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1、第 36 卷第 7期煤炭学报Vol 36No 72011 年 7月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJuly2011文章编号:0253 9993(2011)07 1093 05露天矿滑坡体的探地雷达检测技术王永强，曹竹，谭钦文，吴治涛( 西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳621010)摘 要:提出了使用探地雷达检测露天矿山边坡的方法。通过探地雷达探测实际露天矿山边坡，反演分析解释沿测线的雷达图像，结合雷达正演模拟计算，对比 Janbu 法稳定性计算结果发现: 雷达探测边坡内部构造的图像与地表出露的滑坡特征相符，与稳定性计算形成的圆弧滑坡面也基本吻合，而且雷达探测结
2、果还揭示了台阶边坡内部潜在的地质缺陷。探测结果证明，探地雷达检测露天矿山边坡内部地质构造和缺陷是可行的。关键词:露天矿山; 台阶边坡; 滑坡; 探地雷达检测中图分类号:TD824. 73文献标志码:AGPR detection of open-pit landslideWANG Yong-qiang，CAO Zhu，TAN Qin-wen，WU Zhi-tao( School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China)Abstract: Prop
3、osed a method to detect slope，that was GPR detection in open-pit mine slope The GPR detected the in-ternal geological structure of the open-pit mine slope，and then contrast the radar detected image with forward simulate and the Janbu method stability calculation results The results show that firstly
4、，radar detection images of slope internal structures conform to the landslide characteristics of the exposed surface; secondly，circular arc form of stability calcu-lation of landslide is basically identical with the radar detection images; thirdly，radar detection results also reveals the internal po
5、tential geological defects of open-pit mine slope The research results show that GPR can detect geological structure and internal defects in open-pit mine slopeKey words: open-pit mine; steps slope; landslide; GPR detection根据相关文献提供的资料，我国由露天开采的矿或具滑坡危险的潜在不稳定边坡占边坡总长度的石产量占有相当大的比重，目前 90% 左右的铁矿石3。15% 20%
6、，个别露天矿山甚至高达 30% 以上采用露天开采，有色金属矿石 52% 左右，化工原材料露天矿山的边坡稳定既关系到矿山的安全开采，1。在露天矿山的开又直接影响矿山开采的成本。因此对矿山边坡稳定接近 100% ，露天煤矿 4% 左右采过程中，由于台阶边坡的失稳形成的滑坡事故对人性的研究多年来一直是个热点课题，各类机构和人员员生命和财产安全造成了巨大的危害。矿坑边坡上从边坡稳定的机理、预测预报的方法和边坡的加固治的土体、岩体或其他碎屑堆积物如煤矸石等，在重力理等方面进行了大量的研究。近年来边坡稳定性研和水的作用以及其它原因的作用下，沿一定软弱面究得到蓬勃发展，如断裂力学方法、耗散结构理论、神( 滑
