真實孔徑邊坡雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)場工作布置研究

丁 輝

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院）

隨著露天礦山不斷地采剝作業(yè)，采場和排土場邊坡穩(wěn)定性問題越來越嚴(yán)重，由此引發(fā)的滑坡等災(zāi)害嚴(yán)重制約礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益提升［1-3］。確定邊坡危險區(qū)并監(jiān)測其動態(tài)發(fā)展過程［4-5］，做到及時預(yù)報預(yù)警尤為重要。真實孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展成熟，在露天礦山滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮越來越大的作用［6-9］。由雷達(dá)設(shè)備、通訊系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺組成的真實孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)具有大范圍、高精度、全天候等特點(diǎn)，能夠有效預(yù)警預(yù)報邊坡的動態(tài)發(fā)展過程，其現(xiàn)場合理化布置是該系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮其性能的基礎(chǔ)條件。

真實孔徑邊坡雷達(dá)的現(xiàn)場工作布置研究包括雷達(dá)設(shè)備、通訊系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺的布設(shè)。雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)場工作布置優(yōu)劣程度影響監(jiān)測邊坡體數(shù)據(jù)的有效獲取、穩(wěn)定快速傳輸和充分呈現(xiàn)。真實孔徑邊坡雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)值是目標(biāo)邊坡體真實位移值在雷達(dá)方向上的分量，當(dāng)真實位移值與雷達(dá)方向角度過大時，獲取的數(shù)據(jù)值無法有效反映邊坡體變形情況；通訊設(shè)備的多級跳轉(zhuǎn)和傳輸天線的角度對數(shù)據(jù)的傳輸效果有很大的影響；而監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示對礦山管理人員及時發(fā)現(xiàn)問題做出應(yīng)對具有重要作用。深入分析現(xiàn)場實際情況，確立合理的現(xiàn)場工作布置方案，對確保雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確和保障雷達(dá)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

1 工程概況

扎哈淖爾露天礦位于內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗境內(nèi)，霍林河煤田西南部，行政區(qū)劃隸屬于霍林郭勒市和扎魯特旗。礦區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，根據(jù)前期研究成果，規(guī)模較大的斷層共有19條。扎哈淖爾露天煤礦坑分為東西2個礦坑，中間由鼻梁道分割，整體呈現(xiàn)東西狹長態(tài)勢。北幫邊坡主要由散體結(jié)構(gòu)的第四系砂土和風(fēng)化帶泥巖、層狀結(jié)構(gòu)的泥砂巖互層和煤層組成，巖層普遍逆傾，傾角為5°～13°。特別是北幫中部920 m和北幫東部860 m平盤受其特殊的軟巖地質(zhì)特性影響，蠕動變形較大，迫切需要對2個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的位移變形情況進(jìn)行有效監(jiān)測。礦坑南北寬約2 km，東西長4.5 km，礦坑高差約300 m。整個礦坑較為狹長，北幫邊坡跨度較大，需要合理布設(shè)邊坡雷達(dá)確保重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的有效獲取。且礦坑中能用于布設(shè)通訊基站的高塔較為稀少，影響通訊設(shè)施的布置，需綜合考慮各項因素，提出通訊布設(shè)合理方案。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及局限性

2.1 雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成

真實孔徑邊坡雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成包括3部分：雷達(dá)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和監(jiān)控中心平臺，分別實現(xiàn)對監(jiān)測邊坡體數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)的通訊傳輸和數(shù)據(jù)的人機(jī)交換呈現(xiàn)。3個部分相輔相成、互相促進(jìn)，實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警的最終目標(biāo)，任何一個部分的功能短板，都將對監(jiān)測效果產(chǎn)生負(fù)面作用。

2.1.1 雷達(dá)系統(tǒng)

