雷達(dá)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在蒙東能源協(xié)調(diào)開采區(qū)的應(yīng)用

陳應(yīng)顯，Umrzakov Shuxrat，李佳瑩

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，對(duì)能源的需求量逐年加大，露天煤礦開采的比重增加。露天礦山深部凹陷開采可有效增加產(chǎn)量，但在其開采過程中會(huì)產(chǎn)生高陡邊坡，因?yàn)檫吰滤幍墓こ趟牡刭|(zhì)條件都十分復(fù)雜多變[1]，容易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，直接影響礦山經(jīng)濟(jì)效益[2]。露天礦邊坡從受到力的作用變形到最終破壞，其演化過程相當(dāng)長(zhǎng)。邊坡失穩(wěn)發(fā)展的過程，通常伴隨一系列邊坡地表和地下的宏觀與微觀的變形，位移監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)掌握這些現(xiàn)象的發(fā)生及其發(fā)展過程[3]。露天邊坡形變監(jiān)測(cè)是掌握邊坡穩(wěn)定狀況的有效手段，因此在邊坡形變監(jiān)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。邊坡監(jiān)測(cè)方法很多被用于對(duì)危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，概括分為對(duì)滑坡表面監(jiān)測(cè)和對(duì)滑坡地表深部進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)[4]。不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)防邊坡滑坡事故起到關(guān)鍵作用[5]。但同其它監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，邊坡雷達(dá)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取方面與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器相比具有諸多優(yōu)勢(shì)，適用于多種礦區(qū)，被國(guó)內(nèi)外多個(gè)礦山廣泛應(yīng)用，并獲得明顯效果[6]。

1 地基差分干涉雷達(dá)工作原理及組成

1.1 工作原理

差分干涉測(cè)量將不同2 個(gè)時(shí)刻所監(jiān)測(cè)物體反射的雷達(dá)波的相位差來進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)定測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的位置，最終獲取形變變化量或數(shù)字高程模型[7-8]。針對(duì)2次影像獲取期間，地面形變，須將地形相位從地平相位中移除以提取干涉相位形變數(shù)據(jù)，選用差分干涉測(cè)量。

假設(shè)在形變未發(fā)生時(shí)，地基雷達(dá)A 與測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離為S1，形變發(fā)生后形變量為d，與測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離為S2，設(shè)目標(biāo)點(diǎn)g 移動(dòng)前的雷達(dá)相位為φg，其形變發(fā)生后的雷達(dá)相位為，兩者間的相位差即為，則地基差分干涉雷達(dá)測(cè)量后得到該點(diǎn)的相位組成計(jì)算公式為：

因差分干涉測(cè)量無需考慮基線、大氣干擾等問題，因此測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)形變發(fā)生后形變量d 的計(jì)算公式為：

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)組成

邊坡雷達(dá)系統(tǒng)組成如圖1。雷達(dá)系統(tǒng)主要構(gòu)成為邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)、上位機(jī)、外部電源。交流電源或直流電源均可為邊坡雷達(dá)供電。

圖1 邊坡雷達(dá)系統(tǒng)組成

邊坡雷達(dá)的具體組成[9]：①調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)；②直流電源；③數(shù)控位移臺(tái)；④俯仰臺(tái)；⑤上位機(jī)（即主控計(jì)算機(jī)）。

上位機(jī)可以安裝在任意可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的地方，其軟件系統(tǒng)組成包括數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制、成像處理、實(shí)時(shí)形變處理和三維地形構(gòu)造等功能。其中數(shù)據(jù)采集部分通過控制雷達(dá)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)的采集；成像處理部分對(duì)原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行事后成像處理；實(shí)時(shí)形變處理部分完成精密形變測(cè)量；三維地形構(gòu)造部分實(shí)現(xiàn)利用外部地形數(shù)據(jù)構(gòu)造三維地形。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用概況

1）監(jiān)測(cè)區(qū)概述。監(jiān)測(cè)區(qū)位于內(nèi)蒙古勝利煤田西部，包括西二露天礦和烏蘭圖嘎露天礦。前者東西長(zhǎng)3.4～4.0 km，南北寬1.9～3.3 km，面積12.282 km2；后者呈不規(guī)則狀，面積約為6.4 km2。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，剝離物中軟巖占比達(dá)90 %左右，2005 年后采場(chǎng)曾發(fā)生過多次滑坡，致使采場(chǎng)周邊系統(tǒng)設(shè)施遭到破壞，對(duì)正常安全生產(chǎn)造成一定影響[10]。以蒙東能源勝利西二露天礦和烏蘭圖嘎露天礦協(xié)調(diào)開采區(qū)域?yàn)槔Y(jié)合該區(qū)域特有的工程及地質(zhì)特征，應(yīng)用地基差分干涉雷達(dá)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)。

2）雷達(dá)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。兩礦協(xié)調(diào)開采計(jì)劃到界南幫邊坡最大高度約100 m、邊坡角26°，其上部排土場(chǎng)高度約80 m、邊坡角14°，形成高度約180 m 的復(fù)合邊坡，在部分區(qū)段的采場(chǎng)與排土場(chǎng)間安全距離不足50 m，存在較大的安全隱患。由于受礦權(quán)界和烏煤排土場(chǎng)空間形態(tài)限制，兩礦協(xié)調(diào)開采南幫為典型的平面凸邊坡，這種平面形態(tài)不利于邊坡穩(wěn)定性，所以采取邊坡監(jiān)測(cè)措施是非常必要的。采用邊坡形變雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)協(xié)調(diào)開采區(qū)域采場(chǎng)、排土場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)位置及監(jiān)測(cè)范圍如圖2。

圖2 雷達(dá)位置及監(jiān)測(cè)范圍

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

雷達(dá)監(jiān)測(cè)1 個(gè)周期獲得165 942 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，形變監(jiān)測(cè)分析預(yù)警系統(tǒng)從中均勻地提取55 314個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為分析樣本，對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行形變和形變速率分析。雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從2019 年4 月21 日開始錄入數(shù)據(jù)到2019 年7 月23 日，共采集到1 720 萬條記錄。

1）雷達(dá)監(jiān)測(cè)累積形變。截至2019 年5 月12 日，累積形變的大小范圍為0～1.177 m，最大累積形變1.177 m，所在的監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)為52864。52864 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變量如圖3。52864 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變速度如圖4。

圖3 52864 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變量

圖4 52864 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變速度

2）雷達(dá)監(jiān)測(cè)形變速率。形變速率的大小從0～0.204 m/d 變化，截至2019 年7 月23 日，最大形變速率為0.204 m/d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)為51401。

3 結(jié)語

在對(duì)地基差分干涉雷達(dá)工作原理及雷達(dá)系統(tǒng)組成分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)蒙東能源勝利西二露天礦和烏蘭圖嘎露天礦協(xié)調(diào)開采區(qū)域特有的工程、地質(zhì)特征，在該區(qū)域協(xié)調(diào)開采期間使用地基差分干涉雷達(dá)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析利用。使用雷達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積形變數(shù)據(jù)和形變速率數(shù)據(jù)，分別生成形變等值線圖和形變速率大小分布圖，由此確定出累積形變較大區(qū)域及范圍，并進(jìn)一步確定出潛在滑坡區(qū)。通過對(duì)露天礦邊坡形變進(jìn)行實(shí)時(shí)雷達(dá)監(jiān)測(cè)，達(dá)到了對(duì)邊坡災(zāi)害有效預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該區(qū)域安全高效生產(chǎn)。