微变监测雷达在扎哈淖尔露天煤矿的应用

徐玉龙

（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）

在露天采矿过程中，随着采矿活动的快速推进，极易形成的危险性较高的高台阶边坡和排土场等地形极易引发山体滑坡灾害。我国露天矿山呈现集中化开采趋势，开采范围及年产量逐年增大，形成了较大的高陡边坡，边坡稳定是影响露天矿安全生产的重要因素，因边坡失稳造成的片帮、滑坡等地质灾害不仅影响正常的采矿作业，而且威胁着人员及设备安全，严重时甚至造成露天矿停产，造成巨大的经济损失。

随着露天矿边坡监测预警技术的迅速发展，边坡雷达监测预警技术已经在全世界范围内获得广泛认可和应用，为此,应用微变监测雷达对扎哈淖尔露天煤矿边坡工程进行稳定性监测及临滑预警。

1 边坡监测现状

边坡表面位移监测是对一定范围内岩体及土体的位移、沉降、倾斜及其地基等形变所进行的测量工作。目前应用较为广泛的监测技术包括GNSS 监测技术、全站仪监测、人工监测等。GNSS 监测是全球性的位置测定系统[1]，属于单点的测量，并且在高山地区，卫星信号容易被遮挡，且GNSS 接收站的布设要求操作者要能够到达监测目标点，抗灾害破坏能力弱。全站仪监测和人工监测其计算精度与监测点设置的疏密程度和空间位置分布有很大关系，监测点设置越多形变检测结果越可靠，其位置分布越均匀所产生的差值误差越小。

2 微变监测雷达技术

为了解决点式监测手段覆盖范围较小、受到恶劣天气影响较大、抗灾害破坏能力弱、自动化程度不高、无法获取区域连续形变监测结果的特点，将已发展成熟的合成孔径雷达（SAR）/真实孔径雷达（RSR）和差分干涉雷达（DInSAR）应用到地基轨道上，发展成为微变监测雷达，是通过获取的时间序列SAR 数据实现区域形变的监测，具有全天候、大角度、24 h连续监测的优点，且兼具方便携带、安装灵活等优点。雷达采集所得的形变信息为二维图像信息，这种区域信息的获取有助于观测现象的理解和灾害预测。微变监测雷达的高灵敏度、高空间分辨率、宽覆盖率等特点使得这种技术在露天矿山边坡监测、人工坝体监测、山体滑坡监测等方面具有重要的研究意义[2-3]。

微变监测雷达（也称为地基差分干涉SAR、地基雷达、干涉雷达、边坡雷达）基于合成孔径雷达（SAR）/真实孔径雷达（RSR）和差分干涉雷达（DInSAR）的原理，实现对观测场景进行表面微小形变位移信息的提取[4-5]。地基轨道平台携带雷达传感器运动，雷达发射及接收电磁波，通过小孔径合成大孔径，实现高分辨成像。通过轨道的往复运动获取观测区域的时间序列回波数据，利用干涉雷达技术实现高精度的位移形变信息，通过网络传输到用户中心实现自动化监测，并依据形变量、形变速率等参数进行预警级别判断，发出预警。

微变监测雷达监测精度和监测距离较传统边坡雷达有所提高，技术参数为：①预警信息：位移/速度/加速度；②监测精度：0.1 mm；③作用距离：5 km；④最大视场：水平90°/垂直60°；⑤采集间隔：1～6 min；⑥像素大小：0.3 m×0.005 4 rad；⑦防护等级：IP65；⑧工作温度：-30～50 ℃；⑨供电电压：AC 220 V。

3 实施案例

3.1 项目概况

扎哈淖尔露天煤矿位于扎鲁特旗境内，属于霍林河煤田主要存量区域，煤炭贮量9.56 亿t，设计产量规模为15 Mt/a[6-9]。扎哈淖尔露天矿北工作帮设计边坡角22°，主采煤层为II、III、IV 煤组；边坡走向与岩层层理走向平行，岩层与边坡倾向相反，边坡内IVC 煤底存在泥岩逆倾弱层[10]。北工作帮上部，基底岩石是强度较低的第四系排弃物料是由煤层顶板以上的泥岩、砂质泥岩、砂岩及第四系层砂、土等构成的混合物料。随着近几年开采规模的不断扩大，工作帮开采的深度增加，北帮边坡蠕动现象已越来越突出，边坡稳定性已成为扎矿安全生产的重要制约因素。

