CN112698386A - 一种尾矿库安全监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尾矿库安全监测方法，包括以下步骤：S1，使用SPAC法布置使用的圆形观测台阵；S2，对尾矿库进行检测，并在取得观测数据后，根据微动调查方法的原理进行数据处理，该尾矿库安全监测方法，利用微动调查方法获取该尾矿库的S波速度剖面，根据S波速度结构明确水木冲尾矿库的岩性分层和地质异常体的分布，再根据不同岩性层或地质体的工程特性分析其对尾矿库的稳定性的影响，最后针对尾矿库的安全隐患区域提出相应的防治措施，有助于尾矿库的灾害预防与治理。
Description
技术领域
本发明属于尾矿库安全监测技术领域，具体涉及一种尾矿库安全监测方法。
背景技术
人类文明的进步与发展离不开各类矿产资源的开发和利用,随着越来越多的矿山投入生产，尾矿库的数量也逐渐增加。尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地建造的，用于堆存矿物加工、甄选后排出的尾矿或其它工业废渣的场所。由于尾矿库的坝体高、容量大、组成复杂并缺少有效的安全管理，使得尾矿库成为一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在巨大的安全隐患，一旦失稳，裹挟着大量有毒物质的泥浆倾涌而出，覆没下游的房屋、农田、公路、河流，造成严重的生命财产损失和生态环境污染。例如，2019年1月巴西Brumadinho市的一座铁矿石尾矿库发生溃坝，超过11×106m3尾矿泄露，导致至少237人死亡，污染了长达300km的河流，数十万人的生活受到影响。因此，如何预防尾矿库溃坝事故的发生，降低灾难性事件造成的损失有着重大的科学和社会意义。
尾矿库的安全监测技术是调查尾矿库失稳成因及其预警预报的重要手段，国内外学者已开展了大量的研究工作。目前，应用较为广泛的有钻探、孔中预埋传感器等深部监测技术，它们能够对尾矿库的地下结构变形进行直接监测，但无法获取尾矿库内部结构的整体信息且钻孔会造成库体结构破坏，增加其失稳风险；以及全球定位***GPS、合成孔径雷达干涉InSAR、三维激光扫描、视频监控等表面位移监测技术，它们能够宏观地测量尾矿库地表的变形并进行失稳预测，但无法对尾矿库失稳前的内部破坏进行监测，存在灾害预测滞后性的问题。因此，需要一种无损的、能深部宏观监测的技术以拓宽尾矿库监测***的调查内容，达到全面、准确地评估尾矿库安全性的目的。
微动调查方法是利用微动信号进行地下空间成像的被动源面波勘探技术。微动信号一般源于人为活动和自然现象引起的地表微弱振动，如道路交通、机械运转等活动产生频率f≥1Hz的信号；河水的流动、海浪的拍打、大气压力的变化等现象产生频率f≤1Hz的信号，因此微动调查方法具有探测深度大、适用范围广、无破坏性等优点，被广泛应用于基岩探测、边坡稳定性评估、煤矿陷落柱调查中，取得了不错的效果。然而，却很少有人将其应用在尾矿库的安全监测中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尾矿库安全监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种尾矿库安全监测方法，包括以下步骤：
S1，使用SPAC法布置使用的圆形观测台阵；
S2，对尾矿库进行检测，并在取得观测数据后，根据微动调查方法的原理进行数据处理。
优选的，S1中，布置的圆形观测台阵由10个地震检波器组成。
优选的，S2中，试验所采用的仪器主要为DAQlink-III数据采集设备和常规的单分量检波器，其中DAQlink-III数据采集设备包括DAQlink单元、电缆、GPS、电源、电脑等组件。
优选的，S2中，在进行数据处理时包括以下步骤：
A，首先，以5s的时间间隔将实测数据分段，剔除有明显干扰的数据段；
B，然后，用傅里叶变换法在频率域里计算空间自相关系数并拟合第一类零阶Bessel函数得到频散谱，并在频散谱里的可用频率范围内手工选取频散曲线；
D，之后，用遗传算法反演频散曲线得到最优的S波速度模型，其中种群大小为128个、交叉概率为0.90、变异概率为0.02，迭代次数为30；
