基于MSR真實孔徑雷達的露天邊坡監(jiān)測系統(tǒng)

王 昊 常 劍 王立文3

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室）

2003—2019年，煤炭資源露天開采量由0.8億t提高至6.34億t，總開采量占比由4.7%增至16.5%，露天采煤現(xiàn)今是我國煤炭產(chǎn)能不可或缺的部分［1-2］。滑坡災害是露天礦面對的主要災害，準確預測邊坡滑坡，避免災害發(fā)生，對于露天礦安全開采極其重要［3-4］。

20世紀以來，滑坡監(jiān)測手段趨于多樣化，主要有雷達監(jiān)測、D-InSAR在地面變形監(jiān)測、INSAR技術(shù)、GNSS監(jiān)測、衛(wèi)星定位技術(shù)等［5］。其中雷達監(jiān)測具有輻射范圍廣、精度高、數(shù)據(jù)更新快、連續(xù)實時監(jiān)測等特點，被廣泛使用在山體、邊坡、大壩等。如張勁松等［6］以合成孔徑雷達為例，探究其在礦山邊坡監(jiān)測預警方面實際效果；彭藝偉等［7］通過分析激光雷達滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明其在地質(zhì)災害識別及地質(zhì)災害調(diào)查具有一定應用空間；馬海濤等［8］基于現(xiàn)有雷達臨滑預警模型分析，優(yōu)化建立T-lgt的預測模型，可提高滑坡時間預測準確性；王立文［9］以撫順西露天礦雷達監(jiān)測系統(tǒng)為例，證明雷達監(jiān)測技術(shù)對于監(jiān)測露天礦山滑坡災害具有可行性和有效性。

基于前人研究成果，通過介紹MSR真實孔徑雷達結(jié)構(gòu)、運行原理、優(yōu)勢，分析滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確MSR真實孔徑雷達結(jié)構(gòu)、特點及臨滑預報準確性。

1 MSR雷達簡介

1.1 系統(tǒng)簡介

MSR雷達監(jiān)測系統(tǒng)主要可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個主體構(gòu)造。硬件系統(tǒng)起到雷達安裝、平衡、運輸、數(shù)據(jù)接受傳輸、供電等作用，主要包括拖車、電子附件、電力供應系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)（圖1）。MSR雷達基于精密穩(wěn)定的硬件條件可適應復雜的環(huán)境，可在-30～+70℃溫度范圍、風速＜80 km/h、大氣壓580～1 085 mbar、相對濕度達到95%環(huán)境下進行工作，確保數(shù)據(jù)接收傳遞的穩(wěn)定。軟件系統(tǒng)強大的運算能力，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲、預報預警的作用，主要由MSR HMI、WinSCP、Linux操作系統(tǒng)構(gòu)成，可實現(xiàn)遠距離接收處理監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢查雷達運行狀況、雷達啟動關(guān)閉、邊坡臨滑預警預報等。

1.2 基本工作原理

MSR真實孔徑雷達的基本原理是借助高頻電磁能量（無線電波）對巖土體邊坡表面反復掃描，接收并處理返回的電波信息，可以得出監(jiān)測區(qū)域的絕對位移（雷達距邊坡距）和相對位移（邊坡巖體的位移變化量），其精確度可達到0.1 m，測量其距離可以用于建立礦區(qū)三維立體模型。

相對位移由電磁波返回后的相位變化得出，通過前后2次監(jiān)測目標物的相位角邊坡，轉(zhuǎn)換成位移的變化，進而實現(xiàn)坡巖體的位移變化量的監(jiān)測記錄（圖2）。

基于上述雷達監(jiān)測位移數(shù)據(jù)，通過MSR HMI軟件進行數(shù)據(jù)擬合分析，將邊坡監(jiān)測區(qū)域位移及速度變化量可視化展示到顯示器上，并根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、礦區(qū)歷史變形特征及歷史滑坡數(shù)據(jù)，設定該礦的專有預警閾值，實現(xiàn)臨滑預警預報，配有專門人員進行執(zhí)勤，綜合判斷分析邊坡穩(wěn)定狀況。