2021 年1 月份以来，受不利地质条件及频繁降水等因素综合影响，扎矿采场北帮西区880 m 水平平盘以上区域相继出现规模不等的边坡变形破坏，2021 年1 月末开始，北帮人工监测点水平位移量呈增多趋势。890 台阶出现裂缝长度约380 m，875 台阶出现裂缝长度约260 m，860 台阶出现裂缝长度约126 m。

3.2 设备部署

为克服现有极限平衡法与数值模拟技术在这方面的不足，获取真实的边坡监测数据，才能有效体现边坡的动态稳定性，因此有必要在分析边坡滑坡机理的基础上，结合边坡工程地质条件与现有监测系统布置现状，提出经济有效的边坡监测方案。

保证边坡稳定及安全生产，针对北帮边坡安全建立了微变监测雷达系统，用于监测边坡变形及蠕变区域的范围，在对露天矿山边坡进行实地勘测、调研的基础上，选好监测站址，建设通讯网络，采集和处理所必须的辅助坐标数据、无人机数据，在此基础上，即可对待测区域开展实时监测与预警。设备获得被测区域的长时间序列雷达回波数据后，对雷达数据进行处理、显示与分析，综合评判待测区域是否存在不满足稳定性标准的隐患区域。微变监测雷达系统获取隐患区域的形变等信息后，将形变信息生成相应的监测报告，辅助用户进行隐患点稳定性判断。

3.3 监测数据

2021年3 月11 日—2021 年3 月14 日，微变监测雷达数据与三维数据模型相融合，雷达位移云图出现1 处红色报警区域。

在监测图中呈现正向形变。由于本文为反演分析，因此，只对发生裂缝的区域进行了局部分析，并在区域内均匀选定5 个特征监测点。边坡变形累计位移量曲线如图1，边坡变形速曲线如图2。

图1 边坡变形累计位移量曲线

图2 边坡变形速度曲线

根据雷达数据，位移量曲线从3 月11 日0 时—3 月12 日1 时未出现明显波动，说明该区域基本处于稳定状态；3 月12 日1 时之后，5 个特征监测点位移曲线持续增加，雷达速度曲线波动加大，说明该区域出现加速变形；3 月13 日1 时之后，速度曲线变形趋势有所减弱，说明该区域形变趋于稳定状态。根据雷达监测曲线，将形变分为5 个阶段：①第1 个阶段为稳定阶段，形变速度基本稳定在±1 mm/h 之间，形变累加过程也较为平稳；②第2 个阶段为初始变形阶段，此阶段形变速率有所增加，从0.1 mm/h 上升到1.97 mm/h，此阶段边坡进入初始变形阶段；③第3 阶段为等速变形阶段，出现短暂速率波动后，边坡会进入等速变形阶段；④第4 阶段进入加速变形阶段，边坡在等速变形基础上，发生重力破坏开始加速，直至边坡体发生失稳，形变速度最大达5.05 mm/h，经过现场查看，此阶段之后已在施工现场产生裂缝，该阶段边坡容易出现滑坡灾害，应密切关注速度曲线变化；⑤第5 阶段为恢复稳定阶段，此阶段位移及速度曲线波动较小，总体边坡恢复到稳定状态。

4 结语

微变监测雷达利用自身优势，较好的融合数字地理模型，能直观反映监测区域变形数据；通过雷达数据分析可以清晰判断变形区域所处的各个阶段，判断出未来一段时间内边坡岩体的变化趋势，对分析变形区域预报预警有重要意义，微变监测雷达是一种先进的边坡变形实时监测预警技术，实践应用效果良好，这种技术的应用可以为国内各大露天矿山的边坡稳定性研究提供强有力的技术支持。