HC-GBSAR合成孔徑雷達邊坡監(jiān)測系統(tǒng)在研山鐵礦高陡露天邊坡的應用

呂 斌 于世杰 張洪宇 楊 剛 王月軍

（河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司）

隨著露天礦坑不斷向下延伸，邊坡體逐漸高陡，滑坡風險日益增大。當受降雨或地表水浸潤，更易發(fā)生滑坡、泥石流等災害，對人員、設備及礦山安全生產(chǎn)存在重大威脅。對邊坡穩(wěn)定性進行及時監(jiān)測及建立預警機制是避免產(chǎn)生滑坡事故的重要舉措。當前人工監(jiān)測、GNSS自動化監(jiān)測和光纖監(jiān)測等傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測方法智能化程度較低，一定程度上不能全面監(jiān)測并反映露天采場邊坡的實時變化。合成孔徑雷達監(jiān)測技術作為一種新型的智能在線監(jiān)測和預警手段，可遠程多方式智能操作、三維顯示、大范圍監(jiān)測、0.1 mm級監(jiān)測等，所以此技術可以應用在高陡露天礦山邊坡智能化監(jiān)測中。

為了更加準確地驗證新型邊坡雷達監(jiān)測技術的精度，在司家營研山鐵礦露天礦山采場東幫進行了監(jiān)測預警試驗和初步應用，有效地填補了司家營研山露天礦在智能化邊坡監(jiān)測上的不足。

1 工程概況

1.1 礦山基本情況

司家營研山鐵礦隸屬河鋼集團礦業(yè)公司，位于河北省唐山市灤州市響嘡街道東側約150 m處的構造剝蝕殘丘與灤河山前沖洪積扇傾斜平原交界部位。司家營研山鐵礦露天采場西北距離灤州市區(qū)直線距離約為4.0 km（公路里程約為6.0 km），露天采場采用由上向下的多臺階方式逐層開采，礦山屬大型凹陷露天礦，采場設計封閉圈為+30 m水平，目前采場已開采至-247 m水平。露天采場南北向長約1 660 m、東西向長約1 500 m，采場東邊幫現(xiàn)狀邊坡最大長度約為1 015 m，現(xiàn)狀邊坡高度為204.39～246.29 m［1-2］。

1.2 礦山地質

東幫邊坡頂部和上部為土質邊坡，第四系表土沖積層較厚，為40～70 m，土層具一定層序性（層理近水平），主要由第四系粉土、粉質黏土、粉細砂、中砂和卵石層組成，砂、土互層特征明顯。下部為傾向近似西的順傾巖質邊坡，巖體傾角為40°～60°，基巖巖性主要為石英砂巖、黑云變粒巖、混合巖化黑云變粒巖和白云母片巖。局部巖體風化破碎較嚴重，存在順層層理面和垂直裂隙，且東邊幫巖體普遍存在順層層理結構，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，局部風化嚴重，存在裂隙水發(fā)育情況，個別區(qū)段難以保證邊坡穩(wěn)定，從而嚴重影響采場作業(yè)人員和設備安全。且近幾年來東幫發(fā)生較明顯滑坡4次，而采場之前的邊坡監(jiān)測手段較單一，且監(jiān)測區(qū)域面積較小等，如若在現(xiàn)有盲區(qū)區(qū)段邊幫存在滑坡或滑坡傾向時，將嚴重影響采場的生產(chǎn)和人身安全?；谝陨显颍瑳Q定對采場東幫建立合成孔徑雷達監(jiān)測技術，并進一步應用［3］。

2 合成孔徑雷達監(jiān)測技術原理及主要裝置

2.1 合成孔徑雷達監(jiān)測技術原理

HC-GBSAR合成孔徑雷達監(jiān)測技術原理是利用一種很小的實物天線的運動來等效構成一個長天線，這樣就可以在雷達天線發(fā)射的運動方向上獲得一個同等效果的大天線孔徑（簡稱合成孔徑）［4］，雷達通過這種方式運行，對目標的分辨率將有所提高。

2.2 合成孔徑雷達監(jiān)測工作原理

首先，通過相位差分干涉處理提取相位變化信息，實現(xiàn)形變反演。相鄰2次形變點位的最大形變分辨能力是4.5 mm。然后利用PS點補償環(huán)境誤差和系統(tǒng)誤差，實現(xiàn)長時間、高精度的連續(xù)形變測量。地基SAR不存在空間基線，差分干涉處理時，并不需要去平地效應和去地形。真實的雷達圖像干涉結果包括了大氣、軌道、噪聲等誤差。采用基于動態(tài)PS點的永久性散射體技術建模去除各項誤差，獲取高精度形變［5-6］。合成孔徑雷達原理如圖1所示。

2.3 合成孔徑雷達設備構造

合成孔徑雷達監(jiān)測系統(tǒng)由雷達主機、固定雷達主機的底座、位移臺、實時監(jiān)測軟件設備以及高集成度控制機柜構成（圖2），其中雷達主機是此監(jiān)測設備的主要采集裝置，用于發(fā)射、回收雷達信號，具有防水功能；俯仰臺是固定雷達主機的底座，可根據(jù)采場地質情況和被觀測區(qū)域需求，隨時調整角度采集數(shù)據(jù)；位移臺是雷達主機監(jiān)測邊坡時的移動導軌，和鏈軌相連接，便捷易安裝；實時監(jiān)測設備通過雷達收集的信號，自主生成DEM模型數(shù)據(jù)，具有智能化預警分析、處理、展示功能；高集成度控制機柜存儲采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)和分析結果等通過有線或無線傳輸?shù)竭h程監(jiān)視設備上。