1.3 MSR雷達優(yōu)勢

現(xiàn)今礦山常用的表面監(jiān)測系統(tǒng)除了雷達監(jiān)測系統(tǒng)還有GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，GNSS監(jiān)測系統(tǒng)依托于多個監(jiān)測點，通過點—線—面逐步實現(xiàn)礦區(qū)整體監(jiān)測，也可做到實時監(jiān)測預警，但因發(fā)射信號方式不同相對雷達監(jiān)測存在延遲［10］。同時GNSS監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過監(jiān)測點反映區(qū)域變形情況，而雷達監(jiān)測系統(tǒng)直接監(jiān)測區(qū)域面地表變形情況。MSR雷達進行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測優(yōu)勢：①以毫米級為標準，精度可達±0.2 mm；②合成孔徑掃描速度為10 min/次，而MSR雷達可以達到3～5 min/次；③監(jiān)測距離最遠可達2 500 m，監(jiān)測角度水平掃描180°（-90°～+90°）、垂直掃描120°（-37°～+86°）；④基于絕對位移可自動獲得礦山三維地質(zhì)模型DTM圖；⑤適應性強，可適用低溫、高溫、大風、大雨等復雜天氣環(huán)境。

2 滑坡預測預警

2.1 滑坡模型

滑坡本質(zhì)是剪切破壞。根據(jù)以往專家學者研究，對滑坡而言其破壞分3個階段［11］。初始蠕變階段：邊坡發(fā)生變形，變形速率先大后小逐步平緩，裂縫、裂隙、沉降等滑坡伴生災害產(chǎn)生；勻速蠕變階段：邊坡累計位移隨時間呈現(xiàn)近似直線，裂縫、裂隙、沉降等滑坡伴生災害更加明顯；加速蠕變階段：邊坡位移速率增大（一般出現(xiàn)多級加速狀態(tài)），邊坡即將發(fā)生滑坡。整體滑坡破壞過程隨著時間T的增加，位移變形速率f由勻速至逐漸加速的過程，如圖3所示。

2.2 雷達時間預報

MSR真實孔徑雷達在上述基礎(chǔ)上，通過速度倒數(shù)曲線圖，觀察其移動數(shù)據(jù)，估計滑坡時間［12］。通過邊坡滑動時位移速率倒數(shù)曲線圖，隨著時間推移，趨近于零且相對線性變化的，通過擬合曲線，建立y=k x+b公式，擬合曲線與時間交點即是預測滑坡發(fā)生時間。

3 工程實例

3.1 工程概況

為進一步確定MSR真實孔徑雷達監(jiān)測預警的準確，以某礦滑坡階段監(jiān)測數(shù)據(jù)為例。據(jù)以往地質(zhì)勘探資料可知，該礦地層巖性分為第四系砂土層及黏土層，第四系層組屬于含水層，長期暴露易發(fā)生邊坡滑動；基巖層為砂礫巖、泥巖及煤層，正斷層較多，斷層控制程度較高，同時可采煤層埋深較深，露天礦為深坑露天礦坑，邊坡穩(wěn)定性受地質(zhì)構(gòu)造、地下水運動、大氣降水及工程擾動等因素影響，極易發(fā)生片幫、滑坡等地質(zhì)災害，嚴重威脅露天礦的安全生產(chǎn)。

3.2 滑坡數(shù)據(jù)分析

為確保礦區(qū)人員設備的安全，該礦引進MSR邊坡雷達對西坑北幫進行24 h雷達監(jiān)測預警，根據(jù)該礦某次滑坡前后5 d內(nèi)雷達監(jiān)測實時監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制變化曲線，圖4為位移速度曲線，圖5為速度倒數(shù)曲線。由圖4可知，0～23.5 h，該礦邊坡產(chǎn)生初始變形階段，邊坡裂縫產(chǎn)生；22.5 h達到該階段最大位移速度3.35 mm/h，隨后速度降低；23.5～44.6 h，邊坡處于勻速變形階段，裂縫緩慢增加，該階段邊坡位移速度基本穩(wěn)定在0.15 mm/h；44.6～81.6 h，邊坡處于加速變形階段，邊坡裂縫擴張速度變快，位移速度變快，可分44.7～70.0 h、70.0～78.1 h、78.1～81.6 h的3個階段加速，最終于81.6 h邊坡發(fā)生滑動破壞，此時邊坡累計位移量66.77 mm，速度9.97 mm/h。

