露天矿GNSS与边坡雷达监测技术对比分析*

2022-03-18王立文

现代矿业 2022年2期

王立文

（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）

随着矿产资源的持续开发与利用，我国露天矿山的开采界限不断扩大，采掘深度不断增加，已经形成了大量的人工高陡边坡。这些高陡边坡的坡度较大，且长时间暴露在外，受地质构造、风化剥蚀、工程活动及地下水运动等影响，极易引起边坡岩体应力失衡，发生片帮、滑坡等地质灾害，严重威胁露天矿山的正常生产［1-3］。为了确保边坡的安全，除了对边坡岩体进行加固、维护外，进行边坡稳定性评价及安全状态监测是十分重要的。

近年来，国际先进技术的引进使我国测绘科学取得了长足发展，各种新型的监测手段不断涌现，各大露天矿山越来越倾向于采用高精度的智能化边坡监测技术。目前，我国主要应用的边破监测装备按技术结构划分为2类：点监测和面监测。点监测的代表技术有GNSS（全球导航卫星系统）、深部岩移—应力监测等；面监测的代表技术有边坡雷达、激光（棱镜）监测技术等［4］。其中GNSS 和边坡雷达监测技术已经在我国露天矿山得到了广泛应用，尤其是在边坡稳定性监测方面已经取得了一定性进展，但对各应用环境和适用范围尚不明确，现阶段这些技术在实践应用中均表现出各自的适用性及局限性。为实现安全高效的边坡状态监测，本研究将从GNSS 和边坡雷达的原理出发，分析2种技术在边坡稳定性监测体系中的运行机制，为国内各大露天矿山的边坡监测技术研究提供一定参考。

1 GNSS边坡监测技术

1.1 技术原理

GNSS 的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），在露天矿山的边坡稳定性监测体系中，是以美国GPS、俄罗斯Glonass、欧盟Galileo 和中国北斗卫星导航系统等为依托实现的边坡地表位移监测［5-6］。GNSS系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统，其基本原理是通过测量已知位置的卫星到GNSS 接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据解析得到接收机的具体位置，进而以Internet 技术传输到服务端，最终获得监测点的三维坐标数据，并以时间序列为基础记录边坡岩体的形变信息。

在构建GNSS 系统过程中，露天矿山通常采用几个或十几个监测点组成全矿的监测网络，覆盖大部分重点或具有潜在危险的边坡台阶表面，同时在生产调度指挥中心设置数据处理服务器，通过4G/5G通信网络进行数据传输，并以WEB 或APP 的模式图像化于显示终端，如图1所示。

1.2 工作模式

GNSS 边坡监测技术由数据采集系统、数据传输系统及数据处理分析系统三大部分构成，主要由接收机、天线、太阳能板、蓄电池组、物联网卡及服务器等硬件组成。整套系统可以为露天矿提供时间、速度、加速度、三维坐标等边坡形变信息，具有实时性、全球性及连续性等优点。

在实践应用中，GNSS 系统可以采集各监测点位移变化信息，每天自动整理归集测量数据，并传输至监控中心的服务终端。监测分析软件可以显示各个监测点的表面位移，包括位移变化趋势图、断面曲线图、速度、加速度、数据列表、报警查询、周/月报表、自定义时段对比报表及系统管理等信息。通过这些信息可以以测量数据的时间序列为基础，分析各个监测点所代表边坡岩体的变形演化规律，并清晰地显示出各个监测点的位移值及变形方向，最终通过设置报警阈值的方法进行边坡预警，为矿区作业人员及设备的安全撤离及避险提供技术依据。

2 边坡雷达监测技术

2.1 技术原理

边坡雷达的全称是边坡稳定性监测雷达（Slope Stability Monitoring Radar），在露天矿山的边坡稳定性监测体系中以RAR真实孔径雷达和SAR合成孔径雷达2类边坡雷达为主要技术分支，其技术原理是基于差值干涉测量法［7-9］。通过电磁波从发射器发射至目标的时间为T1，被目标反射至接收器的时间为T2，因此可以计算出雷达至目标的距离为

式中，S为雷达至目标的距离，m；C为光的速度，m/s。

当目标发生形变时，电磁波的相位将产生一定差值，因此通过雷达对同一位置的连续测量可以获取目标的相对位移量，进而记录边坡岩体时间序列上的形变信息，如图2所示。

RAR 真实孔径雷达（Real Aperture Radar）通过巨大的碟形天线发射电磁波对露天矿的边坡地表进行连续、反复的覆盖式测量，从而获得时间序列上的位移、速度变化信息，再经过处理器的解析计算，即可图像化于显示终端，最终生成位移跟踪曲线、速度跟踪曲线及趋势云图。

SAR 合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar）通过雷达与边坡地表的相对水平往复运动，把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成为较大的等效天线孔径，从而获得时间序列上的距离向及方位向数据，再经过处理器计算出位移变化信息，最终生成边坡的位移跟踪曲线、速度跟踪曲线及趋势云图。

2 种边坡雷达均能以次毫米级精度进行边坡稳定性测量，可以直观、快速地识别异常变形区域，有针对性地统计归集这一区域时间序列上的位移、速度变化信息，并对边坡岩体发生形变的全过程进行动态跟踪监测，达到准确预测片帮、滑坡等地质灾害的目的，保障露天矿的安全生产。

