邊坡雷達在露天礦山高陡邊坡監(jiān)測預警中的應用

鄧紹剛，王少杰

（ 1.攀鋼集團礦業(yè)有限公司，四川 攀枝花 617000；2.中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083 ）

0 引言

在礦產(chǎn)資源開采中，露天礦山邊坡在露天礦采場或其周邊，因采礦作業(yè)形成的人工邊坡和對礦山安全有影響的自然邊坡[1]。隨著礦山開采活動向深部推進，礦山總邊坡高度逐年增加，在形成永久靠幫邊坡后，裸露邊坡受物理、化學、生物風化等外力作用下，邊坡原有的巖體結(jié)構(gòu)經(jīng)年累月受到侵蝕、應力重構(gòu)，形成新的穩(wěn)定體[2]。尤其是大型露天礦山服務年限長，開采強度大、受爆破震動影響更頻繁、烈度更大，風化程度更為嚴重，而且邊坡下方作業(yè)設(shè)備、人員密集[3]。一旦發(fā)生滑坡，將直接威脅生產(chǎn)人員的安全，對人民財產(chǎn)造成極大損失。

因此，對露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵可測參數(shù)進行在線監(jiān)測，對重點區(qū)域進行日變形量、時變形量、時變形速率等分析，及時研判邊坡變形趨勢，分析邊坡穩(wěn)定性情況，對邊坡垮塌、滑坡進行預警預報，防止出現(xiàn)人員傷亡和嚴重經(jīng)濟損失的情況。目前，邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測已成為露天礦山邊坡管理的重要內(nèi)容。

1 邊坡雷達基本原理及預警方法

1.1 邊坡雷達基本原理

邊坡雷達是基于地基的合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)監(jiān)測技術(shù)，是20 世紀60 年代末發(fā)展起來的先進探測系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天時、全天候的實時在線監(jiān)測，具有遠距離、高分辨率成像功能[4]。SAR 通過脈沖壓縮技術(shù)來獲得高的距離向分辨率，利用雷達和觀測目標間的相對運動形成合成孔徑，獲得方位高分辨率，并將同一目標區(qū)域，不同時間獲取的序列二維高分辨率圖像結(jié)合起來，利用圖像中各像素點的相位差反演，以此獲得被測區(qū)域的高精度形變信息。

1.2 預警方法和思路

基于邊坡雷達的基本原理，將合成孔徑雷達監(jiān)測技術(shù)用于礦山邊坡的監(jiān)測和預警，可以獲得被測邊坡全表面的整體變形發(fā)展規(guī)律，可以為分析研究邊坡穩(wěn)定性，及時進行滑坡預警提供先進的技術(shù)手段[5]。對于實際滑坡災害事故防治工作來說，只有形成一定規(guī)模的局部或整體性邊坡破壞，才是邊坡動力災害或事故防范的重點，也就是在實際工程應用意義上，只有超過一定范圍的邊坡變形區(qū)域，才可能是滑坡事故或災害的關(guān)鍵變形區(qū)域。

圖1 邊坡雷達監(jiān)測位移云圖

基于邊坡雷達監(jiān)測的基本原理，邊坡雷達獲得的監(jiān)測結(jié)果是覆蓋范圍內(nèi)邊坡表面的變形發(fā)展情況，如圖1 所示。通過記錄邊坡變形的發(fā)展變化信息，為分析穩(wěn)定區(qū)域的發(fā)展變化，確定不穩(wěn)定區(qū)域的規(guī)模等提供了可測可析的數(shù)據(jù)支持。在關(guān)鍵變形信息的分析中，將變形面積作為預警的指標之一，用以反映邊坡不穩(wěn)定區(qū)域的規(guī)模。

由于雷達監(jiān)測的點數(shù)量在百萬級，存在個別雜點屬于數(shù)據(jù)異常值的可能，僅僅設(shè)置變形速度閾值，有可能因為這些異常值而產(chǎn)生誤報。采用面積加速率的雙指標滑坡預警的解決方法，通過設(shè)置面積閾值，結(jié)合變形速率進行滑坡的預警預報，在其實際意義和準確性上，更具有實用價值。

2 工程基本情況

朱家包包鐵礦采場位于四川省西北高原南緣，金沙江北岸，是攀鋼礦石原料主要供應基地，自1971 年建成投產(chǎn)以來已有40 余年的開采歷史。作為年產(chǎn)鐵礦石1 500 萬t 的特大型露天開采礦山，朱家包包鐵礦邊坡具有邊坡高度高、長度大、暴露時間長、巖石風化強烈、巖性復雜、斷層、節(jié)理發(fā)育等特點。

