邊坡雷達(dá)在露天礦山高陡邊坡監(jiān)測預(yù)警中的重要性

蘭舜涯

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

開采業(yè)的發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)存在密切關(guān)系，近年來我國礦產(chǎn)開采行業(yè)得到了良好發(fā)展，但是依然存在著諸多危險(xiǎn)因素。露天礦山開采的過程中要求采礦作業(yè)人員高度重視自然邊坡等自然環(huán)境對作業(yè)帶來的影響，隨著礦山開采活動(dòng)的深入，一些邊坡到常年受生物分化、物理、化學(xué)等外力作用導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重侵蝕，尤其是大型露天礦山在多年服務(wù)下，由于高強(qiáng)度開展以及受到爆破、振動(dòng)等因素影響容易出現(xiàn)山體滑坡，而該問題將嚴(yán)重威脅作業(yè)人員生命安全，因此必須對露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，監(jiān)測相關(guān)參數(shù)，分析重點(diǎn)區(qū)域的時(shí)變形量、日變形量，然后分析邊坡的變形趨勢，提前預(yù)警和預(yù)報(bào)邊坡垮塌和滑坡情況，進(jìn)而最大程度減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前礦山開采中邊坡穩(wěn)定性檢測成為了露天礦山行業(yè)高度重視的問題，以下對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

1 邊坡雷達(dá)基本原理及預(yù)警方法

1.1 邊坡雷達(dá)基本原理

對于邊坡雷達(dá)來說，其主要是利用地基的合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)自上世紀(jì)60年代發(fā)展以來技術(shù)逐漸成熟，目前能夠全天候的進(jìn)行在線監(jiān)測，具有分辨率高、監(jiān)測距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，借助脈沖壓縮技術(shù)可以保證監(jiān)測距離以及分辨率，然后通過觀測時(shí)間和雷達(dá)相對運(yùn)動(dòng)得到合成孔徑。然后把同一目標(biāo)區(qū)域不同時(shí)間下得到的序列二位高分辨率圖像有機(jī)結(jié)合之后利用圖像的相位差反演，最終得到精確度高的形變信息對區(qū)域監(jiān)控[1]。

1.2 預(yù)警方法和思路

利用邊坡雷達(dá)的基本原理把合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)，將其用在礦山邊坡監(jiān)測以及預(yù)警當(dāng)中能夠獲取被測邊坡的整體形變發(fā)展情況以及掌握邊坡穩(wěn)定性，之后借助邊坡預(yù)警等手段有效分析。在開展山體滑坡等災(zāi)害防治工作的過程中。當(dāng)形成一定范圍的邊坡破壞時(shí)就會(huì)成為邊坡動(dòng)力災(zāi)害或者事故防范的重點(diǎn)內(nèi)容。換言之，在工程的實(shí)際利用角度講，只有超出邊坡變形區(qū)域的一定范圍后，才可以作為滑坡事故或者災(zāi)害的變形區(qū)域。利用邊坡雷達(dá)監(jiān)測基本原理，邊坡雷達(dá)能夠獲取監(jiān)測結(jié)果，掌握覆蓋范圍內(nèi)的邊坡變形情況，然后記錄變化信息，進(jìn)而對掌握區(qū)域內(nèi)的變形情況和不確定區(qū)域的規(guī)模提供數(shù)據(jù)信息，其中在分析關(guān)鍵變形信息的過程中，把變形面積當(dāng)做預(yù)警指標(biāo)，以此反映出邊坡不穩(wěn)定區(qū)域的大小。當(dāng)前雷達(dá)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量上百萬，不過也存在個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)異常的可能性，如果只設(shè)置變形速度閾值可能會(huì)存在誤報(bào)情況，所以需要利用面積加速率的雙指標(biāo)劃破預(yù)警方法加以解決，在設(shè)置面積閾值后，根據(jù)變形速率對滑坡進(jìn)行預(yù)警，以此有效提升利用價(jià)值[2]。

2 工程概況

四川省西北某鐵礦開采場自1971年投產(chǎn)以來，每年可生產(chǎn)1，500萬噸鐵礦石，作為特大型露天開采礦山成為了攀鋼礦石的主要原材料供應(yīng)基地。該礦山周邊具有邊坡高度大、長度大、巖石風(fēng)化顯著、暴露時(shí)間長斷層等特征?？傮w開采長度達(dá)4公里，寬度1.1公里，面積約4.4平方公里。臺(tái)階高度12m~46m，寬度3.5m~48m，最高邊坡637m，邊坡角度44.5°，分布有粗粒輝長巖組、細(xì)粒輝長巖組以及鐵礦體。在監(jiān)測區(qū)域分布著大量多臺(tái)階的人工邊坡臺(tái)階，寬度整體為3.5m~48m，其中1505m以上為自然邊坡，1505m以下為人工邊坡，結(jié)合礦山開展設(shè)計(jì)要求，開采露天地確定為1km高度，開采邊坡可形成至少500m的人工邊坡礦區(qū)，整體地勢呈自西北向西南傾斜，走向且西北偏高、東南偏低。整體高差接近1600m。此外，地形受到地質(zhì)條件影響山脈呈東北西南走向該地區(qū)，山體陡峭、溝谷發(fā)育，受風(fēng)力侵蝕較為明顯。當(dāng)前礦山處于深凹露采階段，由于高陡邊坡的大范圍存在，對開采生產(chǎn)能力產(chǎn)生嚴(yán)重制約影響，并且威脅作業(yè)人員安全。當(dāng)前礦山已經(jīng)形成接近4千米的開采區(qū)域形成850m寬的露天采場，該鐵礦開采區(qū)建設(shè)以來多次發(fā)生山體滑坡。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，2015年出現(xiàn)60處滑坡17年發(fā)生兩次滑坡，由此形成了邊坡的地層。2015年出現(xiàn)的山體滑動(dòng)破壞了公路長度接近1300m，同時(shí)導(dǎo)致礦區(qū)二氧化鈦礦石無法開采，所以說做好邊坡預(yù)警和監(jiān)測工作具有的重要意義。