7、动面) 整体下滑的现象称为矿区滑坡。矿区滑坡经网络方法、基因遗传算法、人工智能专家系统方法、主要为碎屑堆积层滑坡和沉积层滑坡。矿区滑坡很随机模拟理论、模糊概率分析、动静分析方法、土壤的2。据流失方程、运用 FLAC 数值计算、物理模拟试验、少有完整的地貌形态，滑动面通常也不完整我国若干大中型露天矿山的不完全统计，不稳定边坡Monte-arlo-Sarma 法、三维有限元方法、离散元方法及收稿日期:2010 11 30责任编辑:常 琛作者简介:王永强( 1978) ，男，陕西西安人，讲师。Tel: 0816 2692590，E mail: 308587 qq. com1094煤炭学报2011 年
8、第 36 卷极限平衡法等在边坡稳定性研究领域都取得了一系1列的成就 。这些方法都用理论计算定量的对露天矿边坡的稳定性进行研究，缺乏对边坡内部地质情况的进一步探究，也无法较好地解释由于边坡内部缺陷引起的滑坡现象。本文以某露天矿滑坡为研究对象，提出用地质雷达对露天矿山边坡进行无损探测，查清边坡或滑坡体内部的地质构造及缺陷情况，从而为分析滑坡成因和滑坡防治提供更为具体和针对性的基础数据资料。1 地质雷达探测边坡的机理分析1. 1 地质雷达的探测原理地质雷达的工作原理是用无载波高速脉冲作为探测地下目标的信号源，其脉冲参数因目标探测要求而定。用宽带天线将高速脉冲转换成脉冲电磁波进行辐射，一部分经发射天线
9、直接到达接收天线形成直达波，可用作地下目标深度的参考; 一部分进入地下传播，当遇到地下目标或不同媒质界面时产生反射，反射的电磁波经地表到接收天线形成反射波，反射波相对地表反射的直达波出现的时间是电磁波从地表到目标再从目标到地表传播所需的时间。当电磁波在地下传播的速度已知时，即可求出地下目标或地下界面的深度，并且反射波带有地下目标和地下媒质的性质信息，对反射波进行分析，可以确定地下目标的性质。当发射天线和接收天线在地表的相对位置固定，而共同移动时可以得到一组反射波，将这一组反射波表现出来，就可得到地下目标相对地表的位置信息，从而发现地下目标。由于电磁波在不同电性，不同形态的介质中传播时，其路径、
10、强度、波形均随之变化，因而可根据测得的波的传播时间、幅度、相位、波形来判断介质的结构与深度。1. 2 雷达探测矿山滑坡的可行性分析天然地基的土层都具有成层性，而滑坡会使天然土体产生错动并伴随产生大量裂缝和裂隙。因为各种软土层的颗粒成分、组成、孔隙比、含水量等存在一定的差异，当电磁波遇到这些物性差异土层的界面时便发生反射，由反射波的特征可判断它们之间的层位。对于土层中的软弱夹层( 如有机质土) ，因含有腐殖质，含水量和孔隙比更大，更有别于一般软土4层。滑坡后通常伴随有大量裂缝，在滑坡体的顶部因拉应力形成张裂隙，趾部形成鼓张裂缝，两侧为羽状裂缝，在滑坡体的内部因土体运动则出现较多裂隙。滑坡体底部的
11、滑动面因受较强挤压和剪切力作用，土5，层的含水量和矿化度增高从而使滑面的介电常数与导电率相对于上下介质差异变大，形成较强电磁波反射面。露天矿山滑坡在发展过程中，会出现裂隙、滑动面等物理特征，而探地雷达的电磁波信号在遇到这些滑坡特征时具有明显的变化，所以地质雷达探测矿山滑坡具有可行性。2 某露天矿山滑坡体的雷达探测2. 1 矿山滑坡体情况2. 1. 1 滑坡体物质构成滑坡体上部以松散的坡积物为主，局部见深灰色板岩的基岩露头; 中部见碎裂板岩、构造碎裂岩、松散坡积物; 下部为构造碎裂岩。滑坡体较为松散、破碎，稳定性较差。2. 1. 2 滑坡裂缝发育状况上部: 位于 4020 平台( 具体标高 4
12、027. 078 m) ，即滑坡体西北边界上部。主要为拉张裂隙，在标高4 027. 078 m呈弧形转弯，拉张裂缝长 0. 50 1. 67 m，宽 0. 1 17. 0 cm，裂缝深度不清。中部: 以剪切裂隙为主，在海拔 4 015、4 007、3 994、3 991、3 984、3 977、3 971、3 955 m 等地段的西北部均可见，其中海拔 3 955 4 015 m 段呈延续出露，在 3970 平台处测得滑动面产状为 13563，擦痕走向 225，角度 28，从矿山生产处及安全科监测结果分析 3970 3980 平台滑动最为活跃; 3955 3940 平台，剪切裂隙表现的不太明显
