現(xiàn)代監(jiān)測手段在黑岱溝邊坡中的應(yīng)用

孫振敏，王 瑩

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

·試驗研究·

現(xiàn)代監(jiān)測手段在黑岱溝邊坡中的應(yīng)用

孫振敏，王 瑩

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

在有效預(yù)防滑坡的手段中，邊坡變形監(jiān)測能夠起到有效的作用。隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷進步，監(jiān)測設(shè)備的精確度越來越高。以黑岱溝露天煤礦為例，研究了采掘場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)布置，介紹了SSR邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測的原理及方法，論述了采集數(shù)據(jù)原理，可為今后大面積推廣應(yīng)用提供借鑒。

邊坡；監(jiān)測手段；雷達(dá)

1 黑岱溝露天礦邊坡概況

按照神華集團黑岱溝露天煤礦的初步設(shè)計，到1999年移交投產(chǎn)時，黑岱溝露天礦共啟用東排土場、北排土場、西排土場3個外排土場，各個排土場均按照初步設(shè)計方案進行排棄。2003年以后，為了滿足吊斗鏟工藝技術(shù)擴能改造的需要，經(jīng)過邊坡穩(wěn)定性分析研究，在保證西排土場邊坡穩(wěn)定的前提下，最終排棄標(biāo)高比原設(shè)計方案增高了2個臺階，共計約30 m，于2006年排棄到位后廢棄。2003年，增加?xùn)|沿幫排土場，并按設(shè)計進行施工。2007年，擴能改造結(jié)束，排棄到位后廢棄。2005年啟用陰灣排土場，現(xiàn)正在使用，由于本排土場處在古滑坡體上，在使用過程中，下部臺階存在邊坡不穩(wěn)定的情況，但在排棄過程中，采取了降段排棄、基底處理和壓腳等措施，有效地控制了邊坡的滑動，保證了陰灣排土場的正常使用，截止到2010年只有陰灣排土場仍在正常使用。黑岱溝露天礦各排土場分布情況見圖1。

圖1 黑岱溝排土場分布圖

2 采掘場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)布置

黑岱溝露天煤礦采用的是吊斗鏟工藝，隨著開挖的深入，形成了高達(dá)70 m的高臺階，而且由于其地層結(jié)構(gòu)主要為堅硬的巖石，需要爆破松動，在兩種因素的共同作用下，高臺階上經(jīng)常會有片幫、滑坡的發(fā)生。開展邊坡監(jiān)測工作是研究邊坡變形規(guī)律和預(yù)測預(yù)報片幫的有效手段，但采掘場倒堆剝離高臺階的邊坡不是固定不變的，而是隨著開采的進行不斷向前推進的，一般的監(jiān)測方法大都是相對于固定邊坡來進行，并不適合黑岱溝倒堆剝離臺階的監(jiān)測。因此，引進了邊坡穩(wěn)定雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的監(jiān)測精度可達(dá)到亞毫米級，是目前監(jiān)測露天礦高臺階表面變形極為有效的工具。并且該設(shè)備監(jiān)測靈活、方便，無需靠近邊坡體，不受惡劣環(huán)境因素的影響。引進邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)可以利用其自身靈活監(jiān)測的優(yōu)勢，對邊坡進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，預(yù)測片幫、

滑坡的發(fā)生。

3 雷達(dá)監(jiān)測的原理和方法

3．1 邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)SSR簡介

為了避免片幫事故給該礦安全生產(chǎn)帶來的不利影響，需對該礦拋擲爆破高臺階的整個片幫過程進行實時監(jiān)測，做出及時的風(fēng)險預(yù)報避免事故發(fā)生。該礦引進的SSR邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)系統(tǒng)不僅可以針對巖石坡面的移動變化情況進行亞毫米精度的監(jiān)測，而且可以24 h不間斷。不僅能夠測量出高臺階的位移情況，還可以顯示高臺階的速度情況。SSR邊坡穩(wěn)定雷達(dá)系統(tǒng)在不與拋擲爆破高臺階坡面發(fā)生任何接觸的情況下，能在幾噸甚至數(shù)百噸的巖體發(fā)生斷裂之前發(fā)出警告。

邊坡一旦發(fā)生坍塌，往往會摧毀現(xiàn)場安設(shè)的設(shè)備，如測量棱鏡、光纖位移器等。應(yīng)用邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點在于邊坡發(fā)生塌方之后，可以對崩塌事故進行全程的連續(xù)監(jiān)測。這樣，邊坡崩塌幾分鐘之后，就可以對事故地段是否會繼續(xù)變形、崩塌做出判斷，并對災(zāi)后恢復(fù)和所需實施的救災(zāi)措施進行評估。利用邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)對近前開闊地帶進行實時監(jiān)測，增強了現(xiàn)場工作人員應(yīng)對邊坡坍塌事故的信心，這對于實現(xiàn)現(xiàn)場快速撤離并最大限度減少生產(chǎn)損失具有重要意義。

