导波技术在顺层岩坡和松散介质堆积体稳定性监测领域的应用探索

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顺层岩质边坡分布广泛,废石堆和尾矿堆是矿山常见的松散介质堆积体。随着矿产资源的需求逐渐增大,为了充分回收资源、减少矿业工程占地面积,高陡边坡开采、大型松散介质体堆筑已成为矿山企业的发展趋势。矿山顺层岩坡和松散介质堆积体一旦发生安全事故,将造成不可估量的损失。导波监测技术采用埋设波导杆获取岩土体内部破坏产生的弹性波,在岩土质边坡工程中取得了较好的成绩。然而,将该技术应用于顺层岩质边坡滑移速率量化、废石场边坡滑坡失稳监测预警以及尾矿渗透破坏监测等领域较为少见。本文将导波技术运用在顺层岩坡和松散介质堆积体监测领域,设计了“导波计”剪切试验、废石场滑坡试验、尾矿渗透破坏试验,分析了试验过程中弯曲导波信号的变化特征,建立了弯曲导波信号与顺层岩质边坡、废石场边坡和尾矿渗透破坏过程之间的内在联系。主要得到以下结论:(1)推导出弯曲导波在自由实心圆柱体波导杆结构、自由空心圆柱体波导管结构和尾矿砂浆波导杆结构中的频散方程,得到波导结构中的弯曲导波衰减频散曲线。(2)在加载过程中,“导波计”中的弯曲导波振铃计数率随着变形的增加而增加,16 mm波导杆和4~8 mm石英砂回填材料组合作为优化“导波计”能采集到较强的导波信号。加载速率越快,弯曲导波振铃计数率、事件率和能率增加越明显,增长幅度也越大。累计振铃计数曲线斜率和累计能率曲线斜率与加载速率有良好的线性关系,都随着加载速率的增加而增大,可作为边坡滑移速率的量化指标。(3)在0 k Hz~170 k Hz内,不同内径和壁厚的波导管中的导波衰减曲线变化趋势相似。在170 k Hz~512 k Hz内,随着频率的增加,管壁越厚,弯曲导波信号衰减越大。废石场从变形开始到最终失稳破坏所经历的时间很短,滑坡突发性强,导波主频主要集中在10 k Hz~40 k Hz频段。弯曲导波参数的变化特征能反应滑坡的演化过程,一旦发生滑塌事件,振铃计数率等导波参数出现明显的数据峰值,而累计振铃计数等参数则呈台阶式变化。废石场临滑前的导波b值有明显的转折点,该点可作为滑坡的前兆特征。(4)在尾矿渗透破坏过程中,孔隙水压力随着水力梯度的增加而增加,但当水力梯度增加到一定程度时,孔隙水压力会出现突降现象。尾矿渗透破坏是一个循序渐进的过程,弯曲导波参数在这一过程中表现为:基本无信号、微弱信号、强信号和剧烈信号,分别对应尾矿正常运行阶段、破坏前期、发展阶段和最终渗透破坏阶段。通过弯曲导波参数分析,提出了尾矿渗透破坏程度的量化指标,将尾矿渗透破坏分为4个预警级别,并用蓝、黄、橙、红4种警报颜色对应相应级别的预警。
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