真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)在霍林河北露天煤礦的應(yīng)用

王立文

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著我國(guó)露天煤礦開采年限的不斷增長(zhǎng)，開采標(biāo)高的不斷加深，其地質(zhì)條件也日益復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性問題越發(fā)突出，尤其是內(nèi)蒙古呼倫貝爾、霍林郭勒及錫林浩特等地的露天煤礦。這些地區(qū)的巖層類型大多屬于軟巖邊坡，其穩(wěn)定性受地質(zhì)構(gòu)造、大氣降水、地下水運(yùn)動(dòng)、工程擾動(dòng)以及時(shí)間、空間等多方面因素影響較大，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重制約露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。

軟巖邊坡的穩(wěn)定性問題一直是露天煤礦邊坡治理的主要難題，其變形破壞機(jī)理尤為復(fù)雜，是邊坡安全工程中最重要的科研課題之一。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)各大露天煤礦逐漸采用了新型的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，即邊坡雷達(dá)來構(gòu)建自身的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。這種技術(shù)以大面積、遠(yuǎn)距離、高精度、全天時(shí)及全天候?yàn)樘攸c(diǎn)，能夠?qū)β短烀旱V的采場(chǎng)邊坡、排土場(chǎng)邊坡等易發(fā)生失穩(wěn)破壞的區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并能提前數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天發(fā)出臨滑預(yù)警，避免造成人員及設(shè)備損失，有效保障露天煤礦的生產(chǎn)安全[4-5]。為此，通過邊坡雷達(dá)對(duì)內(nèi)蒙古霍林河北露天煤礦的實(shí)際監(jiān)測(cè)案例進(jìn)行趨勢(shì)分析。

1 工程概況

1）項(xiàng)目情況。內(nèi)蒙古霍林河北露天煤礦屬于霍林河盆地，礦區(qū)地層由晚侏羅世興安嶺群火山巖系、晚侏羅-早白堊世霍林河群含煤巖系和新生界新近系、第四系組成。地質(zhì)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，褶曲不太發(fā)育，是由周圍老盤構(gòu)成的中低山所環(huán)繞的盆地，因而煤田內(nèi)、外含水層包括煤系風(fēng)化帶水、火山碎屑巖裂隙水以及第四系砂礫石含水層等，均以大氣降水為主要補(bǔ)給水源，主要集中在6、7、8 3 個(gè)月內(nèi)。礦區(qū)邊坡巖體自下至上依次為含煤巖系、第四系，內(nèi)外排土場(chǎng)主要來自采場(chǎng)邊坡中的粉砂巖、細(xì)砂巖等，各幫邊坡巖性條件較差，屬于典型的軟巖邊坡，內(nèi)外排土場(chǎng)屬于軟弱基底內(nèi)排土場(chǎng)，工程地質(zhì)條件不利于邊坡穩(wěn)定，受自身地質(zhì)構(gòu)造或外部自然、人工等因素影響極易造成邊坡失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重威脅露天煤礦的安全生產(chǎn)。

2）監(jiān)測(cè)手段。隨著露天煤礦采區(qū)的逐步降深，鼻梁道對(duì)排土場(chǎng)的支撐作用日趨顯著，但為實(shí)現(xiàn)一二采區(qū)的順利貫通，保障貫通過程中破除鼻梁道的安全施工，應(yīng)加強(qiáng)鼻梁道支撐排土場(chǎng)的邊坡監(jiān)測(cè)。經(jīng)過多種邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)對(duì)比，決定采用新型的邊坡雷達(dá)組建一套軟巖邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

2 邊坡雷達(dá)技術(shù)