3．2 技術(shù)原理

雷達(dá)邊坡監(jiān)測技術(shù)重點利用了三種重要的原理：干涉測量技術(shù)、步進頻率連續(xù)波技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)。

干涉測量技術(shù)目前是一項非常成熟的測量技術(shù)，通過該項技術(shù)主要保證對目標(biāo)物的位移變化情況進行精確測量，是通過雷達(dá)反射波的相位差異而進行的。干涉測量技術(shù)原理示意圖見圖2，經(jīng)過雷達(dá)的第一次發(fā)射和接收雷達(dá)波，確定了目標(biāo)物所在的位置和相位信息。再經(jīng)過一次發(fā)射和接收雷達(dá)波，確定第二個位置的相位信息，通過其相位差確定精確的位移變化。理論上最小可識別的位移變化為0．000 154 mm（如圖2公式所示），這個精度完全能夠滿足在山體滑坡、邊坡工程建筑行業(yè)的需求。

通過該項技術(shù)能夠得到目標(biāo)物徑向上的位移，通過處理軟件可以得到其他方向上的位移投影。通過這種方式用戶可以自由進行設(shè)置，從而完成對整個區(qū)域的位移測量。

圖2 干涉測量技術(shù)原理示意圖

步進頻率連續(xù)波技術(shù)是系統(tǒng)以不同的頻率在一個最小掃描時間內(nèi)發(fā)射出一組電磁波，通過這項技術(shù)來保證電磁波的長距離傳輸。步進頻率連續(xù)波技術(shù)還為雷達(dá)提供了很高的距離向分辨率。雷達(dá)能夠提供的頻率帶寬最大為3×108，則通過△r=C/2B得到的距離向分辨率△r為0．5 m。這就意味著在雷達(dá)的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，延徑向每0．5 m被分割成一個單元，其技術(shù)原理見圖3。

圖3 步進頻率連續(xù)波技術(shù)原理示意圖

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)最早由NASA應(yīng)用于對火星、月球表面的觀測，是近年來迅速發(fā)展起來的一項新的空間對地觀測技術(shù)，它是利用合成孔徑雷達(dá)的相位信息提取地表的三維和高程變化信息。該技術(shù)可以獲取大范圍、高精度、高可靠性（全天候、全天時）的地表變化信息。利用SAR技術(shù)，在天線沿軌道線性掃描時，相當(dāng)于增大了天線孔徑，為系統(tǒng)提供較高的角度向分辨率。

邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)是對露天礦邊坡和無植被邊坡面進行位移監(jiān)測的最新技術(shù)利器。該技術(shù)達(dá)到近毫米級精度，是不受陰雨、塵霧和煙霾干擾，進行露天礦大面積邊坡監(jiān)測的唯一的技術(shù)手段。對巖石邊坡面位移狀況的實時監(jiān)測實現(xiàn)了對露天礦邊坡不穩(wěn)定這一重大風(fēng)險的連續(xù)管理。邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)使露天礦生產(chǎn)活動中的風(fēng)險管理發(fā)生了質(zhì)的變革。正因如此，世界上有60多個大型露天礦采用了這一技術(shù)。同時，由于邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)可以提供精確、可靠的邊坡變形數(shù)據(jù)，該技術(shù)將在礦山安全和礦山設(shè)計方面產(chǎn)生巨大的作用。這些數(shù)據(jù)

還能夠加深人們對露天礦邊坡坍塌事故機理的了解和分析，從而逐步改善露天礦邊坡的設(shè)計。合成孔徑雷達(dá)技術(shù)原理示意圖見圖4。

圖4 合成孔徑雷達(dá)技術(shù)原理示意圖

4 采集數(shù)據(jù)原理

為了實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性，必須收集邊坡變形數(shù)據(jù)。在該雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)中邊坡數(shù)據(jù)的采集是在掃描的過程中完成，掃描自邊坡表面的頂部向底部，或從邊坡表面的底部向頂部反復(fù)進行。對每一次掃描均采集數(shù)據(jù)，SSR系統(tǒng)的基本目的是測量表面的位移，而非測量距離。工程技術(shù)人員通過初級監(jiān)測站（PMP）直接或間接觀察到掃描數(shù)據(jù)，并針對一次掃描至下一次掃描的數(shù)據(jù)（主要是兩次掃描位移量的變化）進行比較。

邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)能夠迅速掃描一個很大的區(qū)域，測量的準(zhǔn)確度在毫米以下，并且能夠以電子圖像形式顯示礦區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。

