微變監(jiān)測雷達(dá)在扎哈淖爾露天煤礦的應(yīng)用

徐玉龍

（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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

在露天采礦過程中，隨著采礦活動(dòng)的快速推進(jìn)，極易形成的危險(xiǎn)性較高的高臺(tái)階邊坡和排土場等地形極易引發(fā)山體滑坡災(zāi)害。我國露天礦山呈現(xiàn)集中化開采趨勢(shì)，開采范圍及年產(chǎn)量逐年增大，形成了較大的高陡邊坡，邊坡穩(wěn)定是影響露天礦安全生產(chǎn)的重要因素，因邊坡失穩(wěn)造成的片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害不僅影響正常的采礦作業(yè)，而且威脅著人員及設(shè)備安全，嚴(yán)重時(shí)甚至造成露天礦停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著露天礦邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的迅速發(fā)展，邊坡雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，為此,應(yīng)用微變監(jiān)測雷達(dá)對(duì)扎哈淖爾露天煤礦邊坡工程進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測及臨滑預(yù)警。

1 邊坡監(jiān)測現(xiàn)狀

邊坡表面位移監(jiān)測是對(duì)一定范圍內(nèi)巖體及土體的位移、沉降、傾斜及其地基等形變所進(jìn)行的測量工作。目前應(yīng)用較為廣泛的監(jiān)測技術(shù)包括GNSS 監(jiān)測技術(shù)、全站儀監(jiān)測、人工監(jiān)測等。GNSS 監(jiān)測是全球性的位置測定系統(tǒng)[1]，屬于單點(diǎn)的測量，并且在高山地區(qū)，衛(wèi)星信號(hào)容易被遮擋，且GNSS 接收站的布設(shè)要求操作者要能夠到達(dá)監(jiān)測目標(biāo)點(diǎn)，抗災(zāi)害破壞能力弱。全站儀監(jiān)測和人工監(jiān)測其計(jì)算精度與監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置的疏密程度和空間位置分布有很大關(guān)系，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置越多形變檢測結(jié)果越可靠，其位置分布越均勻所產(chǎn)生的差值誤差越小。

2 微變監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)

為了解決點(diǎn)式監(jiān)測手段覆蓋范圍較小、受到惡劣天氣影響較大、抗災(zāi)害破壞能力弱、自動(dòng)化程度不高、無法獲取區(qū)域連續(xù)形變監(jiān)測結(jié)果的特點(diǎn)，將已發(fā)展成熟的合成孔徑雷達(dá)（SAR）/真實(shí)孔徑雷達(dá)（RSR）和差分干涉雷達(dá)（DInSAR）應(yīng)用到地基軌道上，發(fā)展成為微變監(jiān)測雷達(dá)，是通過獲取的時(shí)間序列SAR 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域形變的監(jiān)測，具有全天候、大角度、24 h連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，且兼具方便攜帶、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)。雷達(dá)采集所得的形變信息為二維圖像信息，這種區(qū)域信息的獲取有助于觀測現(xiàn)象的理解和災(zāi)害預(yù)測。微變監(jiān)測雷達(dá)的高靈敏度、高空間分辨率、寬覆蓋率等特點(diǎn)使得這種技術(shù)在露天礦山邊坡監(jiān)測、人工壩體監(jiān)測、山體滑坡監(jiān)測等方面具有重要的研究意義[2-3]。

微變監(jiān)測雷達(dá)（也稱為地基差分干涉SAR、地基雷達(dá)、干涉雷達(dá)、邊坡雷達(dá)）基于合成孔徑雷達(dá)（SAR）/真實(shí)孔徑雷達(dá)（RSR）和差分干涉雷達(dá)（DInSAR）的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測場景進(jìn)行表面微小形變位移信息的提取[4-5]。地基軌道平臺(tái)攜帶雷達(dá)傳感器運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)發(fā)射及接收電磁波，通過小孔徑合成大孔徑，實(shí)現(xiàn)高分辨成像。通過軌道的往復(fù)運(yùn)動(dòng)獲取觀測區(qū)域的時(shí)間序列回波數(shù)據(jù)，利用干涉雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的位移形變信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩糁行膶?shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，并依據(jù)形變量、形變速率等參數(shù)進(jìn)行預(yù)警級(jí)別判斷，發(fā)出預(yù)警。

微變監(jiān)測雷達(dá)監(jiān)測精度和監(jiān)測距離較傳統(tǒng)邊坡雷達(dá)有所提高，技術(shù)參數(shù)為：①預(yù)警信息：位移/速度/加速度；②監(jiān)測精度：0.1 mm；③作用距離：5 km；④最大視場：水平90°/垂直60°；⑤采集間隔：1～6 min；⑥像素大?。?.3 m×0.005 4 rad；⑦防護(hù)等級(jí)：IP65；⑧工作溫度：-30～50 ℃；⑨供電電壓：AC 220 V。

3 實(shí)施案例

3.1 項(xiàng)目概況

扎哈淖爾露天煤礦位于扎魯特旗境內(nèi)，屬于霍林河煤田主要存量區(qū)域，煤炭貯量9.56 億t，設(shè)計(jì)產(chǎn)量規(guī)模為15 Mt/a[6-9]。扎哈淖爾露天礦北工作幫設(shè)計(jì)邊坡角22°，主采煤層為II、III、IV 煤組；邊坡走向與巖層層理走向平行，巖層與邊坡傾向相反，邊坡內(nèi)IVC 煤底存在泥巖逆傾弱層[10]。北工作幫上部，基底巖石是強(qiáng)度較低的第四系排棄物料是由煤層頂板以上的泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及第四系層砂、土等構(gòu)成的混合物料。隨著近幾年開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工作幫開采的深度增加，北幫邊坡蠕動(dòng)現(xiàn)象已越來越突出，邊坡穩(wěn)定性已成為扎礦安全生產(chǎn)的重要制約因素。

