尾矿库溃坝灾害的散状-连续介质摩擦碰撞致声信号监测应用探索

Dambreak of tailing pond disasters cause heavy casualties and serious economic losses. As a result, research on tailing pond safety monitoring techniques has become a hot topic in mining and geotechnical industry. We find that acoustic method is not widely used in tailing dam stability monitoring. Then an assumption is growing：metal balls and a round bar can be buried in tailing dam，and a compound structure forms. When tailing dam has displacement, metal balls and the round bar in the compound structure collide with each other, which leads to excitation of guided wave in the bar. So whether or not the dambreak of tailing pond disaster can be monitored and predicted by analyzing guided wave signals? In order to verify the assumption, theoretical and experimental methods are used in the research project. The propagation properties of guided waves in the compound structure will be firstly studied, and then time-frequency features of guided waves excited by metal balls and round bar colliding will be discussed. After that, appearance principle of guided wave mode in the compound structure will be studied while the dimension combination of metal ball and round bar changes. Then the optimal dimension combination of metal ball and round bar will be obtained. Based on that，parameters properties of guided waves propagating in the compound structure will be studied, and monitoring and prediction criterion of dambreak disasters using guided wave will be given. Research output will be of great theoretical meaning, and it can provide scientific basis for guided wave monitoring of dambreak of tailing pond disasters.

尾矿库溃坝灾害易造成人民生命及财产的巨大损失，所以尾矿库安全监测技术的研究一直是矿业和岩土工程界研究的热点和重点问题之一。通过查阅国内外文献，发现目前采用声学方法监测尾矿坝稳定性的研究鲜有报道。那么能否在尾矿坝内埋设圆珠和金属杆，组成一复合结构，坝体发生位移，尾砂挤压圆珠，导致圆珠与金属杆摩擦碰撞，并在杆中产生导波信号，通过导波信号分析，实现对尾矿库溃坝的监测？为验证此设想，本项目拟通过理论和试验结合的方法，从复合结构中的导波传播机理的研究入手，结合尾矿库溃坝试验过程中圆珠与金属杆摩擦碰撞产生导波信号的时频特征分析，研究不同直径圆珠和不同杆径金属杆组成的复合结构中导波模态的显现规律，得到尾矿库失稳溃坝导波监测的圆珠与金属杆最优匹配尺寸。在此基础上，研究尾矿库溃坝过程的导波参数特征，寻求尾矿库溃坝的导波监测判据。项目研究成果具有重要的理论价值，同时为尾矿库溃坝声学监测提供重要的科学依据。

尾矿库是矿山安全生产的重要环节，也是该领域的重大危险源之一。尾矿库溃坝灾害易造成人民生命及财产的巨大损失，所以尾矿库安全监测技术的研究一直是矿业和岩土工程界研究的热点和重点问题之一。尾矿库坝坡失稳引起的溃坝是尾矿库溃坝的四大主导因素之一，然而有关尾矿库坝坡失稳的声学监测的技术及方法鲜有报道，在此背景下，我们提出了一种尾矿库坝坡失稳的导波监测技术：在尾矿库坝坡上垂直埋设金属杆和圆珠的组合体，当坝坡发生变形时，挤压金属杆和圆珠的组合体，导致金属杆和圆珠间发生摩擦碰撞，进而在金属杆中产生导波信号。我们通过研究发现：1）在有圆珠包裹的金属杆和无圆珠包裹的金属杆中主动激励同一导波信号，两组试验金属杆中接收到的导波的波形相似，振幅相等，频率分布范围相似，能量差较小，说明圆珠对金属杆中导波的传播几乎没有影响；2）理论建立了金属杆中导波的频散方程，数值求解了导波的衰减频散曲线。不同尺寸的金属杆和圆珠组合体摩擦碰撞产生的导波信号的主频在150kHz范围内，在此频率范围内，只有第一模态的导波，依据衰减频散曲线，优化得出金属杆直径14mm和圆珠直径6或8mm为尾矿库坝坡失稳的导波监测的最优匹配尺寸。通过观察尾矿库坝坡失稳模拟试验的现象以及分析试验过程中的导波监测信号可知：1）尾矿库坝坡失稳是一个渐进破坏的过程，分为四个阶段：坡面出现细小裂纹、裂纹扩展贯通、坝坡顶部后缘滑移致坝坡整体破坏、滑移体下滑后重新达到稳定状态；2）尾矿库坝坡失稳过程中的导波振铃计数特征、能率特征、振铃计数的分形维数、能率的分形维数以及导波的b值随时间的演化规律能较好地表征尾矿库坝坡的变形破坏全过程，从而证明了导波技术可用于尾矿库坝坡失稳的监测。本项目的研究为尾矿库坝坡失稳的导波监测奠定了理论基础以及提供了尾矿库坝坡失稳的导波监测判据。同时，本项目的研究成果在排土场滑塌以及土岩边坡滑移失稳监测方面均有潜在的推广应用价值。