些地形限制，但仍不失为一种好的、快捷的方法。本研究利用了综合物探法，在对白云鄂博主东矿未滑坡和未加固区域进行工程物探的基础上，进行了滑坡危险性评估[1]。

1 综合物探

白云鄂博铁矿主东矿在生产的过程中，由于受爆破技术的限制，形成了高度为56 m、近似垂直的四水平并段阶段坡。由于阶段坡坡角大，坡面长期暴露风化，并受爆破震动影响，导致表面裂隙发育，时有碎石滑落。因此，为保证研究人员的安全，不宜采用以瞬变电磁等为主的面积型坡面勘探，也不适合进行地质雷达垂吊坡面勘探。经综合考虑矿山地形和实际工程需要，本研究采用了地震法、地质雷达法和高密度电法为主的综合物探法，其西侧平台测线布置如图1所示。

图1 西侧各平台测线布置Fig.1 Layout of detection lines on the west-side platform

1.1 地震法

由于主东矿存在牙轮钻机、电铲、电动轮、破碎站和胶带运输机等大型矿山设备，并且由于生产需要，矿坑内有高压电线分布，因此存在严重的噪音干扰。为了有利于数据采集和后期资料处理，需要事先调查清楚干扰源和背景噪音的特性。本研究利用了中国矿业大学(北京)研发的MMS-1型多波多分量地震仪进行了噪声和干扰源的调查，经分析，噪声和干扰源特征如下：本研究区域背景噪音频率均低于50 Hz，近偏移距噪声直达波和反射波能量强反射明显，频率介于60～250 Hz，远偏移距能量弱，低频规则干扰强，其频率一般在10～50 Hz之间。

利用重庆地质仪器厂研发的DZQ 48高分辨地震仪进行了浅层地震勘探。48道接收，道间距2 m，最小偏移距2 m。单边激发，12次覆盖。激发方式采用30磅大锤，采用20 cm×30 cm×2 cm规格的钢板作垫。由于干扰波和背景噪声的影响，经过数据处理和资料解释后发现，20 m以内的资料质量不佳，20 m以下获得了良好的勘探效果。通过原始地质资料比对发现，新探出了32处地质构造，验证了23处地质构造，由于干扰和方法的局限性，有6处地质构造未探出。图2为地震测线6-6′的地震解释图。圆圈所标示的破碎带对应于高密度电法断面11处的滑坡隐患区。

图2 地震解释图Fig.2 Seismic interpretation DF33～DF43—地质裂隙带

1.2 地质雷达法

采用了中国矿业大学(北京)研发的ZTR12矿用本安型地质雷达系统沿测线进行了探测。探测前，进行了测量时窗和采样点数实验，发现在2 048采样点、100 ms和300 ms采样时窗时，获得的地质雷达图像最好。因此利用这2个参数组合分别进行了探测，经研究发现，探测深度为穿过覆土层进入基岩5 m，有效的探测出了岩石的破碎和风化分布情况。在所有测线上均发现有裂隙带和破碎带存在，裂隙带和破碎带延伸范围在总长中占比25%左右。且1544平台明显比1488平台裂隙带发育严重，破碎带数目多，清扫平台落石情况也相对比较严重。图3为高密度电法断面11处所对应的地质雷达解释图。

图3 地质雷达解释图Fig.3 Geological radar interpretation

1.3 高密度电法

由于勘探区域为曲线，而高密度电法要求测线尽量平直，因此，实际勘探中在现场地形允许和安全的前提下，对部分符合高密度电法测量要求的地段进行了分段勘探。勘探时采用了重庆地质仪器厂研发的DUK-2B高密度电法仪，在C区滑体上部进行了60道，电极距4 m的高密度电法勘探。其余测线段全部采用了2 m的道间距。最大测深分别为76 m和38 m。经对数据的反演和去噪处理，发现了4处区域存在明显的顺层岩石滑坡“两纵一横”的高密度电法测线表观特性。其中2处存在着高差和地理坐标上的呼应关系，具有很高的顺层岩石滑坡的风险。图4为断面11处的高密度电法剖面图。

图4 高密度电法剖面图Fig.4 High density resistivity profile

2 C区滑体的滑坡机理

自2000年开始出现滑坡迹象，到2006年开始进行削坡治理期间，C区先后发生了4次滑坡，出现1到4号4个滑体。经对滑体的现场勘探分析发现，1号、2号滑体属于顺层岩石滑坡范畴。其中1号滑体周界清晰，边界隔离断层为F111和F107，滑动面为F91。2号滑体具有2级滑面的特征，其滑体周界分别为断层F16和另外一侧的煌斑岩脉。从在C区上部进行的高密度电法测线上，能看出1号滑体残留的周界，其余特征已不可探测。

3号和4号滑体均为破碎岩石滑坡，所在区域岩石破碎带发育，宽度最大可达15 m，受上部滑体推移、卸荷作用、爆破震动等因素综合影响，不断发生坍塌变形，最终导致滑坡发生[2]。

3 边坡稳定性评估

边坡危险性的大小及与各影响因素之间的对应关系属于模糊理论范畴，而物探由于具有多解性，其结果的可靠度大小属于灰色理论范畴。故本次边坡滑坡危险性的评估采用灰色模糊综合评判的方法[3-9]。

