基于案例庫(kù)匹配的烏山銅鉬露天礦邊坡滑坡預(yù)警與防控研究

楊曉光 林 強(qiáng)

（中國(guó)黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司）

目前常用的滑坡預(yù)警方法包括統(tǒng)計(jì)歸納法、非線性理論方法以及人工智能方法。統(tǒng)計(jì)歸納法以現(xiàn)象觀察為基礎(chǔ)對(duì)邊坡未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做判斷，LOEW等［1］曾通過(guò)對(duì)阿爾卑斯山脈歷史滑坡的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行蠕變曲線擬合來(lái)確定預(yù)警閾值，成功預(yù)報(bào)了同一區(qū)域2012 年出現(xiàn)的滑坡。XU 等［2］結(jié)合多個(gè)重大滑坡的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，總結(jié)了滑坡時(shí)空演化變形規(guī)律，并提出了基于切線角的邊坡臨滑預(yù)警指標(biāo)。

學(xué)者們將非線性理論引入到滑坡災(zāi)害的研究中，夏開宗等［3］應(yīng)用突變理論，在考慮地下水對(duì)順層巖質(zhì)邊坡影響的基礎(chǔ)上構(gòu)建了邊坡的尖點(diǎn)突變模型，分析了順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制。薛錦春等［4］采用基于重構(gòu)相空間的混沌理論建立了邊坡巖體變形的混沌預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了邊坡巖體變形的預(yù)測(cè)。

隨著近年來(lái)人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能巖石力學(xué)在巖石工程，尤其是邊坡智能預(yù)警中的應(yīng)用迎來(lái)了新的契機(jī)。比如，NIU［5］以陜南巖土接觸帶巖性、孔隙比、含水量、液指數(shù)、邊坡和邊坡高度因素反映滑坡的特點(diǎn)，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能安全預(yù)警模型，發(fā)現(xiàn)該模型預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確，可用于山區(qū)巖土接觸帶滑坡地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際預(yù)測(cè)。

蠕變等力學(xué)理論模型適用條件為中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，缺點(diǎn)是不能考慮觸發(fā)因素。非線性理論方法等依據(jù)現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，適用臨滑預(yù)報(bào)，事后驗(yàn)證性強(qiáng)但事前預(yù)報(bào)能力差。對(duì)于各種智能算法，除需要大量訓(xùn)練樣本外，還需要依據(jù)巖石力學(xué)理論及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定一些輸入?yún)?shù)或修正已知條件中一些不合理的參數(shù)，導(dǎo)致預(yù)警效果仍舊受制于理論計(jì)算或工程經(jīng)驗(yàn)。

目前為止，國(guó)內(nèi)外露天邊坡在采掘過(guò)程已發(fā)生過(guò)大量的滑坡案例，充分整理分析這些案例十分重要。邊坡設(shè)計(jì)采用的工程類比法就是認(rèn)識(shí)到案例重要性的具體體現(xiàn)，但仍舊缺乏對(duì)案例的深度分析和挖掘，因此，基于滑坡案例及工程經(jīng)驗(yàn)建立預(yù)測(cè)體系，是科學(xué)合理預(yù)警滑坡的關(guān)鍵所在。

針對(duì)以上問(wèn)題，以烏山銅鉬露天礦為工程背景，通過(guò)歷史滑坡案例匹配的方法建立潛在滑坡的區(qū)域的預(yù)警指標(biāo)，利用預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)，為滑坡治理提供依據(jù)。

1 工程簡(jiǎn)介

中國(guó)黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司烏山露天礦是我國(guó)高寒地區(qū)第一個(gè)現(xiàn)代化大型有色金屬深凹露天礦山，礦區(qū)面積9.84 km2，具備資源品位低（銅礦平均品位為0.29%，鉬礦平均品位為0.039%）、開采強(qiáng)度高（采選能力7.5 萬(wàn)t/d、處理礦量2475 萬(wàn)t/a）、采深大（當(dāng)前邊坡高度超過(guò)200 m、設(shè)計(jì)終了邊坡最大高差約為510 m）、邊坡角度陡（整體邊坡角43°～45°、臺(tái)階坡面角65°）、圍巖黏土礦物含量高（局部可達(dá)60%）、凍融效應(yīng)明顯（年溫差超80℃）的典型特征。

在長(zhǎng)期高強(qiáng)度開采及構(gòu)造、節(jié)理作用下，巖體穩(wěn)定性越來(lái)越差，巖體破壞失穩(wěn)誘發(fā)的滑坡問(wèn)題開始顯現(xiàn)，在露天坑南幫發(fā)生多處順層滑坡現(xiàn)象。由于南幫分別為膠帶及卡車運(yùn)輸系統(tǒng)所在邊坡，一旦運(yùn)輸系統(tǒng)所在臺(tái)階出現(xiàn)滑坡，則會(huì)直接威脅礦石的運(yùn)輸，影響采場(chǎng)的供礦生產(chǎn)。

2 滑坡預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建及滑坡風(fēng)險(xiǎn)判別

2.1 滑坡預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建

構(gòu)建了包含56 個(gè)露天礦邊坡滑坡案例的數(shù)據(jù)庫(kù)，梳理各案例的邊坡特征、地質(zhì)條件、失穩(wěn)過(guò)程、監(jiān)測(cè)資料和處置方案等數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮因素的統(tǒng)計(jì)可靠度及定量化，選取9 項(xiàng)特征因素：滑坡模式、滑面角、滑面表面等級(jí)、主要結(jié)構(gòu)面角度、巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）、邊坡角、卸荷松動(dòng)圈深度、地下水水位、降雨量，再對(duì)該特征因素的不同情況按照誘發(fā)滑坡發(fā)生的可能性從小到大依次排列，按順序打分。依照表1可以根據(jù)每個(gè)滑坡影響因素的具體情況來(lái)獲取相對(duì)應(yīng)的分值，稱為特征值。

