现代监测手段在黑岱沟边坡中的应用

孙振敏，王 莹

（内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010）

·试验研究·

现代监测手段在黑岱沟边坡中的应用

孙振敏，王 莹

（内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010）

在有效预防滑坡的手段中，边坡变形监测能够起到有效的作用。随着监测技术的不断进步，监测设备的精确度越来越高。以黑岱沟露天煤矿为例，研究了采掘场边坡监测系统布置，介绍了SSR边坡稳定性雷达监测的原理及方法，论述了采集数据原理，可为今后大面积推广应用提供借鉴。

边坡；监测手段；雷达

1 黑岱沟露天矿边坡概况

按照神华集团黑岱沟露天煤矿的初步设计，到1999年移交投产时，黑岱沟露天矿共启用东排土场、北排土场、西排土场3个外排土场，各个排土场均按照初步设计方案进行排弃。2003年以后，为了满足吊斗铲工艺技术扩能改造的需要，经过边坡稳定性分析研究，在保证西排土场边坡稳定的前提下，最终排弃标高比原设计方案增高了2个台阶，共计约30 m，于2006年排弃到位后废弃。2003年，增加东沿帮排土场，并按设计进行施工。2007年，扩能改造结束，排弃到位后废弃。2005年启用阴湾排土场，现正在使用，由于本排土场处在古滑坡体上，在使用过程中，下部台阶存在边坡不稳定的情况，但在排弃过程中，采取了降段排弃、基底处理和压脚等措施，有效地控制了边坡的滑动，保证了阴湾排土场的正常使用，截止到2010年只有阴湾排土场仍在正常使用。黑岱沟露天矿各排土场分布情况见图1。

图1 黑岱沟排土场分布图

2 采掘场边坡监测系统布置

黑岱沟露天煤矿采用的是吊斗铲工艺，随着开挖的深入，形成了高达70 m的高台阶，而且由于其地层结构主要为坚硬的岩石，需要爆破松动，在两种因素的共同作用下，高台阶上经常会有片帮、滑坡的发生。开展边坡监测工作是研究边坡变形规律和预测预报片帮的有效手段，但采掘场倒堆剥离高台阶的边坡不是固定不变的，而是随着开采的进行不断向前推进的，一般的监测方法大都是相对于固定边坡来进行，并不适合黑岱沟倒堆剥离台阶的监测。因此，引进了边坡稳定雷达监测系统，该系统的监测精度可达到亚毫米级，是目前监测露天矿高台阶表面变形极为有效的工具。并且该设备监测灵活、方便，无需靠近边坡体，不受恶劣环境因素的影响。引进边坡稳定性雷达监测系统可以利用其自身灵活监测的优势，对边坡进行实时监测，并根据监测数据分析的结果，预测片帮、

滑坡的发生。

3 雷达监测的原理和方法

3．1 边坡稳定性雷达SSR简介

为了避免片帮事故给该矿安全生产带来的不利影响，需对该矿抛掷爆破高台阶的整个片帮过程进行实时监测，做出及时的风险预报避免事故发生。该矿引进的SSR边坡稳定性雷达系统不仅可以针对岩石坡面的移动变化情况进行亚毫米精度的监测，而且可以24 h不间断。不仅能够测量出高台阶的位移情况，还可以显示高台阶的速度情况。SSR边坡稳定雷达系统在不与抛掷爆破高台阶坡面发生任何接触的情况下，能在几吨甚至数百吨的岩体发生断裂之前发出警告。

边坡一旦发生坍塌，往往会摧毁现场安设的设备，如测量棱镜、光纤位移器等。应用边坡稳定性雷达监测系统的优点在于边坡发生塌方之后，可以对崩塌事故进行全程的连续监测。这样，边坡崩塌几分钟之后，就可以对事故地段是否会继续变形、崩塌做出判断，并对灾后恢复和所需实施的救灾措施进行评估。利用边坡稳定性雷达监测系统对近前开阔地带进行实时监测，增强了现场工作人员应对边坡坍塌事故的信心，这对于实现现场快速撤离并最大限度减少生产损失具有重要意义。

3．2 技术原理

雷达边坡监测技术重点利用了三种重要的原理：干涉测量技术、步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术。

干涉测量技术目前是一项非常成熟的测量技术，通过该项技术主要保证对目标物的位移变化情况进行精确测量，是通过雷达反射波的相位差异而进行的。干涉测量技术原理示意图见图2，经过雷达的第一次发射和接收雷达波，确定了目标物所在的位置和相位信息。再经过一次发射和接收雷达波，确定第二个位置的相位信息，通过其相位差确定精确的位移变化。理论上最小可识别的位移变化为0．000 154 mm（如图2公式所示），这个精度完全能够满足在山体滑坡、边坡工程建筑行业的需求。

通过该项技术能够得到目标物径向上的位移，通过处理软件可以得到其他方向上的位移投影。通过这种方式用户可以自由进行设置，从而完成对整个区域的位移测量。

图2 干涉测量技术原理示意图

步进频率连续波技术是系统以不同的频率在一个最小扫描时间内发射出一组电磁波，通过这项技术来保证电磁波的长距离传输。步进频率连续波技术还为雷达提供了很高的距离向分辨率。雷达能够提供的频率带宽最大为3×108，则通过△r=C/2B得到的距离向分辨率△r为0．5 m。这就意味着在雷达的监测区域内，延径向每0．5 m被分割成一个单元，其技术原理见图3。

图3 步进频率连续波技术原理示意图

合成孔径雷达技术最早由NASA应用于对火星、月球表面的观测，是近年来迅速发展起来的一项新的空间对地观测技术，它是利用合成孔径雷达的相位信息提取地表的三维和高程变化信息。该技术可以获取大范围、高精度、高可靠性（全天候、全天时）的地表变化信息。利用SAR技术，在天线沿轨道线性扫描时，相当于增大了天线孔径，为系统提供较高的角度向分辨率。

