基于MSR真实孔径雷达的露天边坡监测系统

王 昊 常 剑 王立文3

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；
2.煤矿安全技术国家重点实验室）

2003—2019年，煤炭资源露天开采量由0.8亿t提高至6.34亿t，总开采量占比由4.7%增至16.5%，露天采煤现今是我国煤炭产能不可或缺的部分［1-2］。滑坡灾害是露天矿面对的主要灾害，准确预测边坡滑坡，避免灾害发生，对于露天矿安全开采极其重要［3-4］。

20世纪以来，滑坡监测手段趋于多样化，主要有雷达监测、D-InSAR在地面变形监测、INSAR技术、GNSS监测、卫星定位技术等［5］。其中雷达监测具有辐射范围广、精度高、数据更新快、连续实时监测等特点，被广泛使用在山体、边坡、大坝等。如张劲松等［6］以合成孔径雷达为例，探究其在矿山边坡监测预警方面实际效果；
彭艺伟等［7］通过分析激光雷达滑坡监测数据，表明其在地质灾害识别及地质灾害调查具有一定应用空间；
马海涛等［8］基于现有雷达临滑预警模型分析，优化建立T-lgt的预测模型，可提高滑坡时间预测准确性；
王立文［9］以抚顺西露天矿雷达监测系统为例，证明雷达监测技术对于监测露天矿山滑坡灾害具有可行性和有效性。

基于前人研究成果，通过介绍MSR真实孔径雷达结构、运行原理、优势，分析滑坡监测数据，明确MSR真实孔径雷达结构、特点及临滑预报准确性。

1.1 系统简介

MSR雷达监测系统主要可分为硬件系统和软件系统2个主体构造。硬件系统起到雷达安装、平衡、运输、数据接受传输、供电等作用，主要包括拖车、电子附件、电力供应系统、雷达系统（图1）。MSR雷达基于精密稳定的硬件条件可适应复杂的环境，可在-30～+70℃温度范围、风速＜80 km/h、大气压580～1 085 mbar、相对湿度达到95%环境下进行工作，确保数据接收传递的稳定。软件系统强大的运算能力，可以实现数据处理、存储、预报预警的作用，主要由MSR HMI、WinSCP、Linux操作系统构成，可实现远距离接收处理监测数据、检查雷达运行状况、雷达启动关闭、边坡临滑预警预报等。

1.2 基本工作原理

MSR真实孔径雷达的基本原理是借助高频电磁能量（无线电波）对岩土体边坡表面反复扫描，接收并处理返回的电波信息，可以得出监测区域的绝对位移（雷达距边坡距）和相对位移（边坡岩体的位移变化量），其精确度可达到0.1 m，测量其距离可以用于建立矿区三维立体模型。

相对位移由电磁波返回后的相位变化得出，通过前后2次监测目标物的相位角边坡，转换成位移的变化，进而实现坡岩体的位移变化量的监测记录（图2）。

基于上述雷达监测位移数据，通过MSR HMI软件进行数据拟合分析，将边坡监测区域位移及速度变化量可视化展示到显示器上，并根据矿区地质环境、矿区历史变形特征及历史滑坡数据，设定该矿的专有预警阈值，实现临滑预警预报，配有专门人员进行执勤，综合判断分析边坡稳定状况。

1.3 MSR雷达优势

现今矿山常用的表面监测系统除了雷达监测系统还有GNSS监测系统，GNSS监测系统依托于多个监测点，通过点—线—面逐步实现矿区整体监测，也可做到实时监测预警，但因发射信号方式不同相对雷达监测存在延迟［10］。同时GNSS监测系统主要是通过监测点反映区域变形情况，而雷达监测系统直接监测区域面地表变形情况。MSR雷达进行边坡稳定性监测优势：①以毫米级为标准，精度可达±0.2 mm；
②合成孔径扫描速度为10 min/次，而MSR雷达可以达到3～5 min/次；
③监测距离最远可达2 500 m，监测角度水平扫描180°（-90°～+90°）、垂直扫描120°（-37°～+86°）；
④基于绝对位移可自动获得矿山三维地质模型DTM图；
⑤适应性强，可适用低温、高温、大风、大雨等复杂天气环境。

2.1 滑坡模型

滑坡本质是剪切破坏。根据以往专家学者研究，对滑坡而言其破坏分3个阶段［11］。初始蠕变阶段：边坡发生变形，变形速率先大后小逐步平缓，裂缝、裂隙、沉降等滑坡伴生灾害产生；
匀速蠕变阶段：边坡累计位移随时间呈现近似直线，裂缝、裂隙、沉降等滑坡伴生灾害更加明显；
加速蠕变阶段：边坡位移速率增大（一般出现多级加速状态），边坡即将发生滑坡。整体滑坡破坏过程随着时间T的增加，位移变形速率f由匀速至逐渐加速的过程，如图3所示。

2.2 雷达时间预报

MSR真实孔径雷达在上述基础上，通过速度倒数曲线图，观察其移动数据，估计滑坡时间［12］。通过边坡滑动时位移速率倒数曲线图，随着时间推移，趋近于零且相对线性变化的，通过拟合曲线，建立y=k x+b公式，拟合曲线与时间交点即是预测滑坡发生时间。

3.1 工程概况

为进一步确定MSR真实孔径雷达监测预警的准确，以某矿滑坡阶段监测数据为例。据以往地质勘探资料可知，该矿地层岩性分为第四系砂土层及黏土层，第四系层组属于含水层，长期暴露易发生边坡滑动；
基岩层为砂砾岩、泥岩及煤层，正断层较多，断层控制程度较高，同时可采煤层埋深较深，露天矿为深坑露天矿坑，边坡稳定性受地质构造、地下水运动、大气降水及工程扰动等因素影响，极易发生片帮、滑坡等地质灾害，严重威胁露天矿的安全生产。