13、，在平台与陡坎间形成一些呈线状分布的垮塌。中下部: 仅在 3940 平台发现两条剪切裂隙，长度分别为 4. 40、6. 20 m，阶面高差 8 10 cm，呈平行产出，产状: 14055 68。下部: 按照滑坡所受力状态分析，下部应有与滑动面相互垂直的鼓张裂缝出现，从生产处观察情况看，目前尚未发现鼓张裂缝。从现状来看，该滑坡在 3940 平台处，下部的岩土受强烈挤压使下部岩土略有上翘。2. 2 雷达探测与解析2. 2. 1 雷达选型与测线布置本次采用美国 GSSI 公司生产的 SIR20 型地质雷达仪进行探测。天线频率选用低频组合天线，频率在15 80 MHz 之间，可自行组合使用。根据矿山的
14、实际情况，选用了 20 和 40 MHz 两种天线，探测深度可达 0 50 m6。矿山现开采的主要区域滑坡现象比较严重，给生产安全造成很大危险。因此，此次雷达探测的侧线主要布置在采区滑坡顶部、中部和底部，从上到下共布第 7 期王永强等: 露天矿滑坡体的探地雷达检测技术1095置 4 条测线( 编号分别为、 ) ，平面布置如图 1 所示，该滑坡体边界是通过地表观测后确定的实际滑坡体。地质雷达探测后，对采集数据进行处理和解释，可根据图像的分层和异常信息对照滑坡体剖面进行分析，从而判断滑坡体内部具体地质特征情况，为防治滑坡体提供基础资料。图 1矿山滑坡体测线布置Fig. 1Measuring lin
15、e layout of mine landslide该检测技术在应用中需要注意以下几个问题:( 1) 一般来讲，地质雷达的探测深度在 0 50 m之间，土体含水率越高，探测深度越浅。虽然降低天线频率，可以提高探测深度，但是探测的分辨率会降低，可能会使一些较小的地质缺陷无法被探测到。所以，要根据探测深度和地质结构的尺寸选择合适的探测天线。在雷达探测过程中，要尽量避免天线周边金属物和电磁波的影响，最大程度地减少背景杂波的干扰，以免影响后期的图像分析和解释。( 2) 使用探地雷达探测之前，需要对整个滑坡体现场进行踏勘，了解工程地质情况，掌握滑坡体的基本轮廓，表面裂隙类型、发展速度和分布等信息，在此基
16、础上布置测线。另外，在雷达图像的反演分析中，可以利用已知的工程地质和滑坡体踏勘信息，进行辅助分析，对比印证反演分析结果，提高分析的准确性。( 3) 探地雷达检测技术作为一种物探手段，其反演分析具有多解性。为了能够明确判断雷达图像所反映的地质结构特征，可以利用雷达正演模拟计算辅助分析，相互对比印证，从而得到更为可靠的分析结果。2. 2. 2 雷达探测图像反演分析雷达探测波形图像如图 2 所示，其中的图 2( a) 、( b) 、( c) 和( d) 分别代表 4 条测线的不同图像。图中水平方向为测线的长度，垂直方向为探测的深度。图 2雷达探测图像Fig. 2Radar detection ima
17、ges测线 II 位于滑坡体的上部，此测线的雷达探之间。通过分析可知，由于上下土体错动形成了滑坡测图像如图 2( a) 所示，表土分层界面明显，表层的雷面空隙，探地雷达电磁波通过空隙反射电磁波组形成达信号同相轴较完整且连续说明表土均匀。从测线了这段异常图像，反映的正是滑坡体的滑动面。在测的 100 m 处开始出现一斜向上发展的异常图像将两线 191 m 的地表处出现较明显的拉张裂缝，裂缝宽度边的介质分开，其延伸长度约 90 m，深度在 4 14 m0. 1 10. 0 cm，实际情况与雷达探测和解析结果一1096煤炭学报2011 年第 36 卷致。测线位于滑坡体的中上部，此测线的雷达探测图像如
18、图 2( b) 所示。图中显示在距探测地表14 m 处有一明显波形振幅较大的暗( 黑) 色带异常区域，特征是反射波周期短、振幅较大，明显区别于周围的雷达波形，判断为滑坡体的软弱结构面。测线位于滑坡体的中下部，此测线的雷达探测图像如图 2( c) 所示。图像反映的地下滑坡面结构与测线相似，从测线 80 m 处开始出现一斜向上发展的异常图像，其延伸长度约 100 m，深度在 25 10 m 之间，判断异常区域处是滑坡体的一个滑动面，该滑动面形成的角度与地面出露的裂缝错动面角度基本一致。图像还显示在地下 20 m 处存在贯穿测线的软弱结构面信号，判断为滑坡体的又一个滑动面。测线位于滑坡体的下部，此测