雷達(dá)系統(tǒng)布置在露天礦坑現(xiàn)場，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的最前沿，是進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警最重要的構(gòu)成部分。其主要功能是通過雷達(dá)波收發(fā)模塊發(fā)射電磁波和接收回波，獲取雷達(dá)到目標(biāo)邊坡的絕對位移和相對位移。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)接收處理和存儲傳輸，另外電源模塊和拖車模塊實現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的工作用電供給和設(shè)備承載運(yùn)輸。

絕對距離的測量不是為了位移測量，而是形成了邊坡的三維模型。通過眾多目標(biāo)點(diǎn)的絕對距離點(diǎn)云圖，形成目標(biāo)掃描區(qū)域的三維模型。特別注意的是，反射的電磁波回波質(zhì)量受到雷達(dá)與邊坡坡面角度、方位的影響。相對距離與絕對距離不同，對于同一個點(diǎn)目標(biāo)，由于目標(biāo)的微小移動，每次掃描接收的回波存在相位變化，通過相位變化而實現(xiàn)對微小位移的監(jiān)測。

2.1.2 通訊系統(tǒng)

雷達(dá)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)需要通過通訊系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行呈現(xiàn)，通訊系統(tǒng)是溝通雷達(dá)系統(tǒng)和監(jiān)控中心平臺的橋梁。通訊系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的搬運(yùn)工作，因此數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定傳輸至關(guān)重要。

2.1.3 監(jiān)控中心平臺

監(jiān)控中心平臺的面向?qū)ο笫潜O(jiān)控管理人員，是整個監(jiān)測預(yù)警人機(jī)互動最直觀的部分。通過監(jiān)控中心平臺的數(shù)據(jù)展示，把邊坡體危險區(qū)域邊界、位移變形數(shù)值趨勢及預(yù)警預(yù)報提示及時反饋給監(jiān)控管理人員，因此監(jiān)控中心平臺的布置情況和位置對于實現(xiàn)最終監(jiān)測預(yù)警的效果具有重大影響。

2.2 雷達(dá)系統(tǒng)局限性

邊坡雷達(dá)監(jiān)測所獲得的位移量為目標(biāo)邊坡真實位移方向在雷達(dá)射線方向上的位移分量，因此當(dāng)位移方向與雷達(dá)方向夾角越小，則監(jiān)測效果越好。當(dāng)真實位移方向與雷達(dá)方向角度超過40°時，雷達(dá)監(jiān)測獲取的位移變化值較小，將影響正常監(jiān)測效果。目標(biāo)邊坡的真實位移與雷達(dá)獲取的位移關(guān)系如圖1所示。真實位移方向與雷達(dá)獲取的位移方向存在一定的三角函數(shù)關(guān)系，在夾角過大的情況下，邊坡體發(fā)生位移變化，其分量數(shù)值變化相對于真實位移較小，變形趨勢的顯現(xiàn)也不明顯，不利于監(jiān)測人員及時發(fā)現(xiàn)異常變形區(qū)域，容易出現(xiàn)漏報現(xiàn)象。

在實際現(xiàn)場布置過程中需要針對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，盡可能滿足正對監(jiān)測區(qū)域，從而獲取有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，提升監(jiān)測效果。

3 系統(tǒng)現(xiàn)場工作布置研究

3.1 布置工作流程

真實孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場布置主要包括雷達(dá)設(shè)備布置、通訊系統(tǒng)布置和監(jiān)控中心平臺布置，布置工作流程如圖2所示。

在露天礦山引進(jìn)真實孔徑邊坡雷達(dá)對邊坡進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警時，首先應(yīng)該明確礦坑采場和排土場邊坡的基本情況，確定危險邊坡區(qū)域大致范圍，鎖定重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。針對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，指向性的進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)的布置，實現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)測范圍的有效監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警，確保安全生產(chǎn)。在考慮系統(tǒng)工作現(xiàn)場布置時應(yīng)該通過現(xiàn)場調(diào)研和參考?xì)v史監(jiān)測及評價資料，明確主監(jiān)測區(qū)域邊界范圍，確立該區(qū)域的潛在滑動方向，在該工作的基礎(chǔ)上計算雷達(dá)設(shè)備的最優(yōu)布設(shè)范圍，綜合考慮運(yùn)輸便捷、通訊方便穩(wěn)定、數(shù)據(jù)展示高效等因素，最終完成整套系統(tǒng)的現(xiàn)場布置工作。