結(jié)合烏山南幫邊坡的地質(zhì)條件及滑坡模式，依據(jù)特征因素建立烏山南幫潛在滑坡的特征值向量G（目標(biāo)滑坡特征向量）并形成權(quán)重向量μ，采用兩兩比較法［6］計(jì)算各特征因素的權(quán)重。確定烏山露天礦楔體滑坡的權(quán)重系數(shù)向量為μ=［24.91%，9.34%，12.45%，11%，10%，9%，7.8%，5.4%，10.1%］。

定義目標(biāo)滑坡特征值向量與滑坡案例i特征值向量的匹配向量Di：

式中，Gj為烏山銅鉬礦的特征值向量，F(xiàn)i,j為案例庫(kù)中第i個(gè)滑坡案例的第j個(gè)特征值向量。

從案例庫(kù)中檢索滑坡破壞模式類似的案例庫(kù)，計(jì)算目標(biāo)滑坡Gj與邊坡滑坡案例的相似度Si：

式中，μ為特征值向量的權(quán)重系數(shù)，Di為第i個(gè)匹配向量。

匹配最接近的滑坡案例（表2），與烏山南幫相似度最高的為撫順西露天礦，相似度為80.9%，圖1為撫順西露天滑坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，邊坡變形速度達(dá)到135.2 mm/d時(shí)發(fā)生滑坡；以其后驗(yàn)性臨滑預(yù)警指標(biāo)為依據(jù)，建立烏山露天礦南幫邊坡的臨滑預(yù)警閾值，將臨滑指標(biāo)三等分可建立三級(jí)指標(biāo)體系，分為藍(lán)色、黃色和紅色3個(gè)等級(jí)，如表3所示。

2.2 警情判斷

以滑坡預(yù)警指標(biāo)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用線性插值及加權(quán)平均相結(jié)合的方法建立南幫預(yù)警級(jí)別判別公式：

式中，L為南幫的預(yù)警級(jí)別判別系數(shù)，當(dāng)L＞1 時(shí)，邊坡處于紅色預(yù)警級(jí)別，當(dāng)1≥L＞0.5時(shí)，邊坡處于黃色預(yù)警級(jí)別，當(dāng)0.5≥L＞0 時(shí)，邊坡處于藍(lán)色預(yù)警級(jí)別，當(dāng)L≤0時(shí)，邊坡比較穩(wěn)定、未達(dá)到預(yù)警級(jí)別；v為實(shí)際監(jiān)測(cè)的位移速度，mm/d；r為實(shí)際監(jiān)測(cè)的前-后緣位移速度同步率，%；α為根據(jù)位移時(shí)間曲線計(jì)算的切線角，（°）。

2.3 滑坡預(yù)警實(shí)例分析

2021 年8 月9 日，本模型成功預(yù)警一次小型滑坡。地基雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示瞬時(shí)最大位移速度超過(guò)105 mm/d，滑體前后緣位移速度同步率超過(guò)95%，最大位移曲線切線角超過(guò)75°（圖2），預(yù)警級(jí)別判別系數(shù)達(dá)0.83，預(yù)警級(jí)別為黃色，遂發(fā)出滑坡預(yù)警，禁止人員和設(shè)備靠近，發(fā)出預(yù)警后24 h 內(nèi)發(fā)生小型滑坡。

3 滑坡控制措施及控制效果檢驗(yàn)

為了控制南幫順層滑坡，烏山銅鉬露天礦采用了噴錨網(wǎng)、擋墻及錨、梁相結(jié)合的加固方式來(lái)增加邊坡的穩(wěn)定性，其中錨索預(yù)張拉為900 kN。為了監(jiān)測(cè)加固結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，在部分錨索安裝了軸力計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨索拉力隨時(shí)間的變化。

錨索軸力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示（圖3），自2022 年12月，9、10號(hào)錨索軸力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（以預(yù)張拉900 kN 為基準(zhǔn)點(diǎn)）均出現(xiàn)了上升，其中，10 號(hào)由20 kN 上升至63 kN、9 號(hào)由42 kN 上升至126 kN。整體來(lái)看，上升趨勢(shì)明顯，但上升幅度相對(duì)較小，且在2023 年3 月期間再次趨于平穩(wěn)，說(shuō)明邊坡目前仍舊處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。錨索軸力上升期間，該區(qū)域地基雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)異常，說(shuō)明加固措施有效控制了該處邊坡的變形，達(dá)到了保證邊坡穩(wěn)定性的預(yù)期目的。

4 結(jié)論

（1）建立了包含56個(gè)案例的滑坡案例庫(kù)，將滑坡案例特征屬性分為9種因素，充分考慮了影響滑坡的邊坡因素，采用相似度計(jì)算方法在滑坡數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索與目標(biāo)邊坡最相似的滑坡案例，最終通過(guò)工程類比給出滑坡預(yù)警判據(jù)建議值。

（2）烏山銅鉬礦南幫的潛在滑坡與撫順西露天礦順層滑坡的相似度達(dá)到80.9%，據(jù)此建立的烏山銅鉬礦南幫潛在滑坡預(yù)警指標(biāo)及滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法成功預(yù)警了一次小型滑坡，說(shuō)明基于滑坡案例庫(kù)匹配的預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建方法具有一定可行性。

（3）錨、梁相結(jié)合的加固方式可通過(guò)錨索拉力的增加來(lái)有效抑制邊坡的變形，進(jìn)而達(dá)到保證邊坡穩(wěn)定性的目的，錨索軸力計(jì)及地基雷達(dá)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法可對(duì)加固措施及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)。