2021 年1 月份以來，受不利地質(zhì)條件及頻繁降水等因素綜合影響，扎礦采場北幫西區(qū)880 m 水平平盤以上區(qū)域相繼出現(xiàn)規(guī)模不等的邊坡變形破壞，2021 年1 月末開始，北幫人工監(jiān)測點(diǎn)水平位移量呈增多趨勢(shì)。890 臺(tái)階出現(xiàn)裂縫長度約380 m，875 臺(tái)階出現(xiàn)裂縫長度約260 m，860 臺(tái)階出現(xiàn)裂縫長度約126 m。

3.2 設(shè)備部署

為克服現(xiàn)有極限平衡法與數(shù)值模擬技術(shù)在這方面的不足，獲取真實(shí)的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，才能有效體現(xiàn)邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，因此有必要在分析邊坡滑坡機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)條件與現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)布置現(xiàn)狀，提出經(jīng)濟(jì)有效的邊坡監(jiān)測方案。

保證邊坡穩(wěn)定及安全生產(chǎn)，針對(duì)北幫邊坡安全建立了微變監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)，用于監(jiān)測邊坡變形及蠕變區(qū)域的范圍，在對(duì)露天礦山邊坡進(jìn)行實(shí)地勘測、調(diào)研的基礎(chǔ)上，選好監(jiān)測站址，建設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)，采集和處理所必須的輔助坐標(biāo)數(shù)據(jù)、無人機(jī)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，即可對(duì)待測區(qū)域開展實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警。設(shè)備獲得被測區(qū)域的長時(shí)間序列雷達(dá)回波數(shù)據(jù)后，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示與分析，綜合評(píng)判待測區(qū)域是否存在不滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的隱患區(qū)域。微變監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)獲取隱患區(qū)域的形變等信息后，將形變信息生成相應(yīng)的監(jiān)測報(bào)告，輔助用戶進(jìn)行隱患點(diǎn)穩(wěn)定性判斷。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

2021年3 月11 日—2021 年3 月14 日，微變監(jiān)測雷達(dá)數(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)模型相融合，雷達(dá)位移云圖出現(xiàn)1 處紅色報(bào)警區(qū)域。

在監(jiān)測圖中呈現(xiàn)正向形變。由于本文為反演分析，因此，只對(duì)發(fā)生裂縫的區(qū)域進(jìn)行了局部分析，并在區(qū)域內(nèi)均勻選定5 個(gè)特征監(jiān)測點(diǎn)。邊坡變形累計(jì)位移量曲線如圖1，邊坡變形速曲線如圖2。

圖1 邊坡變形累計(jì)位移量曲線

圖2 邊坡變形速度曲線

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)，位移量曲線從3 月11 日0 時(shí)—3 月12 日1 時(shí)未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，說明該區(qū)域基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；3 月12 日1 時(shí)之后，5 個(gè)特征監(jiān)測點(diǎn)位移曲線持續(xù)增加，雷達(dá)速度曲線波動(dòng)加大，說明該區(qū)域出現(xiàn)加速變形；3 月13 日1 時(shí)之后，速度曲線變形趨勢(shì)有所減弱，說明該區(qū)域形變趨于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測曲線，將形變分為5 個(gè)階段：①第1 個(gè)階段為穩(wěn)定階段，形變速度基本穩(wěn)定在±1 mm/h 之間，形變累加過程也較為平穩(wěn)；②第2 個(gè)階段為初始變形階段，此階段形變速率有所增加，從0.1 mm/h 上升到1.97 mm/h，此階段邊坡進(jìn)入初始變形階段；③第3 階段為等速變形階段，出現(xiàn)短暫速率波動(dòng)后，邊坡會(huì)進(jìn)入等速變形階段；④第4 階段進(jìn)入加速變形階段，邊坡在等速變形基礎(chǔ)上，發(fā)生重力破壞開始加速，直至邊坡體發(fā)生失穩(wěn)，形變速度最大達(dá)5.05 mm/h，經(jīng)過現(xiàn)場查看，此階段之后已在施工現(xiàn)場產(chǎn)生裂縫，該階段邊坡容易出現(xiàn)滑坡災(zāi)害，應(yīng)密切關(guān)注速度曲線變化；⑤第5 階段為恢復(fù)穩(wěn)定階段，此階段位移及速度曲線波動(dòng)較小，總體邊坡恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

微變監(jiān)測雷達(dá)利用自身優(yōu)勢(shì)，較好的融合數(shù)字地理模型，能直觀反映監(jiān)測區(qū)域變形數(shù)據(jù)；通過雷達(dá)數(shù)據(jù)分析可以清晰判斷變形區(qū)域所處的各個(gè)階段，判斷出未來一段時(shí)間內(nèi)邊坡巖體的變化趨勢(shì)，對(duì)分析變形區(qū)域預(yù)報(bào)預(yù)警有重要意義，微變監(jiān)測雷達(dá)是一種先進(jìn)的邊坡變形實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，實(shí)踐應(yīng)用效果良好，這種技術(shù)的應(yīng)用可以為國內(nèi)各大露天礦山的邊坡穩(wěn)定性研究提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。