D，最后，将各个测点上的S波速度模型联合起来进行插值和光滑计算，即可得到二维S波速度剖面，以进行地下结构分析。
本发明的技术效果和优点：该尾矿库安全监测方法，通过将微动应用到尾矿库的安全监测，探究其内部的地质结构特征，再根据不同岩性层或地质体的工程特性分析其对尾矿库的稳定性的影响，最后针对尾矿库的安全隐患区域提出相应的防治措施，实现了微动调查方法在尾矿库安全监测中成功运用，意味着微动技术可以结合当前的“天地空”尾矿库安全监测技术，组成真正的“天上、地面、地下”的全方位且无破坏性的安全监测技术***，具有非常好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的观测***示意图；
图2为本发明的微动数据处理流程；
图3为本发明的尾矿库的Vs速度剖面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-3所示的一种尾矿库安全监测方法，并以水木冲尾矿库(30°55′N，117°50′E)位于安徽省铜陵市东面约3.5km处的铜官区西湖镇跃进村，海拔约为300～400m，为研究实施例，包括以下步骤：
S1，使用SPAC法布置使用的圆形观测台阵，布置了如图2所示的观测***。图1(a)为单点圆形观测阵列，它由10个地震检波器组成，其中检波器S1位于中心称为测点，其余9个点均匀地分布在半径为R1、R2、R3的3个圆的圆周上，称为站点；R为观测半径，通常，SPAC法的探测深度H为观测半径R的2～5左右，由水木冲尾矿库的设计资料可知，该尾矿库的坝高为60.9m。所以我们选择最大观测半径R3为30m、中间半径R2为15m、最小半径R3为7.5m，以满足勘探深度及精度的要求；
如图1(b)所示，实际工作中单点圆形阵列常常沿着测线逐点依次进行观测，以达到对地质构造的二维探测的目的。因此，在平行坝顶的方向上布置了1条测线L1，间距为10m，共17个测点，可以获得岩性层的厚度、地质异常体的横向分布；在垂直坝轴线方向上布置了1条纵向测线L2，测点间距随地形变化，共16个测点，以期获得岩土层、地质异常体的纵向分布。
S2，对尾矿库进行检测，并在取得观测数据后，根据微动调查方法的原理进行数据处理，包括以下步骤：我们以5s的时间间隔将实测数据分段，剔除有明显干扰的数据段；然后，用傅里叶变换法在频率域里计算空间自相关系数并拟合第一类零阶Bessel函数得到频散谱，然后在频散谱里的可用频率范围内手工选取频散曲线；之后，用遗传算法反演频散曲线得到最优的S波速度模型，其中种群大小为128个、交叉概率为0.90、变异概率为0.02，迭代次数为30；最后，将各个测点上的S波速度模型联合起来进行插值和光滑计算，即可得到二维S波速度剖面，以进行地下结构分析，其中频散曲线反演的最小拟合误差为4.01％，说明数据提取质量较好，具体流程可参见图2(依次为微动信号、频谱图、频散曲线、一维速度模型)。
水木冲尾矿库的速度剖面如图3所示(上面的测线L1的Vs速度剖面，下面的测线L2的Vs速度剖面)，黑色实心倒三角表示微动观测阵列的测点，黑色虚线表示不同岩层的分界面。由于尾矿粒径和岩性的不同，尾矿库的速度剖面大致分了三层：细粒尾矿层，边界深度约为12m；粗粒尾矿层，边界深度约为60m；地层，其深度在60m以下。其中剖面P1的细粒尾矿层右侧Vs速度大于左侧速度，是由于L1测线的南方堆放有尾砂和工程器械，增加了该区域尾矿的上覆压力，导致尾矿被压实，从而使Vs速度增大。剖面P1的粗粒尾矿层和地层的分界面出，有一明显的凹陷低速带，这可能是由于地层的岩石存在裂隙导致。裂隙能成为尾矿渗滤液的优先流动路径，当渗滤液在裂隙中流动时，不断对其进行水力和化学侵蚀，削弱岩体强度，降低尾矿库的安全性。
白色虚线(中间的椭圆虚线)表示尾矿库中的低速地质异常体。从图3可知，在剖面P1的水平距离40m、110m，深度38m处存在两个低速区，这可能是由于在尾矿排放和沉淀的过程中形成的软弱泥夹层或透镜体导致。由于透镜体孔隙大、强度低，容易引起库体的变形和塌方，存在较大的安全隐患，应注意对该区域进行加固和防护。在剖面P2的水平距离0-80m，深度36m处存在一个范围较大且形状不规则的低速区，是由于其上方挖掘面积水渗透，导致挖掘面下方尾矿的含水量增加，从而使Vs速度减小。而且，由于挖掘面地势低，易于汇集库区雨水并形成蓄水，能提供连续的渗流，使该区域的尾矿受到长时间的雨水侵蚀，加速尾矿裂隙发育，使该区域的薄弱地带不断扩展，易形成管涌甚至挖掘破面坍塌，危害采砂作业人员及尾矿库的安全，应对该区域进行雨水截流、导流或防渗措施，降低挖掘面雨水的含量。在P2的水平距离123-308m，深度23m处存在一个扁长的低速区。这是由于尾矿库尾部的蓄水池向该区域进行水的渗透，导致该改区域的水含量增加，Vs速度减少。当尾砂的含水量增加时，颗粒间的有效应力就会减少，一旦遇到强烈的外力作用时，容易出现液化现象，不利于尾矿库的稳定性，应及时加固。