3 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方案

結(jié)合露天礦山地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況，當(dāng)前利用GPS監(jiān)測技術(shù)、全站儀監(jiān)測技術(shù)和雷達(dá)位移監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的方法，能夠顯著提升監(jiān)測效果具體說來。

3.1 全站儀監(jiān)測

對于全站儀來說，其優(yōu)勢在于測量精確度高，尤其是在露天開采邊坡變化較慢的裂縫和裂隙當(dāng)中作用十分明顯，并且全站儀造價(jià)低廉，最后全站儀無須衛(wèi)星信號(hào)，不會(huì)受到室內(nèi)等衛(wèi)星信號(hào)不佳因素的影響。不過全站儀監(jiān)測也存在其劣勢，其問題主要在于測量距離較短，并且在露天礦區(qū)高海拔的條件下，為了減少檢測人員的工作強(qiáng)度需要適應(yīng)缺氧環(huán)境[3]。

3.2 GPS監(jiān)測

對于觀測邊角相對幾何關(guān)系的傳統(tǒng)方法來說，GPS監(jiān)測技術(shù)的自動(dòng)化特征更為明顯，可以有效減少戶外監(jiān)測的強(qiáng)度，同時(shí)還能夠迅速可靠地獲取三維點(diǎn)位監(jiān)測數(shù)據(jù)。其具體優(yōu)勢如下：一方面，觀測站之間無需通視，以此有效減少測量工作花費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)監(jiān)測點(diǎn)位的變化選擇更加靈活，為了讓這GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾，需要確保監(jiān)測占上方地域開闊；另一方面，在于定位精確度更高、觀測時(shí)間更短，能夠?yàn)闄z測人員提供三維坐標(biāo)，以此獲得更為精確的大地高程。此外，GPS技術(shù)的測量操作更為便捷，憑借其自動(dòng)化強(qiáng)的優(yōu)勢可以幫助測量人員在電腦上觀測儀器的工作狀態(tài)，進(jìn)而滿足自動(dòng)化觀測需求，打開儀器電源即可獲取三維坐標(biāo)，GPS用戶接收機(jī)體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶。除了以上三個(gè)方面的優(yōu)勢，GPS技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)，能夠在任何時(shí)間地點(diǎn)連續(xù)檢測，不會(huì)受到天氣變化因素的影響。盡管GPS技術(shù)比全站儀有效節(jié)約人力投入，并且監(jiān)測效果好，但是在露天礦區(qū)監(jiān)測過程中都需要觀測人員親自到觀測點(diǎn)分析觀測點(diǎn)位坐標(biāo)，并且由于礦區(qū)的自然環(huán)境較為惡劣，出于觀測人員的安全考慮不能在大風(fēng)條件下和夜間條件下檢測，所以GPS技術(shù)以及全站儀監(jiān)測只能作為輔助檢測手段。

3.3 雷達(dá)SSR系統(tǒng)

該雷達(dá)系統(tǒng)是毫米級精確度的實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，具有精確度高長距離監(jiān)測的優(yōu)勢。其精確度可控制在0.01mm之內(nèi)，測量范圍高達(dá)3500m，水平掃描角度達(dá)到270°，垂直掃描角度為120°，可以在1~30分鐘之內(nèi)滿足掃描需求，其功能在于對監(jiān)測巖石的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，滿足24小時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，無需監(jiān)測人員觸碰設(shè)備即可在電腦上顯示，并且該設(shè)備拆卸方便，能夠?qū)τ^測影像保存在露天礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測過程中不會(huì)受到任何天氣條件的影響[4]。

4 監(jiān)測設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)

為了最大程度減少由于山體滑坡造成的經(jīng)濟(jì)損失，新時(shí)期需要利用雷達(dá)在線監(jiān)測系統(tǒng)，以此對滑坡多發(fā)區(qū)實(shí)施監(jiān)測，通過提前預(yù)警預(yù)報(bào)指導(dǎo)礦山企業(yè)采取相關(guān)措施，具體如下。

