合成孔徑邊坡雷達在南露天煤礦的應(yīng)用

丁 輝 李千慧 孫有剛

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室；3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；4.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司南露天煤礦）

露天礦山采場和排土場邊坡穩(wěn)定性問題，一直是專家學(xué)者研究的重點課題［1-3］，邊坡巖土體在爆破、地震、降雨和人工活動影響下，很容易發(fā)生滑坡，加強大范圍邊坡表面位移的監(jiān)測并及時預(yù)警至關(guān)重要，眾多學(xué)者對邊坡滑坡預(yù)警進行了深入研究［4-7］。2000 年，意大利研究小組首次應(yīng)用合成孔徑邊坡雷達監(jiān)測邊坡表面位移。經(jīng)過多年的不斷實踐和發(fā)展，現(xiàn)國外合成孔徑邊坡雷達主要有意大利IDS公司研發(fā)的IBIS（Image by Interferometric Survey）雷達和歐洲委員會聯(lián)合研究中心研發(fā)的Linear SAR雷達等，國內(nèi)主要有中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)的礦山邊坡合成孔徑雷達監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和內(nèi)蒙古方向圖科技有限公司研發(fā)的微變監(jiān)測合成孔徑雷達。

南露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市霍林郭勒市境內(nèi)，始建于1981年6月，核定年生產(chǎn)能力為1 800萬t。露天礦邊坡地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有多個斷層，巖性變化較大，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且與地表水聯(lián)系密切。該礦采礦作業(yè)強度高，是典型的多采場、多排土場的露天礦，隨著不斷地開采作業(yè)和內(nèi)排，西幫邊坡的高度差不斷加大，導(dǎo)致西幫邊坡面臨滑坡失穩(wěn)風(fēng)險，迫切需要對西幫邊坡進行全面實時監(jiān)測。傳統(tǒng)的GNSS監(jiān)測等手段是點位移監(jiān)測，不能滿足大范圍邊坡實時監(jiān)測需求。合成孔徑邊坡雷達是一種高分辨率成像雷達，分辨率強、精度高、掃描范圍大，全天候掃描，不受雨雪等惡劣天氣的影響，以礦山地質(zhì)圖作為底圖，能夠非常清晰地監(jiān)測邊坡表面位移變化情況，在露天礦邊坡監(jiān)測中廣泛應(yīng)用［8-11］。在南露天礦應(yīng)用合成孔徑邊坡雷達技術(shù)，通過對西幫邊坡位移變化情況實時監(jiān)控，為礦山提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，提前預(yù)報預(yù)警可能的滑坡災(zāi)害。

1 工程概況

南露天礦西幫處于向斜構(gòu)造之上，地勢西南高、東北低，富含多個斷層構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。巖性整體較弱，受凍融影響、人工采礦活動和內(nèi)排土場的不斷加高等影響，邊坡穩(wěn)定性較差。由于不穩(wěn)定邊坡范圍較大，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式很難整體上監(jiān)控西幫邊坡變形情況，而合成孔徑雷達技術(shù)完全符合礦山西幫邊坡監(jiān)測的需求。

合成孔徑雷達布置于東幫，掃描西幫二號檢修地、西二排復(fù)合邊坡和南區(qū)西端幫等重點區(qū)域，如圖1所示。

2 合成孔徑邊坡雷達

2.1 雷達監(jiān)測原理

合成孔徑雷達向邊坡目標發(fā)射電磁波，通過接收回波信號提取數(shù)據(jù)，獲取雷達到監(jiān)測目標的距離。應(yīng)用步進頻率連續(xù)波技術(shù)、合成孔徑雷達技術(shù)和差分干涉技術(shù)，分別獲得最小分辨單元的距離向分辨率、方位向分辨率和位移變化值。

步進頻率連續(xù)波技術(shù)是指雷達的工作頻率會隨著時間而發(fā)生周期性的變化，一般都以均勻步長進行線性變化，每個頻率點持續(xù)的時間相同。步進頻率連續(xù)波技術(shù)可以獲取窄脈沖信號，提高距離分辨率。南露天礦合成孔徑雷達電磁波帶寬為0.5 GHz，距離分辨率可達0.3 m。

其距離向分辨率公式為

式中，R為距離向分辨率，m；c為光速，m/s；B為電磁波帶寬，Hz。

合成孔徑雷達技術(shù)是指應(yīng)用一個較小的真實天線沿長線陣運動，在不同位置上發(fā)射相參信號，并接收回波信號，對回波信號進行處理，合成一個等效的大孔徑天線信號，提高方位向分辨率。礦山應(yīng)用的合成孔徑雷達方位向分辨率可達5.4 mrad。

其方位向分辨率為

式中，α為方位向分辨率，rad；λ為波長，m；L為雷達軌道長度，m。

合成孔徑雷達距離向和方位向分辨率示意圖如圖2所示。邊坡目標被分割成若干小單元。

差分干涉技術(shù)是指合成孔徑雷達在完成2次或2次以上掃描時，通過對比每個單元格中2次或者多次回波信息的相位差，獲取單元格的形變位移值，精度可達0.1 mm。

數(shù)據(jù)的處理流程：原始影像獲取—聚焦成像—點目標提取—相位解繞—大氣校正—干涉處理—變形分析等。

將每個單元格的位移—時間變化結(jié)合起來即可獲得監(jiān)測范圍內(nèi)的位移云圖，再結(jié)合礦山地質(zhì)底圖，可直觀地實時監(jiān)控邊坡位移—時間變化情況，如圖3所示。