目前我國(guó)各大露天礦山主流應(yīng)用的邊坡雷達(dá)按技術(shù)原理劃分主要有2 類，一類是合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，另一類是真實(shí)孔徑雷達(dá)技術(shù)。合成孔徑雷達(dá)衍生于航空航天測(cè)繪技術(shù)，其基于差分干涉雷達(dá)（DInSAR）技術(shù)，以運(yùn)動(dòng)軌道代替實(shí)際天線，通過在軌道上進(jìn)行水平往復(fù)掃描獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[6-7]。真實(shí)孔徑雷達(dá)是一種基于差值干涉測(cè)量法，利用雷達(dá)波測(cè)量邊坡巖體微小變形的新一代邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，通過碟形天線進(jìn)行步進(jìn)逐行掃描獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。真實(shí)孔徑雷達(dá)相較于合成孔徑雷達(dá)具有掃描角度大、獲取數(shù)據(jù)快、適應(yīng)能力強(qiáng)及移設(shè)方便等優(yōu)勢(shì)，可以更好地服務(wù)于露天礦山的邊坡安全工程。

真實(shí)孔徑雷達(dá)是一套用于露天礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警的新型技術(shù)設(shè)備，其發(fā)射高頻雷達(dá)波對(duì)邊坡巖體進(jìn)行連續(xù)、反復(fù)的測(cè)量，以類光斑像素點(diǎn)漸進(jìn)式的掃描邊坡表面，通過與前一次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析對(duì)比，從而獲得邊坡巖體時(shí)間序列上的位移數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)，隨著監(jiān)測(cè)周期的延續(xù)可以逐漸構(gòu)建出每個(gè)像素點(diǎn)的位移變化曲線和速度變化曲線，最終由點(diǎn)到面的生成可以反映所有邊坡巖體實(shí)時(shí)變形情況的三維云圖。

真實(shí)孔徑雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于無需布置在被測(cè)邊坡表面進(jìn)行接觸式測(cè)量，即能以亞毫米的精度對(duì)整個(gè)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。通過快速識(shí)別潛在的失穩(wěn)邊坡，可以提前數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)邊坡崩塌的發(fā)生概率，最大限度地減少滑坡災(zāi)害引起的損失，有效保障作業(yè)人員與車輛的安全，還可以對(duì)露天煤礦存在安全隱患的采場(chǎng)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)效率最大化。

3 邊坡滑坡預(yù)警機(jī)制

3.1 預(yù)警原理

滑坡是一種危害性較大的地質(zhì)災(zāi)害，一旦發(fā)生將會(huì)給露天煤礦的生產(chǎn)和安全帶來嚴(yán)重影響，甚至造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。露天煤礦的軟巖邊坡在形成過程中，由于受坡體內(nèi)軟弱夾層的流變特性控制，其邊坡巖體普遍具有蠕動(dòng)變形的特性，極易演化為片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。通過大量的滑坡案例可以發(fā)現(xiàn)，位移變形是軟巖邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞前最明顯、最直觀、最容易捕捉的外在表現(xiàn)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間研究滑坡過程中邊坡巖體的位移變化數(shù)據(jù)。典型滑坡位移-時(shí)間序列變化曲線模型如圖1。

圖1 典型滑坡位移-時(shí)間序列變化曲線圖

由圖1 的典型滑坡位移-時(shí)間序列變化曲線可以看出，軟巖邊坡在滑坡演變過程中具有3 個(gè)階段的變形特征：即初始變形階段、勻速變形階段和加速變形階段；其中加速變形階段還可以細(xì)分為加速變形初期、加速變形中期和加速變形后期。一旦進(jìn)入加速變形后期，就預(yù)示著軟巖邊坡已經(jīng)進(jìn)入臨滑階段，邊坡巖體隨時(shí)都會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，即發(fā)生滑坡。因此，利用一定的技術(shù)手段準(zhǔn)確掌握、判斷邊坡的變形演化規(guī)律是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)[8-9]。

1）初始變形階段表現(xiàn)為減速變化的特點(diǎn)。一般發(fā)生在邊坡形成的早期，其臨空自由面出現(xiàn)一定程度的位移變形，該階段存在時(shí)間較短，危險(xiǎn)性較低。