4.1 雷達(dá)布置

采場邊坡的雷達(dá)為長軌道雷達(dá)其位置與不穩(wěn)定邊坡相對設(shè)置距離1500m，橫向覆蓋角度元28°，整體覆蓋寬度750m，縱向覆蓋角度約18°，整體覆蓋高度470m，結(jié)合以上參數(shù)將觀測距離設(shè)置為300m~2200m，雷達(dá)運(yùn)行30分鐘。監(jiān)測精度可達(dá)到0.1mm，如今可以對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，利用正負(fù)表示雷達(dá)監(jiān)測變形的方向。

4.2 雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

雷達(dá)與待測邊坡距離達(dá)到1500m，雷達(dá)橫向覆蓋角度設(shè)定為28°，經(jīng)過初步計(jì)算，橫向可覆蓋寬度達(dá)到750m，縱向覆蓋角度達(dá)到18°，可以滿足重點(diǎn)區(qū)域的全部覆蓋[5]。

4.3 預(yù)警值設(shè)計(jì)

對于預(yù)警值的設(shè)計(jì)來說，主要是基于面積加速率的雙向指標(biāo)，其中面積預(yù)警值要達(dá)到工程可接受范圍，變形面積本項(xiàng)目設(shè)置為20立方米速率預(yù)警值，根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)優(yōu)化。

4.3.1 堅(jiān)硬巖

在露天開采場的過程中，東南部邊坡滑坡較為嚴(yán)重，利用雷達(dá)布置在開采場的西側(cè)可以對東部區(qū)域監(jiān)測，在檢測第6天時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡的變形速度為每小時(shí)6.5mm，發(fā)生滑坡幾率較大，根據(jù)邊坡變形紅色預(yù)警值，將其設(shè)置為每小時(shí)6.5mm，黃色預(yù)警值設(shè)置為每小時(shí)2mm，確保變形達(dá)到垮塌前的安全儲(chǔ)備[6]。

4.3.2 松散巖

該地區(qū)的極端降雨天氣下容易導(dǎo)致滑坡幾率增加，為此需要認(rèn)真做好天氣情況監(jiān)測工作，利用雷達(dá)起到了對松散巖石的監(jiān)測。在為期一年的監(jiān)測時(shí)間中，紅色預(yù)警值設(shè)置為每小時(shí)9mm，在紅色預(yù)警信息發(fā)布后三天發(fā)生了嚴(yán)重滑塌，滑體面積達(dá)到2000立方米。雷達(dá)監(jiān)測開采場區(qū)域地處開采場的東部，并且?guī)r體表面出現(xiàn)分化情況。此外，雷達(dá)監(jiān)測區(qū)域的老化或位置與雷達(dá)檢測方向相對應(yīng)，雷達(dá)和坡面監(jiān)測呈90°角。具體預(yù)警值設(shè)置如下：在黃色預(yù)警值設(shè)置中位移每小時(shí)在6mm之內(nèi)，每天位移量在72mm之內(nèi)，每周位移量在252mm之內(nèi)。紅色預(yù)警值的位移量在每小時(shí)8mm之內(nèi)，每天位移量在96mm之內(nèi)，每周位移量在336mm之內(nèi)。

4.4 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

雷達(dá)監(jiān)測范圍發(fā)現(xiàn)地面存在較大裂縫，并且裂縫沿著陡坡方向擴(kuò)展長度為幾米至幾十米之間，裂縫寬度集中在3cm之內(nèi)。軟件發(fā)出聲光報(bào)警之后，邊坡在兩天后出現(xiàn)了1225m~1285m的滑坡。根據(jù)雷達(dá)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)觸發(fā)滑坡預(yù)警區(qū)域的變形曲線能夠分析監(jiān)測區(qū)域的坡體變形特征。從邊坡雷達(dá)監(jiān)測曲線中可以發(fā)現(xiàn)坡體上所選的標(biāo)志點(diǎn)曲線隨著時(shí)間變化而增加，由此說明坡體變形加速過程明顯[7]。

5 結(jié)語

綜上所述，對于我國礦山安全生產(chǎn)工作來說，目前露天礦山并不是問成為了影響礦產(chǎn)安全生產(chǎn)的重要因素。當(dāng)前地基合成孔徑雷達(dá)開始用于地表微變形監(jiān)測和礦山滑坡預(yù)警工作當(dāng)中成效顯著。本文具體結(jié)論如下：首先，邊坡雷達(dá)和傳統(tǒng)接觸式的監(jiān)測手段存在差異性，通過遠(yuǎn)程距離無法接觸的方法能夠獲取目標(biāo)物的變化信息；其次，邊坡雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)利用面積加速率的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，能夠有效減少預(yù)警錯(cuò)誤問題，具有重要利用價(jià)值；再次，出現(xiàn)預(yù)警危險(xiǎn)區(qū)域利用形變時(shí)間曲線可以預(yù)測發(fā)生滑坡的時(shí)間。此外，對于邊坡監(jiān)測預(yù)警值設(shè)定來說，通常和邊坡巖石的特征高度坡度存在關(guān)系，如果巖石的邊坡坡度大，則預(yù)警范圍變小。