3.2 雷達(dá)設(shè)備布置

雷達(dá)設(shè)備的布置位置是否合理，很大程度上決定了監(jiān)測的效果。雷達(dá)設(shè)備在布置前，需根據(jù)現(xiàn)場邊坡情況，明確主監(jiān)測區(qū)域的邊界范圍，確定監(jiān)測區(qū)域潛在的滑動方向。通常露天礦坑走向跨度較大，很難用1臺設(shè)備完成整個邊坡的監(jiān)測，需要確定重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。雖然露天礦山形狀各不相同，但對于同一個邊幫來說，重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域一般分為1個或多個的不同情況。根據(jù)雷達(dá)設(shè)備的監(jiān)測原理和設(shè)備局限性，當(dāng)監(jiān)測區(qū)域潛在滑動方向與雷達(dá)方向的夾角過大時（一般不超過40°）時，雷達(dá)獲取的位移變形數(shù)據(jù)將非常小，無法正常反映監(jiān)測區(qū)的變形特征，監(jiān)測失效。因此，在雷達(dá)設(shè)備針對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測時，應(yīng)盡可能地滿足正對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，且監(jiān)測區(qū)域潛在滑動方向與雷達(dá)方向的夾角不超過40°。

當(dāng)監(jiān)測的露天礦邊幫只有1個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域時，布置比較簡單，最優(yōu)布置位置就是正對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的潛在滑動方向，左右夾角a不超過40°，且夾角越小越好，如圖3（a）所示。當(dāng)監(jiān)測的露天礦邊幫有2個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域時，需要綜合考慮2個監(jiān)測區(qū)域的潛在移動方向，通過繪圖的方式，確立最優(yōu)監(jiān)測范圍，如圖3（b）所示。露天礦山邊坡較為復(fù)雜，存在多個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域時，雷達(dá)的布置工作較為困難，此時應(yīng)當(dāng)通過對比，確定危險區(qū)域的優(yōu)先級，將多個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域問題轉(zhuǎn)化為1個或2個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的問題，強(qiáng)化對最危險邊坡的監(jiān)測，兼顧其他重點(diǎn)區(qū)域，盡可能的使得雷達(dá)系統(tǒng)布置后，能使更多的重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域滿足潛在移動方向與雷達(dá)方向夾角不超過40°。

另外，根據(jù)確定的最佳布置范圍，綜合考慮地形地貌和通訊基站，確定雷達(dá)布設(shè)最終位置。雷達(dá)場地建造及布設(shè)，應(yīng)符合下列要求：設(shè)備場地基礎(chǔ)穩(wěn)定，能保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行；設(shè)備場地平整壓實，四周設(shè)擋墻、護(hù)欄等保護(hù)設(shè)施；設(shè)備場地開闊，便于布設(shè)電纜及通訊基站；應(yīng)保證雷達(dá)正對監(jiān)測區(qū)域，雷達(dá)前方無遮擋物。

3.3 通訊和監(jiān)控中心布置

通訊的布置依托于礦山較高的建筑物、基站塔設(shè)施，布設(shè)5.8 G基站系統(tǒng)，搭建數(shù)據(jù)傳輸鏈路。主要功能是將雷達(dá)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)通過通訊鏈路傳輸?shù)睫k公樓監(jiān)控中心。通訊鏈路要確保無遮擋，數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)次數(shù)一般不超過3次，2個跳轉(zhuǎn)基站塔之間的距離要適中，距離過大影響傳輸效果。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性很大程度上影響監(jiān)控中心數(shù)據(jù)展示的效果。