2.2 預(yù)警設(shè)置

受到重力影響，斜坡巖土體位移—時間曲線具有初始變形—勻速變形—加速變形三階段演化特征。初始變形階段，邊坡體產(chǎn)生微裂隙，位移變形曲線表現(xiàn)為較大的斜率，變形速度較大，隨著時間的推移，變形速度逐漸減緩趨于正常狀態(tài)。勻速變形階段，變形曲線斜率近乎不變，位移變化近似于勻速變化。在加速變形階段，當變形達到一定程度，位移曲線斜率表現(xiàn)為不斷加大、變形速度不斷增長趨勢，直至滑坡失穩(wěn)。加速階段一般又分為初加速階段、中加速階段和臨滑階段。

合成孔徑雷達根據(jù)在南露天礦的實際應(yīng)用，設(shè)置藍、黃、橙、紅四級預(yù)警閾值，為確保可能的滑坡不漏報，特將四級預(yù)警閾值設(shè)置相對較小值。如表1所示，當變形速度達到0.5 mm/h 時，邊坡對應(yīng)位置可能有裂縫開裂或裂縫已經(jīng)開裂，此時為藍色預(yù)警，需要加強現(xiàn)場巡視；當變形速度達到1 mm/h 時，裂縫可能已經(jīng)擴展甚至貫通，此時為黃色預(yù)警，需增加現(xiàn)場巡視的頻率；當變形速度達到1.5 mm/h 時，裂縫可能已經(jīng)貫通甚至迅速變化拉開，此時為橙色預(yù)警，必要時停止作業(yè)；當變形速度達到2 mm/h 時，裂縫可能已經(jīng)拉開甚至發(fā)生下錯，此時為紅色預(yù)警，需停止作業(yè)，及時撤離人員設(shè)備并拉起警戒線。

2.3 雷達組成

南露天煤礦采用內(nèi)蒙古方向圖科技有限公司研發(fā)的微變監(jiān)測雷達對采場邊坡監(jiān)測。主要包括導(dǎo)軌系統(tǒng)、雷達收發(fā)系統(tǒng)和總控系統(tǒng)，如圖4 所示。雷達收發(fā)系統(tǒng)主要功能是發(fā)射和接收電磁波，收發(fā)系統(tǒng)在導(dǎo)軌上水平運動，總控系統(tǒng)控制收發(fā)系統(tǒng)的移動并接收采集的信號數(shù)據(jù)。

安裝時首先固定好導(dǎo)軌系統(tǒng)并調(diào)平，組裝總控系統(tǒng)并安裝控制軟件，安裝總控和導(dǎo)軌系統(tǒng)連接線，啟動總控軟件開始掃描。收發(fā)系統(tǒng)將沿著導(dǎo)軌系統(tǒng)單向運動，發(fā)射電磁波并接收回波，完成一次掃描后，收發(fā)系統(tǒng)將自動回歸原位并進行下一次掃描。掃描的原始數(shù)據(jù)存儲在總控電腦硬盤，通過4G 物流卡網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至總部數(shù)據(jù)庫，通過網(wǎng)頁端查看解析的邊坡位移云圖數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

南露天礦西幫二號檢修地860 m 平盤于2021 年4 月7 日發(fā)生小規(guī)模片幫，長度約40 m，高度約20 m。經(jīng)現(xiàn)場勘查，860 m 平臺東側(cè)裂縫貫通，整體往836 m平臺錯動，如圖5所示。

二號檢修地片幫區(qū)域選取邊坡雷達監(jiān)測特征點，變形位移和速度曲線如圖6 所示。4 月7 日14 時變形速度為1.8 mm/h，觸發(fā)橙色預(yù)警，啟動應(yīng)急預(yù)案，通知現(xiàn)場作業(yè)車輛人員避開該區(qū)域，并組織人員現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生并不斷擴展。至16 時速度有所減慢，并減小至0.8 mm/h，16～22 時，變形速度不斷加大，從0.8 mm/h 增大至4 mm/h，觸發(fā)紅色報警，夜間禁止車輛從報警區(qū)域經(jīng)過。22時至次日0時，變形速度達到最大值10 mm/h，發(fā)生滑坡。直至8 日1時左右，速度逐漸減小并穩(wěn)定在1 mm/h 以下，滑坡趨于穩(wěn)定。從7 日16—20 時為勻速變形階段，位移不斷增大，變形速度幾乎勻速，裂縫不斷增長。7 日20時—8日0時為加速變形階段，速度急速增長，裂縫貫通，滑體失穩(wěn)發(fā)生片幫，從勻速變形至滑坡歷時8 h。

合成孔徑雷達在西幫二號檢修地位移監(jiān)測過程中，預(yù)警位移曲線變化與實際片幫災(zāi)害過程相符，成功預(yù)測本次片幫災(zāi)害，給礦方管理人員充足時間啟動應(yīng)急預(yù)案，及時撤離人員和設(shè)備，避免造成更大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

4 結(jié)論

（1）本次滑坡實例表明，在邊坡滑坡臨滑前，勻速變形階段和加速變形階段雷達監(jiān)測位移變化明顯，在邊坡雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)中注重變形階段判斷，對準確預(yù)報預(yù)警滑坡災(zāi)害具有重要意義。

（2）合成孔徑雷達其遠距離、無接觸、全天候、大范圍、高精度監(jiān)測等特點，適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的露天礦邊坡監(jiān)測，操作簡單，監(jiān)測數(shù)據(jù)精確，在滑坡短期臨滑預(yù)報的應(yīng)用中，能夠較好地監(jiān)測滑坡過程，對及時預(yù)警災(zāi)害提供數(shù)據(jù)支撐，避免造成嚴重的設(shè)備損壞和經(jīng)濟損失，保障人員安全。