最后得出结论，尾矿库的地质结构由三部分组成，分别为细粒尾矿层(平均深度h≈12.5m)、粗粒尾矿层(平均深度h≈61.9m)、原地层。其中，由于细尾矿的较差的工程特性，不利于尾矿库的稳定性，建议降低或消除细粒尾矿层的高度。
微动S波速度剖面显示出水木冲尾矿库的5处低速地质异常体，分别解释为坝顶轴线下的2个透镜体(X＝41m，Y＝37m；X＝107m，Y＝39m)，1处原地层的岩石裂隙带(X＝54m)以及位于挖掘面下方和尾水池附近的2处雨水渗透区(X＝4-21m，Y＝33m；X＝123-186m，24m)。它们主要分布在水木冲尾矿库的粗粒尾矿层中，不利于该尾矿库的稳定性，应加强粗粒尾矿层的监察或防护
具体的，S2中，试验所采用的仪器主要为DAQlink-III数据采集设备和常规的单分量检波器，其中DAQlink-III数据采集设备包括DAQlink单元、电缆、GPS、电源、电脑等组件。
具体的，该尾矿库安全监测方法以废弃的铜陵水木冲尾矿库为研究对象，利用微动调查方法获取该尾矿库的S波速度剖面，根据S波速度结构明确水木冲尾矿库的岩性分层和地质异常体的分布，再根据不同岩性层或地质体的工程特性分析其对尾矿库的稳定性的影响，最后针对尾矿库的安全隐患区域提出相应的防治措施，研究结果可为水木冲尾矿库的安全管理提供参考资料，有助于尾矿库的灾害预防与治理。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种尾矿库安全监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，使用SPAC法布置使用的圆形观测台阵；
S2，对尾矿库进行检测，并在取得观测数据后，根据微动调查方法的原理进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种尾矿库安全监测方法，其特征在于：S1中，布置的圆形观测台阵由10个地震检波器组成。
3.根据权利要求1所述的一种尾矿库安全监测方法，其特征在于：S2中，试验所采用的仪器主要为DAQlink-III数据采集设备和常规的单分量检波器，其中DAQlink-III数据采集设备包括DAQlink单元、电缆、GPS、电源、电脑等组件。
4.根据权利要求1所述的一种尾矿库安全监测方法，其特征在于：S2中，在进行数据处理时包括以下步骤：
A，首先，以5s的时间间隔将实测数据分段，剔除有明显干扰的数据段；
B，然后，用傅里叶变换法在频率域里计算空间自相关系数并拟合第一类零阶Bessel函数得到频散谱，并在频散谱里的可用频率范围内手工选取频散曲线；
C，之后，用遗传算法反演频散曲线得到最优的S波速度模型，其中种群大小为128个、交叉概率为0.90、变异概率为0.02，迭代次数为30；
D，最后，将各个测点上的S波速度模型联合起来进行插值和光滑计算，即可得到二维S波速度剖面，以进行地下结构分析。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yin Qifeng Inventor after: Liu Yangyang Inventor after: Tao Pengfei Inventor after: Ni Shengjun Inventor after: Chen Yongxiang Inventor before: Yin Qifeng Inventor before: Tao Pengfei Inventor before: Ni Shengjun Inventor before: Chen Yongxiang |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |