边坡稳定性雷达监测预警系统在某矿的应用*

徐玉龙

(1.煤矿安全技术国家重点实验室；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司)

近年来，随着露天矿边坡监测预警技术的迅速发展和各种型号边坡雷达的广泛使用，MSR真实孔径边坡雷达已经得到越来越多的市场应用和认可。MSR边坡雷达预警系统相比其他传统的监测方法，有着监测精度高、安装方便、监测范围广等优势特点。不仅能够为露天矿边坡监测体系建设提供理论基础，而且能够有效提升矿区开采安全性，促进我国矿业的发展。

1 边坡雷达技术

真实孔径边坡雷达是针对露天矿及类似边坡工程等高陡边坡进行监测预警这一新型技术手段[1]的主力设备。边坡雷达系统先以近毫米级精度，利用其发射的雷达波对露天矿的边坡岩体进行连续、反复的测量扫描；然后通过计算机上复杂的算法，将扫描结果与之前获得的扫描数据进行比较，测量这2次的相位差，将其转换为相对位移的变化，从而确定边坡面的位移程度[2]。随后通过软件MSRViewer将测量数据进行比较分析，从而确定边坡岩体的速度及加速度变化情况，利用速度倒数的曲线推算出滑坡的时间节点，并将其图形呈现于计算机上，从而起到超前预警的作用。

真实孔径边坡雷达通过连续地测量扫描会形成一个露天矿边坡岩体的位移变化数据库，软件通过分析数据，显示出边坡岩体的实时变形速度，当速度变化超过设定的临界阈值时，边坡雷达就会发出报警，这时要通知坑下设备及作业人员进行撤离，来确保采场生产安全[3]。这套系统可展示并监视岩壁的运动过程。由于软件使用了独家方法跟踪监视对象的形变，能够很好的协助矿方优化安全与生产，同时避免了安全风险[4]。地质工程的风险管理可基于MSR获取的数据得到改善，因而使用MSR技术可以大大地增加安全性。边坡雷达对边坡岩体进行扫描的过程中把相邻2次扫描的测量数据进行比较，如果有相位变化就说明边坡岩体发生了位移变化，如图1所示。

图1 边坡雷达两次扫描的相位变化

2 边坡雷达报警值的选择依据

可靠的监测预警机制将提前发出滑坡提示，并提供充足的时间使人员及设备撤离问题区域。目前，边坡雷达的监测预警机制是基于用户自定义设定的报警值预先发出警告，即当滑坡变形达到预先设定的报警值时，将触发雷达报警。因此，边坡雷达监测预警机制的有效性取决于合理的报警值的选择。

大量的滑坡实例监测资料表明，滑坡从出现变形到最终失稳破坏，一般需经历减速变形、等速变形和加速变形3个阶段，其典型滑坡累积位移—时间曲线如图2所示。

图2 典型滑坡累积位移—时间曲线

由图2可知，减速变形阶段表现为边坡减速变化的特点，滑坡累积位移—时间曲线呈现斜率不断减小的抛物线形态，该阶段存在时间非常短；等速变形阶段表现为边坡等速变化的特点，滑坡累积位移—时间曲线呈现斜率恒定的直线形态，即此时速度为零或恒定值，该阶段存在时间最长；加速变形阶段表现为边坡加速变化的特点，滑坡累积位移—时间曲线呈现斜率不断增大的抛物线形态，最终失稳破坏。利用加速变形阶段边坡变形速度不断增大的特点，并通过选择合理的速度报警值，边坡雷达可作出较为准确的滑坡预警。

3 滑坡时间预测原理

同样，通过如图3所示的滑坡累积位移—时间曲线可以看出，滑坡发生的时间应在加速变形阶段的后期，因此，边坡雷达触发设定的报警后，技术人员首先应根据监测数据判断边坡表面是否保持持续变形状态；其次，若变形持续增大，说明边坡变形已经进入加速变形阶段，急需进行滑坡时间预测。

图3 变形区域位移曲线

边坡雷达通过边坡变形速度的倒数曲线来对滑坡时间进行预测。其原理：当边坡变形进入加速变形阶段时，随着边坡变形的加速，速度不断增大，速度的倒数不断减小，直到滑坡时无限趋近于零。研究表明，由于这种趋势是相对线性的，因此，通过拟合穿过图像点的直线，找出时间轴的截距，可准确估算滑坡发生的时间。

图4显示的估计值中，预测时间与滑坡实际发生的时间仅相差45 min。根据速度倒数曲线的最后一部分绘制直线，直线的延长线会与时间轴有一个交点，软件自动添加注解，显示交点的时间值，这个时间即为将要发生滑坡时间(2008年12月1日12∶33)。