2）勻速變形階段表現(xiàn)為等速變化的特點(diǎn)。為邊坡長(zhǎng)期保持的狀態(tài)，其滑坡位移-時(shí)間序列變化曲線呈現(xiàn)斜率恒定的直線形態(tài)，即位移變形較小，該階段存在時(shí)間最長(zhǎng)。

3）加速變形階段表現(xiàn)為加速變化的特點(diǎn)。為邊坡出現(xiàn)穩(wěn)定性失衡的狀態(tài)，其滑坡時(shí)位移-時(shí)間序列變化曲線呈現(xiàn)斜率不斷增大的拋物線形態(tài)，即位移變形逐漸增大。當(dāng)邊坡內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到一定的臨界值后會(huì)集中釋放，最終導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。

3.2 預(yù)警級(jí)別

真實(shí)孔徑雷達(dá)對(duì)軟巖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警的工作模式是通過實(shí)時(shí)掌握邊坡巖體的位移數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)，快速識(shí)別潛在的失穩(wěn)區(qū)域，再依據(jù)典型滑坡位移-時(shí)間序列變化曲線與雷達(dá)的位移、速度變化曲線進(jìn)行擬合對(duì)比，判斷當(dāng)前軟巖邊坡所處的變形階段，并有針對(duì)性的制定預(yù)警級(jí)別[10]。

根據(jù)以往軟巖邊坡的滑坡監(jiān)測(cè)資料，可以在加速變形階段的3 個(gè)階段分別設(shè)置三級(jí)預(yù)警，其警報(bào)形式和預(yù)警閾值見表1。

表1 三級(jí)預(yù)警表

當(dāng)觸發(fā)三級(jí)預(yù)警閾值時(shí)，應(yīng)對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行險(xiǎn)情識(shí)別和危險(xiǎn)性評(píng)估，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)符合下列規(guī)定：①位移、速度變化曲線呈現(xiàn)加速趨勢(shì)；②預(yù)警區(qū)域無外部影響因素；③預(yù)警區(qū)域面積大于100 m2。

符合上述條件后，應(yīng)啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，其匯報(bào)程序如下：

1）當(dāng)變形速度達(dá)到8 mm/h 時(shí)，觸發(fā)Ⅲ級(jí)黃色預(yù)警，應(yīng)立即將預(yù)警區(qū)域的位置、面積及影響范圍匯報(bào)給生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，并將此區(qū)域劃分為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

2）當(dāng)變形速度達(dá)到15 mm/h 時(shí)，觸發(fā)Ⅱ級(jí)橙色預(yù)警，應(yīng)建議生產(chǎn)調(diào)度指揮中心撤離此區(qū)域的作業(yè)人員及設(shè)備；

3）當(dāng)變形速度達(dá)到30 mm/h 時(shí)，觸發(fā)Ⅰ級(jí)紅色預(yù)警，應(yīng)立即發(fā)布臨滑預(yù)警指令，并通知全礦人員及設(shè)備撤離該區(qū)域。

4 監(jiān)測(cè)應(yīng)用

4.1 監(jiān)測(cè)過程

2020 年11 月22 日19:00，真實(shí)孔徑雷達(dá)的三維云圖顯示內(nèi)蒙古霍林河北露天煤礦出現(xiàn)1 處異常變形區(qū)域，其位于西坑北幫824～890 m 水平區(qū)域，變形面積為120 m×70 m，變形速度為8 mm/h，累積位移為127 mm，同時(shí)該區(qū)域的位移、速度曲線呈現(xiàn)加速變化的趨勢(shì)，觸發(fā)了Ⅲ級(jí)黃色預(yù)警。在啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案的同時(shí)將相應(yīng)的監(jiān)測(cè)情況匯報(bào)給生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，在得到加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的指示后將此區(qū)域劃分為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，并實(shí)行24 h 實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。隨著時(shí)間的推移，三維云圖顯示異常變形區(qū)域的位移、速度曲線呈現(xiàn)進(jìn)一步加速的趨勢(shì)，至2020 年11 月22 日23:00 異常變形區(qū)域的變形速度達(dá)到15 mm/h，累積位移達(dá)到176 mm，觸發(fā)了Ⅱ級(jí)橙色預(yù)警，根據(jù)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案相關(guān)規(guī)定建議生產(chǎn)調(diào)度指揮中心撤離此區(qū)域的作業(yè)人員及車輛。至2020 年11 月23 日10：00異常變形區(qū)域的變形速度達(dá)到30 mm/h，累積位移達(dá)到461 mm，并呈現(xiàn)非常明顯的加速趨勢(shì)，觸發(fā)了Ⅰ級(jí)紅色預(yù)警，立即發(fā)布了臨滑預(yù)警指令，通知全礦人員及設(shè)備撤離該區(qū)域。