3.2 滑坡数据分析

为确保矿区人员设备的安全，该矿引进MSR边坡雷达对西坑北帮进行24 h雷达监测预警，根据该矿某次滑坡前后5 d内雷达监测实时监测数据绘制变化曲线，图4为位移速度曲线，图5为速度倒数曲线。由图4可知，0～23.5 h，该矿边坡产生初始变形阶段，边坡裂缝产生；
22.5 h达到该阶段最大位移速度3.35 mm/h，随后速度降低；
23.5～44.6 h，边坡处于匀速变形阶段，裂缝缓慢增加，该阶段边坡位移速度基本稳定在0.15 mm/h；
44.6～81.6 h，边坡处于加速变形阶段，边坡裂缝扩张速度变快，位移速度变快，可分44.7～70.0 h、70.0～78.1 h、78.1～81.6 h的3个阶段加速，最终于81.6 h边坡发生滑动破坏，此时边坡累计位移量66.77 mm，速度9.97 mm/h。

滑坡发生前，某段时间拟合得到其对应拟合公式y=-0.098x+7.944，拟合曲线相关系数约91%（图5）。借助拟合公式计算速度倒数为零时，x=81.06，即雷达借助该时段拟合曲线预测，边坡在81.06 h发生滑坡，与实际滑坡发生时间81.6 h仅相差32.4 min，MSR雷达预测具有良好的准确性。

3.3 现场实测及滑坡原因分析

由于滑坡区域近期正处于施工状态，裂缝、沉陷、底鼓等滑坡伴生灾害未能及时发现。矿方巡查于滑坡前21.2 h发现明裂缝，滑坡整体分为5个台阶发生破坏，面积约3.2万m2，东西长200 m，向北滑移3.4 m，最大沉降2.3 m，滑移量约为23万m3。实际位移量与监测数据存在差异，是因为雷达未正对应边坡，边坡与雷达间存在倾角，监测变形数值相对较小，但整体走势相似，不影响预报分析。

根据地质结构、采矿工序及天气因素三方面分析此次滑坡原因：

（1）地质结构。南帮此次滑坡西侧存在明显正断层，断层断距1.9 m；
且滑体3B煤层下部4～5 m存在弱层，物理力学性质较低，易发生沿弱层坐落滑移式破坏；
同时该矿南帮属于顺倾边坡，最大角度可达23°，易发生边坡滑动。

（2）采矿工序。正常采矿方式应从上至下施工，现阶段施工时上下同时施工，虽可提高施工效率，但现阶段抗滑力不足以支撑上部下滑力。此时下部施工相当于撤脚，从而导致边坡的抗滑力减小，使下滑力大于抗滑力，继而形成滑坡灾害。

（3）天气因素。由于近期持续的降雨天气，雨水顺着断层渗入岩层内部，且南帮弱层岩体物理力学性质强度较低，在雨水浸泡下进一步导致岩体黏聚力、内摩擦角降低而自动发生崩解，使其内部存在较多弱面，从而导致边坡的附着力不足以支撑边坡的稳定，易发生边坡滑动。

所以，南帮滑坡原因为下部施工降低边坡抗滑力，雨水顺着断层渗入降低岩层物理力学性质，导致边坡整体性被破坏，形成沿弱层坐落滑移式破坏。

3.4 预警级别划分

基于上述MSR雷达介绍、矿区滑坡时监测数据分析及滑坡实测分析，明确MSR真实孔径雷达可以适应复杂多变的现场环境，并能实现边坡临滑预警预测。

因该矿南帮属于大顺倾边坡、弱层、节理、裂隙及断层赋存，复杂的地质条件严重危害边坡稳定。为了更好服务该矿区复杂的环境，提高安全性，除却软件系统自带临滑时间的预报，基于该矿软岩边坡的特性、以往经验和滑坡曲线，提出分级预报制度，分级预报根据变形速度（滑坡加速阶段）划分，具体见表1。该预警阈值可为类似岩性露天矿预警预报阈值选取提供一定的指导意义。

?

（1）通过分析软岩露天矿边坡滑坡期间雷达监测数据，确定MSR雷达监测预报程序的实时性、合理性及准确性。

（2）此次滑坡主要原因是断层、顺倾、雨水侵蚀及施工方式过于激进，使边坡抗滑力小于下滑力，发生边坡滑动。

（3）基于边坡滑动模型及滑坡监测变形曲线图，提出分级预报等级，以便更好服务类似软岩露天边坡。

猜你喜欢 露天矿滑坡边坡 水利工程施工中高边坡开挖与支护技术的应用建材发展导向(2022年20期)2022-11-032001～2016年香港滑坡与降雨的时序特征地球科学与环境学报(2022年4期)2022-08-25建筑施工中的边坡支护技术探析建材发展导向(2022年4期)2022-03-16陡帮强化开采边坡立体式在线监测技术研究有色金属（矿山部分）(2021年4期)2021-08-30备战铁矿露天矿与挂帮矿同时开采稳定性研究有色金属（矿山部分）(2021年4期)2021-08-30爆破振动作用下某露天矿高陡边坡稳定性分析有色金属（矿山部分）(2021年4期)2021-08-30露天矿山土石方量的测量及计算电子乐园·上旬刊(2021年8期)2021-05-16边坡控制爆破施工科学与财富(2021年36期)2021-05-10“监管滑坡”比“渣土山”滑坡更可怕山东青年(2016年3期)2016-02-28

推荐访问:孔径 露天 监测系统