采場長約4 000 m，寬約1 100 m，面積約4.4 km2。臺階寬約3.5 ～48 m、高度約12 ～46 m 之間；最高邊坡達637 m，最終邊坡角達44.5。。巖性主要分布有粗粒輝長巖組(ω4)、細粒輝長巖組(ω3+5)和鐵礦體（Fe）。

礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域主要為多級臺階構(gòu)成的人工邊坡，目前臺階寬約3.5 ～48 m 之間、高度約12 ～46 m 之間；1 505 m 以下為人工邊坡，1 505 m 以上為自然邊坡，根據(jù)礦山開采設(shè)計，采場最終露天底為1 000 m，采場邊坡最終將形成超過500 m 的超高人工邊坡。礦區(qū)地勢整體由北西向南東傾斜，西北高而東南低，最高處為大黑山，最低處為金沙江，高差近1 600 m，地形地貌受巖性及構(gòu)造控制，山脈多呈NE ～SW 向展布，高山峻嶺、沖溝發(fā)育、谷坡陡峻，屬于構(gòu)造斷塊剝蝕高、中山區(qū)地貌。目前礦山已進入深凹露采階段，高陡的邊坡制約著采場的生產(chǎn)能力，威脅著人員設(shè)備的安全。

目前，礦山在采礦區(qū)范圍已經(jīng)形成一個長約4 000 m、寬約850 m 的露天采場。其中，最高邊坡為營盤山邊坡，已達到607 m（最高標高為1 862 m，目前該區(qū)1 255 m 臺階已靠幫），最低邊坡為1 290 m 礦倉正下方邊坡，目前邊坡高度95 m（最高標高為1 290 m，目前該區(qū)1 195 m 臺階已靠幫）。

自建礦以來，朱家包包鐵礦邊坡曾多次發(fā)生過滑坡，僅2015 年朱家包包鐵礦邊坡就發(fā)生了6 處滑坡，2017—2018 年監(jiān)測區(qū)域東山頭處發(fā)生2 次滑坡。位于朱礦采場東山頭1 225 ～1 460 m，構(gòu)成本段邊坡的地層，如圖2 所示。

2015 年8 月采場邊坡發(fā)生滑動，破壞了紅旗坡1 360 m 公路以及采場中部排洪系統(tǒng)東山頭1 330 m 平臺的截洪溝，同時導致滑體下方的二氧化鈦（TiO2）品位較低的礦石無法開采（產(chǎn)品為釩鈦磁鐵礦，下一步工序要產(chǎn)出鈦和釩，滑坡會導致想采的礦無法采，繼而影響配礦），不能參與配礦，為降鈦穩(wěn)鈦增加了難度。因此，開展邊坡的監(jiān)測和預警工作對于保證礦山安全開采和穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

圖2 朱家包包鐵礦東山頭滑坡區(qū)域示意圖

3 監(jiān)測設(shè)計及數(shù)據(jù)分析

為防范滑坡造成生命財產(chǎn)和經(jīng)濟損失，企業(yè)引進雷達在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對滑坡災害高發(fā)區(qū)域進行在線實時監(jiān)測，提前預警預報，為安全生產(chǎn)工作提供決策依據(jù)。

3.1 雷達布置

采場邊坡布設(shè)的雷達型號為S-SAR-I 長軌道雷達，雷達正對不穩(wěn)定邊坡，距離約為1 500 m，橫向覆蓋角度為28。，覆蓋范圍寬度約為747 m；縱向覆蓋角度為18。，覆蓋范圍高度約為474 m。根據(jù)以上計算結(jié)果將雷達參數(shù)設(shè)置如下：觀測近距為300 m，觀測遠距為2 200 m，雷達運行間隔30 min，監(jiān)測精度為0.1 mm，現(xiàn)已實現(xiàn)對重點監(jiān)測區(qū)域全部覆蓋。雷達監(jiān)測變形的正負代表變形的方向，雷達監(jiān)測點位選址示意圖如圖3所示。

3.2 雷達技術(shù)參數(shù)

雷達距離待測邊坡距離約為1 500 m，雷達橫向覆蓋角度為28。，經(jīng)過初步測算，橫向可覆蓋范圍寬度約為747 m；縱向覆蓋角度為18。，經(jīng)過初步測算縱向可覆蓋范圍高度約為474 m。已將重點監(jiān)測區(qū)域全部覆蓋。表1 為部署的邊坡雷達的主要技術(shù)參數(shù)。

3.3 預警值設(shè)計

在預警值的設(shè)計上，以上述面積加速率的雙指標進行預警。其中，面積預警值應于實際工程可以接受的變形面積進行設(shè)置，本項目設(shè)置為20 m2，速率預警值以歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行設(shè)置并隨時進行優(yōu)化。

3.3.1.堅硬巖

圖3 邊坡雷達選址示意圖

表1 邊坡雷達主要技術(shù)參數(shù)