3 合成孔徑雷達監(jiān)測技術的試驗與應用

3.1 監(jiān)測點選擇

合成孔雷達監(jiān)測在應用時最重要的就是對雷達監(jiān)測點的布置選址。一般情況下應選擇在完成永久靠界的某個區(qū)域上方，同時該區(qū)域的地質條件比較穩(wěn)定，能夠長期用于監(jiān)測點的布設。

雷達監(jiān)測應用的初衷是加強對東幫采場的監(jiān)測預警，要保障雷達布置位置場地的安全性、穩(wěn)定性，保障雷達監(jiān)測系統(tǒng)布置后可以長期穩(wěn)定運行。所以，選擇采場西幫臨近變電站的位置進行觀測，同時解決了雷達房的電源問題，有效保障了電力的持續(xù)供應。觀測點距采場各位置的信息見表1。

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3.2 精度測試

為了驗證合成孔徑雷達監(jiān)測精度是否符合設計的0.1 mm監(jiān)測數(shù)值，利用千分尺，每次移動1 mm；分別在0，1，2 mm位置各測試15軌數(shù)據(jù)；目標距離約30 m。測量結果如圖3所示。

為更加精準地驗證雷達監(jiān)測的精度，分別以3次數(shù)據(jù)的平均值和每次移動的距離即表2的真值相比較，并通過均方根值和真值驗證其誤差值。從數(shù)據(jù)（表2）可以看出，通過簡單的試驗模擬分析，合成孔徑雷達監(jiān)測技術的精確值遠優(yōu)于0.1 mm，確定該邊坡雷達監(jiān)測技術適用于露天礦山邊坡情況的精準監(jiān)測。

3.3 智能化預警

（1）合成孔徑雷達監(jiān)測技術預警方式分為監(jiān)測全局預警和局部點位預警。這2種預警方式分別可以根據(jù)監(jiān)測邊坡地質、地貌條件的不同設置警戒值，通過分析一段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，設置合理的預警值；局部點位預警相對于全局預警更加靈活、直觀，該預警方式可隨時選擇監(jiān)測點位，便于技術人員針對采場變化而調整局部監(jiān)測位置。

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（2）該監(jiān)測模式有多種針對邊坡變化的智能化報警模式，如聲音報警、顏色報警、發(fā)送信息報警等方式，這幾種方式可以同時報警，及時有效地對監(jiān)測人員發(fā)出警戒。

3.4 監(jiān)測結果與分析

合成孔徑雷達監(jiān)測技術對露天礦山的監(jiān)測預警分析主要分為全局分析預警和局部分析預警。本研究主要分析雷達監(jiān)測的局部分析預警，即雷達監(jiān)測某一點位的分析預警情況。在此僅選取6個位移變化較明顯的點位進行分析，如圖4、圖5所示。

通過近幾個月對合成孔徑雷達成像數(shù)據(jù)的觀察，6個局部監(jiān)測點位都存在一定量的位移變化，但總體穩(wěn)定。在監(jiān)測過程中，專業(yè)技術人員對上述幾個區(qū)域進行了3次現(xiàn)場實際考察，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)變化位移圖分析得出：點1位于采場-6 m水平，現(xiàn)場未出現(xiàn)邊坡裂隙或位移情況，該位置正是邊坡護坡施工現(xiàn)場，排除該位置警戒危險；點2位于采場-67 m水平，從成像圖和變化圖看，該區(qū)域在監(jiān)測過程中發(fā)生負向位移，表明該區(qū)域的形變朝著遠離雷達方向發(fā)展，且形變位移量最大，累計形變量達23.37 mm，第一時間對點2周邊進行勘察，發(fā)現(xiàn)該點位置出現(xiàn)明顯位移變化，現(xiàn)場有一長42 m、寬130 mm的裂隙；點3位于采場-127 m水平，該區(qū)域在監(jiān)測過程中總體穩(wěn)定，僅表現(xiàn)出微小位移；點4位于采場-6 m水平，是采場第四系表土層分布的位置，受多雨季節(jié)影響，該部位土層出現(xiàn)明顯沉降并發(fā)生局部小范圍滑坡，在點4發(fā)生滑坡的同時，雷達監(jiān)測報警系統(tǒng)發(fā)出了警報，采場人員第一時間撤離現(xiàn)場，避免發(fā)生不必要的次生危險；點5位于采場-42 m水平，現(xiàn)場未出現(xiàn)邊坡裂隙或位移情況，該位置同樣是邊坡護坡施工現(xiàn)場，排除該位置警戒危險；點6位于采場-97 m水平，該區(qū)域在監(jiān)測過程中總體穩(wěn)定，僅表現(xiàn)出微小位移。

此次雷達監(jiān)測效果達到預期，效果較為理想。2021年8、9月份采場共降雨201.6 mm，是歷年來降雨最多的一年。受多次雨水沖刷，采場各處邊坡的潛在隱患增加。結合圖5，幾處監(jiān)測點位移浮動較大，而在9月末雨季基本結束時，邊坡位移變化又趨于穩(wěn)定。

4 結 論

合成孔徑雷達監(jiān)測技術是一種新型的邊坡監(jiān)測預警技術，基于雷達微波信號，通過相位差分干涉處理提取邊坡相位變化信息，有安全、智能預警、全天候、高精度、全覆蓋、機械化操作簡單等諸多優(yōu)點，能夠實時監(jiān)測采場邊坡變形，準確預警邊坡災害。