滑坡發(fā)生前，某段時間擬合得到其對應擬合公式y(tǒng)=-0.098x+7.944，擬合曲線相關(guān)系數(shù)約91%（圖5）。借助擬合公式計算速度倒數(shù)為零時，x=81.06，即雷達借助該時段擬合曲線預測，邊坡在81.06 h發(fā)生滑坡，與實際滑坡發(fā)生時間81.6 h僅相差32.4 min，MSR雷達預測具有良好的準確性。

3.3 現(xiàn)場實測及滑坡原因分析

由于滑坡區(qū)域近期正處于施工狀態(tài)，裂縫、沉陷、底鼓等滑坡伴生災害未能及時發(fā)現(xiàn)。礦方巡查于滑坡前21.2 h發(fā)現(xiàn)明裂縫，滑坡整體分為5個臺階發(fā)生破壞，面積約3.2萬m2，東西長200 m，向北滑移3.4 m，最大沉降2.3 m，滑移量約為23萬m3。實際位移量與監(jiān)測數(shù)據(jù)存在差異，是因為雷達未正對應邊坡，邊坡與雷達間存在傾角，監(jiān)測變形數(shù)值相對較小，但整體走勢相似，不影響預報分析。

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采礦工序及天氣因素三方面分析此次滑坡原因：

（1）地質(zhì)結(jié)構(gòu)。南幫此次滑坡西側(cè)存在明顯正斷層，斷層斷距1.9 m；且滑體3B煤層下部4～5 m存在弱層，物理力學性質(zhì)較低，易發(fā)生沿弱層坐落滑移式破壞；同時該礦南幫屬于順傾邊坡，最大角度可達23°，易發(fā)生邊坡滑動。

（2）采礦工序。正常采礦方式應從上至下施工，現(xiàn)階段施工時上下同時施工，雖可提高施工效率，但現(xiàn)階段抗滑力不足以支撐上部下滑力。此時下部施工相當于撤腳，從而導致邊坡的抗滑力減小，使下滑力大于抗滑力，繼而形成滑坡災害。

（3）天氣因素。由于近期持續(xù)的降雨天氣，雨水順著斷層滲入巖層內(nèi)部，且南幫弱層巖體物理力學性質(zhì)強度較低，在雨水浸泡下進一步導致巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角降低而自動發(fā)生崩解，使其內(nèi)部存在較多弱面，從而導致邊坡的附著力不足以支撐邊坡的穩(wěn)定，易發(fā)生邊坡滑動。

所以，南幫滑坡原因為下部施工降低邊坡抗滑力，雨水順著斷層滲入降低巖層物理力學性質(zhì)，導致邊坡整體性被破壞，形成沿弱層坐落滑移式破壞。

3.4 預警級別劃分

基于上述MSR雷達介紹、礦區(qū)滑坡時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及滑坡實測分析，明確MSR真實孔徑雷達可以適應復雜多變的現(xiàn)場環(huán)境，并能實現(xiàn)邊坡臨滑預警預測。

因該礦南幫屬于大順傾邊坡、弱層、節(jié)理、裂隙及斷層賦存，復雜的地質(zhì)條件嚴重危害邊坡穩(wěn)定。為了更好服務該礦區(qū)復雜的環(huán)境，提高安全性，除卻軟件系統(tǒng)自帶臨滑時間的預報，基于該礦軟巖邊坡的特性、以往經(jīng)驗和滑坡曲線，提出分級預報制度，分級預報根據(jù)變形速度（滑坡加速階段）劃分，具體見表1。該預警閾值可為類似巖性露天礦預警預報閾值選取提供一定的指導意義。

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4 結(jié) 論

（1）通過分析軟巖露天礦邊坡滑坡期間雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定MSR雷達監(jiān)測預報程序的實時性、合理性及準確性。

（2）此次滑坡主要原因是斷層、順傾、雨水侵蝕及施工方式過于激進，使邊坡抗滑力小于下滑力，發(fā)生邊坡滑動。

（3）基于邊坡滑動模型及滑坡監(jiān)測變形曲線圖，提出分級預報等級，以便更好服務類似軟巖露天邊坡。