边坡稳定性雷达监测技术是对露天矿边坡和无植被边坡面进行位移监测的最新技术利器。该技术达到近毫米级精度，是不受阴雨、尘雾和烟霾干扰，进行露天矿大面积边坡监测的唯一的技术手段。对岩石边坡面位移状况的实时监测实现了对露天矿边坡不稳定这一重大风险的连续管理。边坡稳定性雷达监测技术使露天矿生产活动中的风险管理发生了质的变革。正因如此，世界上有60多个大型露天矿采用了这一技术。同时，由于边坡稳定性雷达监测技术可以提供精确、可靠的边坡变形数据，该技术将在矿山安全和矿山设计方面产生巨大的作用。这些数据

还能够加深人们对露天矿边坡坍塌事故机理的了解和分析，从而逐步改善露天矿边坡的设计。合成孔径雷达技术原理示意图见图4。

图4 合成孔径雷达技术原理示意图

4 采集数据原理

为了实现边坡稳定性，必须收集边坡变形数据。在该雷达监测系统中边坡数据的采集是在扫描的过程中完成，扫描自边坡表面的顶部向底部，或从边坡表面的底部向顶部反复进行。对每一次扫描均采集数据，SSR系统的基本目的是测量表面的位移，而非测量距离。工程技术人员通过初级监测站（PMP）直接或间接观察到扫描数据，并针对一次扫描至下一次扫描的数据（主要是两次扫描位移量的变化）进行比较。

边坡稳定性雷达能够迅速扫描一个很大的区域，测量的准确度在毫米以下，并且能够以电子图像形式显示矿区边坡的稳定性。

5 监测案例

实践表明，边坡稳定性雷达在滑坡预测中获得了很好的效果，为现场的安全生产也起到了重要的作用。下面以两次扫描结果进行对比，说明正常匀速变形阶段和临滑阶段的区别，并分析滑坡前后的特征。

1）匀速变形阶段。

滑坡前某点的变形曲线图和速度曲线图见图5。

图5 匀速阶段变形、速度曲线图

从图5可以发现，速度曲线（细实线为速度曲线，粗实线为变形曲线）大部分时间内为一条水平直线，说明速度处于一恒定值，偶尔有跳跃的现象，而这种跳跃我们分析和现场经验确定其为爆破影响所致。所以得出结论，边坡变形还处于匀速变化阶段，尚未加速到临滑状态。

2）临滑阶段（加速阶段）。

滑坡发生前后某一点的变形曲线图和速度曲线图见图6，为了方便分析，选择的这一点和图5几乎一样的位置，但仔细观察，图6中变形曲线和速度曲

线发生了很大的变化。

对于变形曲线（细实线为变形曲线，粗实线为速度曲线），发现两处加速阶段，这与匀速阶段有很大的差别，而经过分析和现场经验，恰好这个时候没有别的因素干扰，那么可以肯定曲线的变化为实际边坡的变形，且为加速变形。

对于速度曲线，可以更直观的发现，图6中出现两处跳跃现象，后一次更甚前一次，最高速度可以达到40 mm/h。综合两条曲线的观察，可以肯定在速度的两次峰值都发生了滑坡，当然，滑坡的预测要在加速阶段的初期就要进行，而且配合报警的使用效果更好。

图6 加速阶段变形、速度曲线图

6 创 新

1）针对黑岱沟采掘场边坡的特点，引进了稳定性雷达监测系统，该系统是国内第一例正式应用于边坡监测的系统，为以后的大面积推广应用提供了借鉴，使得国内边坡监测的技术手段更加多样化，为监测人员提供了更多的选择。

2）针对排土场边坡，创新地采取了地面位移与地下应力联合监测的手段，两种监测手段的配合使用在国内也是首次应用。事实证明，这种联合的监测方式能实现优缺互补，更好地实现对边坡的全方位掌控。

7 不 足

1）由于排土场边坡在监测期间没有发生滑动的实例，没能结合具体的实例说明该监测系统的提前预测能力与可靠性。

2）由于边坡稳定性雷达监测是国内首次应用以及论文篇幅的限制，本文对雷达监测做了详细地介绍，对GPS监测的结果做了简单地分析，没有对排土场锚索监测的具体数据做详细的介绍。

3）排土场稳定性评价分析是在引用了设计院的勘察结果的基础上得出的潜在滑坡区，因此没有作为论文的主题部分，并没有做过多详细地论述。

［1］刘 志．光纤传感技术在边坡监测中的应用与发展［J］．山西建筑，2010（04）：1-2．

［2］谭捍华，傅鹤林．TDR技术在公路边坡监测中的应用试验［J］．岩土力学，2010（4）：1-2．

［3］梁全辉．边坡监测技术浅谈［J］．科学之友，2010（9）：1-2．Application on Modern Monitoring Means in Side Slope of Heidaigou Open-pit Coal Mine

Sun Zhen-min，Wang Ying

In the effective means to prevent landslides，slope deformation monitoring can play an effective role．With continuing advances in monitoring technology，the accuracy of monitoring equipment is higher and higher．A case study in Heidaigou open-pit coal mine，studies slope monitoring system layout in mining field，introduces the principle and method of SSR radar monitoring of slope stability，discusses the collected data principle，can provide reference for future large-area application．

Side slope；Monitoring means；Radar

TD824．7+3

A

1672-0652（2013）07-0032-04

2013-04-01

孙振敏（1986—），男，河南郑州人，2013年毕业于内蒙古科技大学，硕士研究生，主要从事矿山监测方面的研究（E-mail）szm1945＠qq．com