5 監(jiān)測案例

實踐表明，邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)在滑坡預(yù)測中獲得了很好的效果，為現(xiàn)場的安全生產(chǎn)也起到了重要的作用。下面以兩次掃描結(jié)果進行對比，說明正常勻速變形階段和臨滑階段的區(qū)別，并分析滑坡前后的特征。

1）勻速變形階段。

滑坡前某點的變形曲線圖和速度曲線圖見圖5。

圖5 勻速階段變形、速度曲線圖

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，速度曲線（細(xì)實線為速度曲線，粗實線為變形曲線）大部分時間內(nèi)為一條水平直線，說明速度處于一恒定值，偶爾有跳躍的現(xiàn)象，而這種跳躍我們分析和現(xiàn)場經(jīng)驗確定其為爆破影響所致。所以得出結(jié)論，邊坡變形還處于勻速變化階段，尚未加速到臨滑狀態(tài)。

2）臨滑階段（加速階段）。

滑坡發(fā)生前后某一點的變形曲線圖和速度曲線圖見圖6，為了方便分析，選擇的這一點和圖5幾乎一樣的位置，但仔細(xì)觀察，圖6中變形曲線和速度曲

線發(fā)生了很大的變化。

對于變形曲線（細(xì)實線為變形曲線，粗實線為速度曲線），發(fā)現(xiàn)兩處加速階段，這與勻速階段有很大的差別，而經(jīng)過分析和現(xiàn)場經(jīng)驗，恰好這個時候沒有別的因素干擾，那么可以肯定曲線的變化為實際邊坡的變形，且為加速變形。

對于速度曲線，可以更直觀的發(fā)現(xiàn)，圖6中出現(xiàn)兩處跳躍現(xiàn)象，后一次更甚前一次，最高速度可以達(dá)到40 mm/h。綜合兩條曲線的觀察，可以肯定在速度的兩次峰值都發(fā)生了滑坡，當(dāng)然，滑坡的預(yù)測要在加速階段的初期就要進行，而且配合報警的使用效果更好。

圖6 加速階段變形、速度曲線圖

6 創(chuàng) 新

1）針對黑岱溝采掘場邊坡的特點，引進了穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是國內(nèi)第一例正式應(yīng)用于邊坡監(jiān)測的系統(tǒng)，為以后的大面積推廣應(yīng)用提供了借鑒，使得國內(nèi)邊坡監(jiān)測的技術(shù)手段更加多樣化，為監(jiān)測人員提供了更多的選擇。

2）針對排土場邊坡，創(chuàng)新地采取了地面位移與地下應(yīng)力聯(lián)合監(jiān)測的手段，兩種監(jiān)測手段的配合使用在國內(nèi)也是首次應(yīng)用。事實證明，這種聯(lián)合的監(jiān)測方式能實現(xiàn)優(yōu)缺互補，更好地實現(xiàn)對邊坡的全方位掌控。

7 不 足

1）由于排土場邊坡在監(jiān)測期間沒有發(fā)生滑動的實例，沒能結(jié)合具體的實例說明該監(jiān)測系統(tǒng)的提前預(yù)測能力與可靠性。

2）由于邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)監(jiān)測是國內(nèi)首次應(yīng)用以及論文篇幅的限制，本文對雷達(dá)監(jiān)測做了詳細(xì)地介紹，對GPS監(jiān)測的結(jié)果做了簡單地分析，沒有對排土場錨索監(jiān)測的具體數(shù)據(jù)做詳細(xì)的介紹。

3）排土場穩(wěn)定性評價分析是在引用了設(shè)計院的勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上得出的潛在滑坡區(qū)，因此沒有作為論文的主題部分，并沒有做過多詳細(xì)地論述。

［1］劉 志．光纖傳感技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用與發(fā)展［J］．山西建筑，2010（04）：1-2．

［2］譚捍華，傅鶴林．TDR技術(shù)在公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用試驗［J］．巖土力學(xué)，2010（4）：1-2．

［3］梁全輝．邊坡監(jiān)測技術(shù)淺談［J］．科學(xué)之友，2010（9）：1-2．Application on Modern Monitoring Means in Side Slope of Heidaigou Open-pit Coal Mine

Sun Zhen-min，Wang Ying

In the effective means to prevent landslides，slope deformation monitoring can play an effective role．With continuing advances in monitoring technology，the accuracy of monitoring equipment is higher and higher．A case study in Heidaigou open-pit coal mine，studies slope monitoring system layout in mining field，introduces the principle and method of SSR radar monitoring of slope stability，discusses the collected data principle，can provide reference for future large-area application．

Side slope；Monitoring means；Radar

TD824．7+3

A

1672-0652（2013）07-0032-04

2013-04-01

孫振敏（1986—），男，河南鄭州人，2013年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)，碩士研究生，主要從事礦山監(jiān)測方面的研究（E-mail）szm1945＠qq．com