合成孔径雷达与GNSS 监测对比分析

2022-08-19李千慧

露天采矿技术 2022年4期

李千慧，丁辉,3

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122；3.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

随着露天矿山不断地开采和剥离，原岩稳定被破坏，边坡稳定性逐渐降低，由此引发的露天矿山滑坡、坍塌、片帮等地质灾害严重影响了露天矿山企业的经济效益和人员生命安全[1-2]。露天矿采场和排土场边坡滑坡具有突发性强、灾害性大、预测困难等特点[3-5]，因此，如何确定边坡危险点位和异常区域，并动态关注其位移变化趋势和变化数值显得尤为重要。近年来，边坡监测技术不断发展，应用全球地位系统的GNSS 监测技术被广泛应用到边坡点位监测，通过布置在监测线上的若干监测点，实时动态获取点位的位移方向和大小，确定边坡的潜在滑动方向。边坡雷达技术[6-9]是近年来不断发展起来的技术，其特点是全天候、大范围和高精度监测，能够对点和区域变化趋势进行实时展示，并根据设定监测预警阈值实现临滑预警。对比2 种监测设备的监测数据和特点，对于更好的应用2 种监测设备实现对边坡的监测预警具有较高的研究价值和意义。

1 工程概况

扎哈淖尔露天煤矿[10]隶属于国家电投集团内蒙古能源有限公司下辖的扎鲁特旗扎哈淖尔煤业有限公司，位于扎鲁特旗境内扎哈淖尔开发区，属于霍林河煤田的主要存量区域，煤田面积为30.52 km2，开采境界内可采原煤储量为945.06 Mt，核定煤矿生产能力18 Mt/a，主要生产优质褐煤，可开采年限计划57 年。

随着采矿工程的正常发展，扎哈淖尔露天煤矿北帮东部逐步到达最终地表境界，初步设计北帮最终边坡角为27°，随着工作帮逐步推进，在北帮上部边坡角为13°～15°时，由于北帮上部岩层岩性较差，目前已经发生明显的滑移迹象，需要密切监视其变形动态。现有主要监测设备包括GNSS 监测站和边坡雷达。在实际应用过程中发现，GNSS 和边坡雷达均能获取监测范围内点的位移变化数值，但由于其原理不同数值大小也不相同，分析其监测原理异同点，获取监测数值大小之间的关系，能够更好的为监测人员提供监测判据，实时关注并分析边坡变形动态过程。

2 监测原理

GNSS 点位移监测是利用卫星定位原理，实现点位移实时变化监测记录，可获取北、东、高3 个方向位移变化值和真实矢量位移变化，是三维空间位移变化监测。

合成孔径雷达通常是通过向目标发射光波，并接收返回的信号，从而实现雷达到目标的距离测量。主要应用的技术包括步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术和差分干涉技术。步进频率连续波技术可以获取窄脉冲信号，从而达到提高距离分辨率的目的，距离分辨率可达0.3 m[11]。合成孔径雷达技术则是通过一个较小的真实天线沿长线阵运动，在不同位置上发射相关信号，接收回波信号并处理，实现等效的大孔径天线作用，合成天线长约2 m，其角度向分辨率可达5.4 mrad。数据的处理流程为：原始影像获取－聚焦成像－点目标提取－相位解绕－大气校正－干涉处理－变形分析等。

GNSS 测量的是点的三维真实位移，设定为边坡点实际位移方向，则雷达监测点位移和实际位移的关系如图1。

图1 雷达监测点位移和实际位移的关系示意图

3 数据对比分析

3.1 监测作用对比

GNSS 与合成孔径边坡雷达2 种设备，由于其设备构成、监测原理、监测侧重点等不同，在采场和排土场边坡监测中的作用有较大区别，GNSS 和合成孔径雷达监测对比见表1。

表1 GNSS 和合成孔径雷达监测对比

3.2 位移量对比

选取近期（2021 年12 月10 日—2021 年12 月21 日）雷达监测与GNSS 重合的3 个监测点（JCD－11、JCD－13、JCD－15），进行监测数据统计，监测点位移量统计见表2。

表2 监测点位移量统计

根据GNSS 和雷达监测的原理，雷达测量的点位移是真实空间位移在雷达方向上的分量。在同一监测点位处，GNSS 和雷达监测位移比值反应了真实位移与雷达方向位移的比值，GNSS 和雷达监测位移比值关系图如图2～图4，从图中可以看出雷达监测位移值比GNSS 监测位移值偏小，符合2 种设备的监测原理，且比值范围1.5～2.5，平均约为2，说明在这几个点位处，真实三维位移方向与雷达方向的夹角约为60°。