監(jiān)控中心平臺是實現(xiàn)人機(jī)互動的關(guān)鍵部分，主要功能是數(shù)據(jù)的后處理和展示。通常包括雷達(dá)軟件、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)、監(jiān)控大屏幕等。監(jiān)控中心平臺雷達(dá)軟件將回傳的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解析計算，以圖形、曲線等方式展示出來，投影到大屏幕。監(jiān)控中心的布設(shè)要有穩(wěn)定的供電和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。露天礦山一般具備完善的調(diào)度指揮中心，對現(xiàn)場設(shè)備調(diào)控、生產(chǎn)監(jiān)管指揮和生產(chǎn)調(diào)整進(jìn)行管理，上通決策層，下連生產(chǎn)基層，是全礦溝通聯(lián)系最方便快捷的場所，也是最適合雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警對接的場所。

4 案例分析

扎哈淖爾露天煤礦扎礦北幫受采剝作業(yè)和巖土體性質(zhì)影響，在鼻梁到東側(cè)900～940 m標(biāo)高處和北幫東部860 m標(biāo)高處各形成蠕動變形區(qū)，潛在滑動方向向南，該區(qū)域常年保持較大位移量的蠕動變形，已經(jīng)形成上部裂縫和下部底鼓現(xiàn)象，具有一定的滑坡風(fēng)險，需要對這2個區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)監(jiān)測，實時關(guān)注位移變化情況。

在明確重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域左右邊界以及監(jiān)測區(qū)域中心的潛在滑動方向后，分別向兩側(cè)方向各取40°，最終確定雷達(dá)布設(shè)的最優(yōu)范圍，如圖4所示。最優(yōu)布置范圍在南幫鼻梁道東側(cè)范圍內(nèi)，結(jié)合礦山基站塔的位置和場地，最終將真實孔徑邊坡雷達(dá)布設(shè)在南幫觀禮臺下方臺階處。此處場地較為平整，不在主干道且有合適的場地放置設(shè)備，距離基站塔較近，信號傳輸無遮擋，道路通暢方便后續(xù)維修保養(yǎng)。

監(jiān)控中心平臺的布置選擇布設(shè)在調(diào)度指揮中心，雷達(dá)在布置位置處，應(yīng)用5.8 G通訊天線，經(jīng)過2級跳轉(zhuǎn)，最終數(shù)據(jù)傳輸至辦公樓監(jiān)控調(diào)度中心。在監(jiān)控中心布置雷達(dá)數(shù)據(jù)展示工作站并投放到中心大屏幕上，方便監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時傳達(dá)、分析和預(yù)警發(fā)布。經(jīng)過長期的現(xiàn)場監(jiān)測使用，該監(jiān)測方案信號傳輸穩(wěn)定，監(jiān)測效果良好。

5 結(jié)論

（1）由雷達(dá)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和監(jiān)控中心平臺組成的真實孔徑邊坡雷達(dá)系統(tǒng)的現(xiàn)場布置工作是實現(xiàn)對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的有效獲取、快速穩(wěn)定傳輸和有效展示的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警工作的最基本保障，現(xiàn)場布置工作的好壞直接影響整套系統(tǒng)的功能效率。

（2）系統(tǒng)在現(xiàn)場布置時，要確定重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，當(dāng)有多個監(jiān)測區(qū)域時，通過確定監(jiān)測的優(yōu)先級，轉(zhuǎn)化為1個或者2個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的最佳布置范圍問題。1個或2個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的系統(tǒng)布置，應(yīng)盡可能使雷達(dá)正對監(jiān)測區(qū)域，且潛在移動方向與雷達(dá)方向夾角不應(yīng)超過40°，確保監(jiān)測效果的有效性。

（3）監(jiān)控中心平臺的布置地點(diǎn)優(yōu)選信息交流最為集中和順暢的調(diào)度指揮中心；通訊系統(tǒng)的布置要以減少跳轉(zhuǎn)次數(shù)、快速穩(wěn)定傳輸為原則。