雷达形变监测系统在蒙东能源协调开采区的应用

陈应显，Umrzakov Shuxrat，李佳莹

（辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000）

随着我国经济的稳步发展，对能源的需求量逐年加大，露天煤矿开采的比重增加。露天矿山深部凹陷开采可有效增加产量，但在其开采过程中会产生高陡边坡，因为边坡所处的工程水文地质条件都十分复杂多变[1]，容易发生滑坡等地质灾害，直接影响矿山经济效益[2]。露天矿边坡从受到力的作用变形到最终破坏，其演化过程相当长。边坡失稳发展的过程，通常伴随一系列边坡地表和地下的宏观与微观的变形，位移监测可以实时掌握这些现象的发生及其发展过程[3]。露天边坡形变监测是掌握边坡稳定状况的有效手段，因此在边坡形变监测方面，国内外学者开展了大量的研究工作。边坡监测方法很多被用于对危险区进行监测，概括分为对滑坡表面监测和对滑坡地表深部进行监测的技术[4]。不同的监测技术对露天边坡稳定性的监测，对预防边坡滑坡事故起到关键作用[5]。但同其它监测技术相比，边坡雷达在监测数据获取方面与传统的测量仪器相比具有诸多优势，适用于多种矿区，被国内外多个矿山广泛应用，并获得明显效果[6]。

1 地基差分干涉雷达工作原理及组成

1.1 工作原理

差分干涉测量将不同2 个时刻所监测物体反射的雷达波的相位差来进行精准测定测量目标点的位置，最终获取形变变化量或数字高程模型[7-8]。针对2次影像获取期间，地面形变，须将地形相位从地平相位中移除以提取干涉相位形变数据，选用差分干涉测量。

假设在形变未发生时，地基雷达A 与测量目标点的距离为S1，形变发生后形变量为d，与测量目标点的距离为S2，设目标点g 移动前的雷达相位为φg，其形变发生后的雷达相位为，两者间的相位差即为，则地基差分干涉雷达测量后得到该点的相位组成计算公式为：

因差分干涉测量无需考虑基线、大气干扰等问题，因此测量目标点形变发生后形变量d 的计算公式为：

1.2 雷达系统组成

边坡雷达系统组成如图1。雷达系统主要构成为边坡监测雷达、上位机、外部电源。交流电源或直流电源均可为边坡雷达供电。

图1 边坡雷达系统组成

边坡雷达的具体组成[9]：①调频连续波雷达；②直流电源；③数控位移台；④俯仰台；⑤上位机（即主控计算机）。

上位机可以安装在任意可进行网络通信的地方，其软件系统组成包括数据采集与系统控制、成像处理、实时形变处理和三维地形构造等功能。其中数据采集部分通过控制雷达系统来实现回波数据的采集；成像处理部分对原始回波数据进行事后成像处理；实时形变处理部分完成精密形变测量；三维地形构造部分实现利用外部地形数据构造三维地形。

2 系统应用

2.1 应用概况

1）监测区概述。监测区位于内蒙古胜利煤田西部，包括西二露天矿和乌兰图嘎露天矿。前者东西长3.4～4.0 km，南北宽1.9～3.3 km，面积12.282 km2；后者呈不规则状，面积约为6.4 km2。由于地质条件复杂，剥离物中软岩占比达90 %左右，2005 年后采场曾发生过多次滑坡，致使采场周边系统设施遭到破坏，对正常安全生产造成一定影响[10]。以蒙东能源胜利西二露天矿和乌兰图嘎露天矿协调开采区域为例，结合该区域特有的工程及地质特征，应用地基差分干涉雷达形变监测系统进行边坡监测。

2）雷达监测现场。两矿协调开采计划到界南帮边坡最大高度约100 m、边坡角26°，其上部排土场高度约80 m、边坡角14°，形成高度约180 m 的复合边坡，在部分区段的采场与排土场间安全距离不足50 m，存在较大的安全隐患。由于受矿权界和乌煤排土场空间形态限制，两矿协调开采南帮为典型的平面凸边坡，这种平面形态不利于边坡稳定性，所以采取边坡监测措施是非常必要的。采用边坡形变雷达监测系统对协调开采区域采场、排土场进行实时监测。边坡监测雷达位置及监测范围如图2。

图2 雷达位置及监测范围

2.2 监测数据

雷达监测1 个周期获得165 942 个监测点数据，形变监测分析预警系统从中均匀地提取55 314个监测点数据作为分析样本，对这些监测数据进行形变和形变速率分析。雷达监测数据从2019 年4 月21 日开始录入数据到2019 年7 月23 日，共采集到1 720 万条记录。

1）雷达监测累积形变。截至2019 年5 月12 日，累积形变的大小范围为0～1.177 m，最大累积形变1.177 m，所在的监测点号为52864。52864 号监测点的形变量如图3。52864 号监测点形变速度如图4。

图3 52864 号监测点形变量

图4 52864 号监测点形变速度

2）雷达监测形变速率。形变速率的大小从0～0.204 m/d 变化，截至2019 年7 月23 日，最大形变速率为0.204 m/d，监测点号为51401。

3 结语

在对地基差分干涉雷达工作原理及雷达系统组成分析的基础上，根据蒙东能源胜利西二露天矿和乌兰图嘎露天矿协调开采区域特有的工程、地质特征，在该区域协调开采期间使用地基差分干涉雷达形变监测系统进行边坡监测。实现了对雷达监测数据的综合分析利用。使用雷达监测点的累积形变数据和形变速率数据，分别生成形变等值线图和形变速率大小分布图，由此确定出累积形变较大区域及范围，并进一步确定出潜在滑坡区。通过对露天矿边坡形变进行实时雷达监测，达到了对边坡灾害有效预报，实现了对该区域安全高效生产。