在臨滑預(yù)警指令發(fā)出12 h 后，即2020 年11 月23 日22:00 異常變形區(qū)域變形速度達(dá)到85 mm/h，累積位移達(dá)到1 077 mm，其上部890 m 水平平臺(tái)的裂隙逐漸加大加深，同時(shí)發(fā)生明顯的臺(tái)階沉降，最終形成1 次緩慢的蠕動(dòng)型滑坡。位移曲線如圖2，異常變形區(qū)域的速度曲線如圖3。

圖2 累積位移曲線圖

圖3 變形速度曲線圖

4.2 監(jiān)測(cè)分析

1）11 月22 日19:00-11 月22 日23:00。異常變形區(qū)域的位移、速度曲線呈現(xiàn)緩慢的加速變化趨勢(shì)，觸發(fā)Ⅲ級(jí)黃色預(yù)警，屬于加速變形初期階段。

2）11 月22 日23:00-11 月23 日10:00。異常變形區(qū)域的位移、速度曲線呈現(xiàn)進(jìn)一步的加速變化趨勢(shì)，觸發(fā)Ⅱ級(jí)橙色預(yù)警，屬于加速變形中期階段。

3）11 月23 日10:00-11 月23 日22:00。異常變形區(qū)域的位移、速度曲線呈現(xiàn)非常明顯的加速變化趨勢(shì)，觸發(fā)Ⅰ級(jí)紅色預(yù)警，屬于加速變形后期階段。

4）11 月23 日22:00-11 月24 日12:00。異常變形區(qū)域的位移、速度曲線呈現(xiàn)明顯的減速變化趨勢(shì)，屬于邊坡崩塌后的應(yīng)力釋放階段。

至2020 年11 月24 日12:00 異常變形區(qū)域的位移、速度曲線趨于平緩后，并通過現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)滑坡體已經(jīng)趨于穩(wěn)定，其危害性已經(jīng)大幅降低，隨即發(fā)布了臨滑預(yù)警解除指令。

5 結(jié)語

1）真實(shí)孔徑雷達(dá)可以對(duì)軟巖邊坡進(jìn)行24 h 監(jiān)測(cè)預(yù)警，實(shí)時(shí)掌握邊坡巖體的動(dòng)態(tài)變形情況，快速識(shí)別潛在的失穩(wěn)邊坡，提前發(fā)出臨滑預(yù)警，有效提升露天礦山對(duì)滑坡災(zāi)害的應(yīng)急管控能力。

2）針對(duì)軟巖邊坡的蠕動(dòng)變形特征，真實(shí)孔徑雷達(dá)可以對(duì)邊坡巖體的加速變形階段設(shè)置三級(jí)預(yù)警機(jī)制，并根據(jù)不同的預(yù)警級(jí)別制定相應(yīng)人員的疏散和設(shè)備轉(zhuǎn)移方案，最大限度的保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)安全。

3）結(jié)合露天煤礦的監(jiān)測(cè)案例，利用真實(shí)孔徑雷達(dá)對(duì)軟巖邊坡的蠕動(dòng)變形過程進(jìn)行全方位的跟蹤監(jiān)控，可以為露天礦山的采礦設(shè)計(jì)及邊坡治理提供安全保障。