3.1 确定因素集(U)和评语集(V)

由于本次评估区域为岩石质边坡，而岩石质边坡的滑坡模式有顺层岩石滑坡和破碎岩石滑坡。通过考察这2种滑坡的影响因素，选定评价因素如下：“两纵一横”的断层组合模式，含水性，深部岩体的构造发育程度，表层岩石裂隙发育和破碎带分布，阶段坡坡度。确定危险因素集为

滑坡失稳风险分为小、中、大3级。对应的评语集为

对5个因素进行综合研究，除阶段坡坡度和裂隙与破碎分布可以量化外，其余均无法很好量化。对能够量化的2个指标进行了边坡稳定性影响要素敏感性分析，在分析结果上给出了危险性大、中、小的划分标准。其余3个无法准确量化的量根据经验进行危险性等级划分。获得的分级指标如表1所示。

表1 评判指标的稳定性分级标准Table 1 Stability classification of evaluation index

3.2 确定单因素灰色模糊矩阵

本次评判有5个因素，3个评语，因此单因素灰色模糊矩阵：

(1)

式中，μmn表示第m个因素对第n个评语的隶属度，又称该灰色模糊矩阵的模部。vmn表示的是第m个因素对第n个评语的灰度，也就是不可信度，它反应的是由于技术因素的限制，该结果的可靠情况或信息收集的充分程度，又称之为灰色模糊矩阵的灰部。在本分析中，将信息收集的充分程度划分为5个等级，分别为：{很充分，较充分，一般，较贫乏，很贫乏}，对应的点灰度分别为{0 0.3 0.5 0.7 1}。

本评判中有2个指标变大型因素，3个定性因素。对于指标变大型因素，有：

对于定性评价因素，与评语符合则隶属度为1，否则为0。

对高密度电法断面11所对应的118 m区域根据地质雷达、高密度电法和地震法所获取的地质资料和现场实测的阶段坡坡度资料，生成单因素灰色模糊矩阵：

(2)

3.3 确定各因素的权重矩阵

首先确定各因素之间重要程度的判断矩阵，在本次评估中，5个因素的判断矩阵如表2所示。

表2 各因素重要程度的判断矩阵Table 2 Judgment matrix on importance of each factor

采用根法计算得到该矩阵的特征向量，并合成包含灰度的边坡失稳各因素的权重矩阵：

(3)

计算该比较矩阵的最大特征根：λmax=5.042 5，代入公式

式中,n=5，查表得RI=1.12，计算可得CR=0.009 5<0.1，说明上面算出的权重矩阵具有满意的一致性，可以用来进行灰色模糊评判。

3.4 灰色模糊综合评判

本次综合评判因素的合成，对于模部采用的是加权平均模型，对于灰部采用的是均值模型，合成后的灰色模糊矩阵为

B=A·R=

(4)

计算所对应的范数：

{0.54,0.828 7,1.032 5}.

(5)

因此，根据评判规则，该段发生失稳的危险性大。依据同样的规则，可以对白云鄂博主矿东矿的其他段进行危险性评估。

4 结 论

利用了地质雷达、地震法和高密度电法对白云鄂博主东矿1544和1488水平台阶进行了综合物探，通过优化测定参数，改进数据处理工艺，获得了能够反应地下水、破碎带、断层组合结构等参数的地质资料。在此基础上，选定阶段坡坡度、含水性等参数，利用灰色模糊综合评判方法，以高密度电法断面11所在区域为例，进行了评判，判定该区域失稳危险性大。通过本文的研究，将综合物探与灰色综合模糊评判联系起来，为边坡失稳评估找到一种具有一定可行性的方法。

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(责任编辑 石海林)

Open-pit Slope Landslide Risk Assessment Based on Comprehensive Geophysical Prospecting Method

Zhao Zihao1，2Wu Bing1Ren Yuhui1，2

(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningTechnology,Beijing100083,China;2.SchoolofMineandCoal,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Open-pit rocky high slope landslide brings a major threat to production safety,and seriously affects the economic benefits of mine.For a mine that has had a landslide,in order to avoid from similar accidents,a landslide risk assessment should be made on the whole mine.Based on the study of the mechanism of landslide in Zone C of Bayan Obo's main East mine,comprehensive geophysical prospecting,including seismic method,geophysical radar method and high density resistivity method,was made in non-landslide and not strengthened areas.On the basis of the results of the comprehensive geophysical prospecting,five indicators such as moisture content,mode of fault combination,etc.which influence the stability of slope are selected.Judgment matrix is made by comparing arbitrary two factors of five.After transforming the judgment matrix,weight matrix of these factors is obtained.Coupled with the experience and parameter sensitivity analysis,an evaluation set including big,medium and small level of risks is constructed for these factors,and each factor's membership degree to each evaluation level is calculated.Taking a cross-section for example,the gray fuzzy matrix and the weight matrix are constructed and a gray fuzzy comprehensive evaluation is conducted to determine the landslide risk of the cross-section.

Comprehensive geophysical prospecting,Landslide,Gray fuzzy comprehensive assessment

2014-05-27

国家自然科学基金项目(编号：51264028)。

赵自豪(1977—)，男，副教授，博士研究生。

TD854.6

A

1001-1250(2014)-10-148-04