2.2 工作模式

边坡雷达监测技术由数据采集单元、无线通信单元、电力供应单元、移动运输单元四大部分构成。数据采集单元通过雷达发射、接收电磁波获得边坡的形变信息，并对这些信息进行处理解析，再通过无线通信单元传输至监控中心的服务终端，最终由技术人员进行露天矿边坡稳定性分析及安全评价。

边坡雷达的电力供应单元主要采用220 V 外接电源，并配置UPS 后备电源、柴油发电机组和太阳能板等辅助设备，实现24 h 连续供电。由于露天矿的片帮、滑坡等地质灾害具有突发性，因此边坡雷达往往需要进行应急救援、快速移设、紧急监测等工作任务，其通常配备移动拖拽装置或集装箱吊装装置，可以全面融入露天矿山的地质灾害应急响应体系。

在实践应用中，边坡雷达一般布置在被测边坡对面，通过天线的往复运动对被测边坡进行覆盖式测量，并根据监测角度、距离及面积的不同将被测边坡划分为无数个像素点，其中每个像素点分别代表相应坐标位置的边坡岩体，可以反映此区域边坡岩体的实时形变信息，如图3所示。

3 技术差异

3.1 技术参数对比

目前，GNSS和边坡雷达的生产厂商众多，其技术不断更新迭代、产品功能不断升级，导致同类设备之间的性能差异较大，难以区分辨别［10］。本组的技术参数取自于国内主流的边坡监测设备，仅作为对比参考，但基本能够表现2 种监测技术的不同之处，具体参数如表1所示。

3.2 GNSS技术特征

3.2.1 优点

GNSS 边坡监测技术能够实现自动化监测，相对于RTK 人工监测，极大地减轻了户外测量的工作强度，其具有以下优势。

（1）全自动测量。通过高精度接收机、4G/5G 通信网络及数据分析软件等，能够完成自动化的采集、传输、解算与分析等功能，最终实现无人值守监测。

（2）全天候监测。适应各种气候条件，能够长期在户外环境中使用，具有防雨、防雪、防风、防寒、防震及防雷电等性能。

（3）定位精度高。采用2～3 颗卫星定位，可以同时测量监测点的三维位移，其精度为毫米级。

（4）距离不受限制。采用卫星定位，各监测点的位置没有限制，可以任意布置到露天矿的各边坡台阶表面。

（5）电源供应不受限制。采用太阳能板供电，能耗较小。

3.2.2 局限性

在现场实际应用过程中，GNSS 受自身技术特点影响会产生一定的局限性。

（1）布设较难。主机为箱式结构，整体较重，只能布置于车辆能够到达的边坡台阶表面，无法放置于倾角较大或曲面弧度偏大的高陡边坡，对监测边坡的适应性较差。

（2）监测范围小。单点监测能力较小，仅能覆盖周边一定面积的边坡，需多机组网监测，其监测效果和布设密度有关。

（3）误差源较多。容易受卫星钟差、通信延迟、接收机误差及数据处理误差等影响。

（4）供电方式单一。监测点分布较广，不利于外接电缆供电，大多采用太阳能板进行供电。在我国纬度较高、冬季温度较低的露天矿，光照强弱和环境温度对蓄电池的储能水平影响很大，同时太阳能板上的积雪或灰尘需要及时清理，否则会降低蓄电池的供电能力，造成设备损坏、测量失效及通信中断等故障。

3.3 边坡雷达技术特征

3.3.1 优点

目前，世界上已经有十几个国家使用200多套边坡雷达进行露天矿边坡稳定性监测工作。作为一种非常先进的边坡监测技术，边坡雷达可以对片帮、滑坡等地质灾害实现较高准确率的预测预报，已经在我国各大露天矿山得到了广泛应用。其与原有的人工监测及安装传感器等常规边坡监测方法相比，具有以下优势。

（1）可全天24 h连续运行，运行时间长。

（2）精度高，达到次毫米级（±0.2 mm）。

（3）监测距离远，实现30～4 000 m的有效测量。

（4）可以覆盖大面积的边坡表面，生成三维趋势云图。

（5）在野外环境中工作，不受雨雪、风沙、低温及雾霾等气候影响，适应性强。

（6）具备拖拽装置，可以快速布设，提高设备的机动性和灵活性。

（7）布置在稳定区域，保障人员与设备的安全。

3.3.2 局限性

在现场实际应用过程中，边坡雷达受自身技术特点影响会产生一定的局限性。

（1）硬件系统复杂。边坡雷达的硬件设备涉及电磁波收发装置、机械旋转装置、电子控制装置、信息处理装置、数据传输装置及电力供应装置等，其在运行过程中产生硬件故障的概率较高，维护维修难度较大。

（2）供电要求较高。边坡雷达的能耗较高，一般采用外接电缆或临时发电机供电，同时因矿用电压波动过大，现场停电时间较多，需要配置稳压装置及户外UPS设备，对供电等级要求较高。

4 应用案例

某露天矿位于内蒙古东部，矿区地层由晚侏罗世兴安岭群火山岩系、晚侏罗—早白垩世霍林河群含煤岩系和新生界新近系、第四系组成，各帮边坡岩性较差，属于典型的软岩边坡。边坡岩体受地质构造、水文条件及工程作业等因素影响，极易发生失稳破坏，严重威胁露天矿的正常生产。为此，露天矿山决定构建一套边坡稳定性综合监测预警系统，同时采用GNSS和边坡雷达2种技术进行边坡实时动态监测，最大限度地降低安全风险，减少地质灾害隐患，如图4所示。