露天采場東幫南部邊坡滑坡嚴重，S-SAR 雷達布置在采坑西幫對東幫區(qū)域進行監(jiān)測。在監(jiān)測到第6 天時邊坡的變形速度達到6.5 mm/h，隨后邊坡發(fā)生滑坡。據(jù)此將邊坡變形的紅色預警值初步設(shè)置為6.5 mm/h，黃色預警值較紅色預警值小2 mm/h，為4.5 mm/h，確保變形達到垮塌前能有一定的安全儲備。

3.3.2.松散巖

為了及時預報極端降雨天氣條件下的軟基移動，采用S-SAR 雷達對松散巖體進行了為期1 年的監(jiān)測。紅色預警值設(shè)置為位移量9 mm/h。2017 年5 月上旬發(fā)布紅色預警信息后3 天，發(fā)生局部滑塌，滑體體積約2 000 m3。

雷達監(jiān)測采場區(qū)域為礦區(qū)采場的東部邊坡，該區(qū)域巖體表面有一定程度的風化，但風化程度不高。另外，雷達監(jiān)測區(qū)域的老滑坡位置正對雷達的監(jiān)測方向，坡面與雷達監(jiān)測方向基本成90。角相交。該邊坡整體上介于堅硬巖和松散巖之間，預警值設(shè)置為：

（1）黃色預警值：位移量每小時不超過6 mm；每天不超過72 mm；每周不超過252 mm。

（2）紅色預警值：位移量每小時不超過8 mm；每天不超過96 mm；每周不超過336 mm。

3.4 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2018 年5 月24 日，雷達監(jiān)測范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)地面出現(xiàn)較大裂縫，裂縫沿坡面走向延展，長度為幾米到十幾米不等，裂縫寬度主要集中在3 cm 以下。5 月25 日，預警軟件發(fā)出聲光報警、短信報警。邊坡于5 月27 日上午2 時左右臺階1 225-1 285 發(fā)生滑坡。如圖4 所示為5月24 日觀測到的現(xiàn)場裂縫照片。

分析雷達的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，在觸發(fā)滑坡預警區(qū)域內(nèi)的形變曲線來研究監(jiān)測區(qū)域內(nèi)坡體的變形特征。如圖5所示為重點監(jiān)測區(qū)域雷達形變分析圖，通過分析可直接獲得該區(qū)域的變形—時間曲線。

圖4 現(xiàn)場裂縫

圖5 重點監(jiān)測區(qū)域

從邊坡雷達監(jiān)測曲線成果圖中，獲取觸發(fā)預警前的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖，可發(fā)現(xiàn)坡體上所選標識點的曲線隨時間的增加變形量不斷增加，說明坡體加速變形。將速度倒數(shù)法[6]應用于雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)加速變形階段的數(shù)據(jù)分析，分析臨滑階段數(shù)據(jù)并用直線進行擬合，令，則。擬合后的直線如圖6 所示。

圖6 擬合后的直線

根據(jù)速度倒數(shù)法的物理意義，臨滑階段速度急速增加，當滑前瞬間速度趨近于無限大，速度倒數(shù)快速趨近于零，此時，直線與時間軸的交點即為滑坡時間。通過上述擬合公式分析知，預測滑坡時間為5 月27 日0 時41 分，實際滑坡時間為5 月27 日01 時54 分，前后相差1 時13 分。

4 結(jié)論

在我國礦山安全生產(chǎn)工作中，露天礦山邊坡失穩(wěn)已經(jīng)是影響礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年來，地基合成孔徑雷達已廣泛應用于地表微變形監(jiān)測領(lǐng)域和礦山滑坡預警，并取得顯著成效，本文基于地基合成孔徑雷達在露天礦山的應用研究，得出以下結(jié)論：

（1）邊坡雷達是與傳統(tǒng)點接觸式監(jiān)測手段不同的遙感監(jiān)測手段，可以通過遠距離無接觸的方式獲取被測目標的變形和規(guī)模發(fā)展變化等關(guān)鍵信息，是適用于礦山邊坡工程的監(jiān)測手段。

（2）對于邊坡雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用面積加速率的雙指標的預警方法，對于減少預警誤報，提高預警的準確性和實用性，具有重要的作用。

（3）對于發(fā)出預警的危險區(qū)域，通過分析該區(qū)域的形變—時間或速度—時間曲線，并采用速度倒數(shù)法，可以較為準確地預測滑坡發(fā)生的時間。

（4）有關(guān)邊坡的監(jiān)測預警值設(shè)定，主要與邊坡巖性特征、坡度、高度有關(guān)。邊坡的巖性越好預警值越小，邊坡的坡度越大預警值越小。預警值設(shè)置應科學合理，能有效預警預報，為決策提供依據(jù)。