图4 变形区域速度倒数曲线预测滑坡时间

4 边坡雷达的案例分析

某露天矿经过地质勘查发现，矿区台阶错落沉陷,断裂构造发育,南帮边坡岩体破碎严重,多呈碎裂块状结构,形成滑坡松散体,存在一系列张拉裂缝,易发生沿此节理面的滑坡。

该露天矿临近设计开采年限，南帮边坡曾于2005年、2007年、2010年分别在75～-90 m、-40～-75 m和-120～-135 m边坡段出现开裂下沉现象,常规的扩帮作业可能引发边坡失稳,导致滑坡等地质灾害事故,从而危及人员、设备安全[5]。为准确掌握这一区域边坡岩体的实际变形情况做到提前预警，达到及时撤离人员和设备的目的，该露天矿决定采用MSR真实孔径边坡雷达监测预警技术，对采场进行实时动态监测。为采场提供安全保障，确保顺利生产并完成生产任务。

边坡雷达系统布置在该矿北帮+30 m平台位置，实时监测南帮整体区域，根据雷达数据显示，9月20日—9月29日期间，南帮-40～-75 m区域边坡位移持续加大，雷达监测云图如图5所示。该区域变形数据通过软件MSRViewer分析后得到监测位移及速度曲线如图6、图7所示。

图5 雷达监测云图

图6 雷达监测位移曲线

图7 雷达监测速度曲线

4.1 观察位移曲线

如图6可知：

(1)a阶段滑坡区域位移呈现缓慢增大趋势，累计位移量为30 mm。

(2)b阶段滑坡区域位移呈现加速变形趋势，累计位移量为70 mm。

(3)c阶段滑坡区域位移曲线呈现斜率变大，加速度变形趋势，累计位移量为136 mm。

4.2 观察速度曲线

如图7可知：

(1)a阶段该区域速度呈现等速变形趋势，维持在0.32 mm/h左右变化。

(2)b～c阶段该区域速度有所增加，从0.32 mm/h增大到1.62 mm/h。

(3)d阶段该区域速度呈现加速变形趋势，从1.62 mm/h增加到6.26 mm/h。

4.3 预警情况及分析

从数据曲线可以看出，从b阶段开始，滑坡区域的速度曲线出现加速变化。技术人员经过分析判断后，确认此变形区域的边坡变形是真实的，非采掘作业影响，存在滑坡风险。技术人员确认以后，向应急指挥调度中心汇报监测预警情况及变形区域位置和位移、速度等信息。在得到技术指示后，立即发出了临滑预警指令，并通过矿调度室通知坑下作业人员及设备进行紧急撤离。

在临滑预警指令发出13 h 27 min后，即9月30日5∶50该预警区域的边坡发生了片帮，最终在6:05形成了一次较大规模滑坡后结束。此次滑坡共持续了15 min，滑坡时位移量为136 mm，速度值为6.26 mm/h，面积约1 800 m2。从此次滑坡开始到结束边坡雷达一直保持实时监测状态，在9月30日21∶00边坡雷达显示此区域的速度曲线逐渐归零，技术人员在22∶00解除了临滑预警指令。

本次滑坡主要原因是南帮作业区爆破所引起，爆破日期分别为9月21日、9月22日、9月26日、9月27日，且药量较大(单次10 t以上)。直接原因是9月27日以来的连续强降雨，降雨量达到近280 mm，加大了边坡负载，导致变形加速，发生了滑坡。本次滑坡共撤离挖机3台，钻机1台，自卸汽车21台，作业工人36人，挽回估算经济损失3 000万元。

5 结 论

(1)通过此次滑坡案例分析可以看出，边坡雷达利用自身优势，可以布设到指定位置投入运行，对露天矿的边坡进行实时监测预警。验证了真实孔径边坡雷达以超高精度预警、扫描周期短、获取边坡变形数据快、超前精准预报边坡变形的能力。

(2)边坡雷达在监测预警过程中，应该重点观察监测区域的位移曲线、速度曲线，设置多级预警级别，实时跟踪监测变形曲线的变化趋势，当触发预警阈值时，经技术分析确认后，立即汇报指挥中心，发出临滑预警指令，按不同预警级别执行不同预警方案，最终确保矿区内人员及财产安全。

(3)真实孔径雷达在边坡稳定性监测这一领域提供了新的监测模式，不仅可以根据雷达测量的数据来调整采掘方案和爆破方法，也可为类似矿山边坡监测提供技术参数。在露天矿山的边坡稳定性研究方面，边坡雷达也可以提供技术支持。

(4)通过对MSR边坡雷达的应用，表明该雷达是一种性能稳定，并且能做到24 h实时监测的现代化边坡监测技术。它几乎不受雨水、尘埃的影响，不仅适应人工边坡的监测，更适合用于金属矿山的边坡监测。边坡雷达监测预警能够有效避免了财产损失，可以保证露天矿山的安全生产及经济效益。