19、线的雷达探测图像如图 2( d) 所示。图像反映的地下滑坡面结构与测线 相似，滑坡体的滑动面也出现在距探测地表 14 m 处，但其宽度大于测线反映的滑动面宽度。说明受滑坡体整体重力下滑的影响，此处滑动裂缝更为发育。2. 2. 3 雷达探测正演模拟分析探地雷达数值模拟又称为正演模拟，是利用给定的地质模型，根据电磁波传播方程，采用适当的数值7方法计算出电磁波场。正演模拟是研究高频电磁波在地下介质中传播规律的有效途径，其意义主要表现在两个方面: 首先，通过分析各种地电模型的正演结果，可以加深对探地雷达反射剖面的认识，提高解释精度; 其次，利用已知模型的正演结果进行反演，可验证反演算法的正确性。在露天
20、矿滑坡体的探地雷达检测中，正演模拟分析是雷达图像反演解析的一种有效补充。因为利用物探反演技术分析往往存在多解性，应用正演模拟可以与反演分析相互比较印证，加强雷达图像解释的正确性和可靠性。根据反演分析结果，结合滑坡体滑坡面的结构特征，建立了如图 3( a) 所示的模型结构，该模型模拟了地下一个从上至下连续发展的由软弱结构面构成的滑动面。图 3( b) 是计算机模拟的雷达图像，从中可以看出在对应滑动面的位置出现了连续的异常图像，其形状与滑坡体的滑动面基本一致。通过正演模拟图像与探地雷达探测图像对照，修正反演分析的结果，得出以下修正建议:( 1) 探测图像反映的滑动面深度比实际位置略深一些; 反映的
21、滑动面的宽度比实际宽度略大一些。图 3探地雷达正演过程分析Fig. 3The forward simulation of GPR( 2) 滑动面拐点处的信号可能会出现中断或者超长延伸。因此，在进行反演分析解释时，需根据拐点附近的信号进行判断的修正。2. 2. 4 稳定性计算验证分析稳定性分析是确定滑坡体是否处于稳定状态、是否需要对其进行加固与治理和防止其发生破坏的重要决策依据，是目前在滑坡体稳定性分析过程中常用的一种方法。因此，可以应用这一方法来对探地雷达探测的结果进行对比分析。依据该露天矿台阶坡面进行建模，台阶参数为安全平台 4 m，清扫运输平台 8 m，台阶高 10 m，边坡角50，建立的
22、模型如图 4 所示。图 4台阶坡面稳定性分析示意Fig. 4Steps slope stability analysis diagram对于松散均质的边坡，由于受基岩面的限制而产生两端为圆弧、中间为平面或折线的复合滑动。分析这种具有复合破坏面的边坡稳定性可用 Janbu 法。 Janbu 法计算稳定性系数的特点是计算准确但计算复杂，主要适用于复合破坏面的边坡，既可用于圆弧第 7 期王永强等: 露天矿滑坡体的探地雷达检测技术1097滑动，也可用于非圆弧滑动，但条块分割时要求垂直2，条分 。考虑该露天矿降雨丰沛 岩体松散并且破坏面较为复杂。所以本文选用了 Janbu 法进行稳定性计算，计算结果如图
23、 5 所示。图 5开采边坡安全稳定性分析结果Fig. 5Mining slope safety stability results figure从图 5 可见，应用探地雷达探测得到的滑坡面分析的结果与圆弧滑动稳定计算得到的滑动面大致吻合，在一定程度上说明探地雷达探测滑坡体滑动结构面技术具有可靠性和适用性。从计算的结果可知，在暴雨影响下，开采边坡稳定性急剧下降，计算的安全性系数仅为 1. 077。同时，进一步结合开采边坡存在断裂、软弱带和空洞分布等实际特征，可以确定在当前的开采设计工艺尺寸、开采方式和边坡管理的情况下，边坡稳定性不能满足安全生产的要求。3结论( 1) 滑坡面以外的雷达波形自上而下
24、较为规则，同相轴连续性较好。而滑坡体的滑动面形成较强电磁波反射面，引起雷达波多次反射，造成波形紊乱、同相轴连续性中断，形成滑坡体的滑动面图像。所以探地雷达检测技术可以用于露天矿山边坡滑动面的检测。( 2) 通过对矿山边坡的实际探测，发现探地雷达探测的滑坡范围、滑动面深度与实地勘测和圆弧滑动稳定计算得到的滑动面基本吻合。说明探地雷达检测技术探测滑坡体滑动结构面具有可靠性和适用性，探测的图像和分析结果可为滑坡防治提供参考资料。( 3) 探地雷达检测技术是一种无损检测技术，具有图像直观、工作周期短等特点。结果能反映整条测线剖面的连续变化状况。它不仅能够代替单孔钻探，还极大地补充了一孔之见的不足。参考
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