真实孔径边坡雷达系统现场工作布置研究

2022-11-04丁辉

现代矿业 2022年10期

丁辉

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院）

随着露天矿山不断地采剥作业，采场和排土场边坡稳定性问题越来越严重，由此引发的滑坡等灾害严重制约矿山的安全生产和经济效益提升［1-3］。确定边坡危险区并监测其动态发展过程［4-5］，做到及时预报预警尤为重要。真实孔径边坡雷达监测技术不断发展成熟，在露天矿山滑坡灾害监测预警中发挥越来越大的作用［6-9］。由雷达设备、通讯系统和监测数据平台组成的真实孔径边坡雷达监测系统具有大范围、高精度、全天候等特点，能够有效预警预报边坡的动态发展过程，其现场合理化布置是该系统能够充分发挥其性能的基础条件。

真实孔径边坡雷达的现场工作布置研究包括雷达设备、通讯系统和监测数据平台的布设。雷达系统现场工作布置优劣程度影响监测边坡体数据的有效获取、稳定快速传输和充分呈现。真实孔径边坡雷达获取的数据值是目标边坡体真实位移值在雷达方向上的分量，当真实位移值与雷达方向角度过大时，获取的数据值无法有效反映边坡体变形情况；通讯设备的多级跳转和传输天线的角度对数据的传输效果有很大的影响；而监测数据的展示对矿山管理人员及时发现问题做出应对具有重要作用。深入分析现场实际情况，确立合理的现场工作布置方案，对确保雷达监测系统数据获取的准确和保障雷达系统平稳运行具有重要意义。

1 工程概况

扎哈淖尔露天矿位于内蒙古通辽市扎鲁特旗境内，霍林河煤田西南部，行政区划隶属于霍林郭勒市和扎鲁特旗。矿区内断层较发育，根据前期研究成果，规模较大的断层共有19条。扎哈淖尔露天煤矿坑分为东西2个矿坑，中间由鼻梁道分割，整体呈现东西狭长态势。北帮边坡主要由散体结构的第四系砂土和风化带泥岩、层状结构的泥砂岩互层和煤层组成，岩层普遍逆倾，倾角为5°～13°。特别是北帮中部920 m和北帮东部860 m平盘受其特殊的软岩地质特性影响，蠕动变形较大，迫切需要对2个重点监测区域的位移变形情况进行有效监测。矿坑南北宽约2 km，东西长4.5 km，矿坑高差约300 m。整个矿坑较为狭长，北帮边坡跨度较大，需要合理布设边坡雷达确保重点监测区域数据的有效获取。且矿坑中能用于布设通讯基站的高塔较为稀少，影响通讯设施的布置，需综合考虑各项因素，提出通讯布设合理方案。

2 系统构成及局限性

2.1 雷达系统构成

真实孔径边坡雷达系统的构成包括3部分：雷达系统、通讯系统和监控中心平台，分别实现对监测边坡体数据的获取、数据的通讯传输和数据的人机交换呈现。3个部分相辅相成、互相促进，实现监测预警的最终目标，任何一个部分的功能短板，都将对监测效果产生负面作用。

2.1.1 雷达系统

雷达系统布置在露天矿坑现场，是整个监测系统的最前沿，是进行监测预警最重要的构成部分。其主要功能是通过雷达波收发模块发射电磁波和接收回波，获取雷达到目标边坡的绝对位移和相对位移。通过系统数据处理模块实现多元数据接收处理和存储传输，另外电源模块和拖车模块实现雷达系统的工作用电供给和设备承载运输。

绝对距离的测量不是为了位移测量，而是形成了边坡的三维模型。通过众多目标点的绝对距离点云图，形成目标扫描区域的三维模型。特别注意的是，反射的电磁波回波质量受到雷达与边坡坡面角度、方位的影响。相对距离与绝对距离不同，对于同一个点目标，由于目标的微小移动，每次扫描接收的回波存在相位变化，通过相位变化而实现对微小位移的监测。

2.1.2 通讯系统

雷达系统获取的数据需要通过通讯系统传输到监控中心进行呈现，通讯系统是沟通雷达系统和监控中心平台的桥梁。通讯系统的主要功能是实现数据的搬运工作，因此数据的快速稳定传输至关重要。

2.1.3 监控中心平台

监控中心平台的面向对象是监控管理人员，是整个监测预警人机互动最直观的部分。通过监控中心平台的数据展示，把边坡体危险区域边界、位移变形数值趋势及预警预报提示及时反馈给监控管理人员，因此监控中心平台的布置情况和位置对于实现最终监测预警的效果具有重大影响。

2.2 雷达系统局限性

边坡雷达监测所获得的位移量为目标边坡真实位移方向在雷达射线方向上的位移分量，因此当位移方向与雷达方向夹角越小，则监测效果越好。当真实位移方向与雷达方向角度超过40°时，雷达监测获取的位移变化值较小，将影响正常监测效果。目标边坡的真实位移与雷达获取的位移关系如图1所示。真实位移方向与雷达获取的位移方向存在一定的三角函数关系，在夹角过大的情况下，边坡体发生位移变化，其分量数值变化相对于真实位移较小，变形趋势的显现也不明显，不利于监测人员及时发现异常变形区域，容易出现漏报现象。

在实际现场布置过程中需要针对重点监测区域，尽可能满足正对监测区域，从而获取有效监测数据，提升监测效果。

3 系统现场工作布置研究

3.1 布置工作流程

真实孔径边坡雷达监测系统的现场布置主要包括雷达设备布置、通讯系统布置和监控中心平台布置，布置工作流程如图2所示。

在露天矿山引进真实孔径边坡雷达对边坡进行监测预警时，首先应该明确矿坑采场和排土场边坡的基本情况，确定危险边坡区域大致范围，锁定重点监测区域。针对重点监测区域，指向性的进行雷达系统的布置，实现重点监测范围的有效监测和预报预警，确保安全生产。在考虑系统工作现场布置时应该通过现场调研和参考历史监测及评价资料，明确主监测区域边界范围，确立该区域的潜在滑动方向，在该工作的基础上计算雷达设备的最优布设范围，综合考虑运输便捷、通讯方便稳定、数据展示高效等因素，最终完成整套系统的现场布置工作。

3.2 雷达设备布置

雷达设备的布置位置是否合理，很大程度上决定了监测的效果。雷达设备在布置前，需根据现场边坡情况，明确主监测区域的边界范围，确定监测区域潜在的滑动方向。通常露天矿坑走向跨度较大，很难用1台设备完成整个边坡的监测，需要确定重点监测区域。虽然露天矿山形状各不相同，但对于同一个边帮来说，重点监测区域一般分为1个或多个的不同情况。根据雷达设备的监测原理和设备局限性，当监测区域潜在滑动方向与雷达方向的夹角过大时（一般不超过40°）时，雷达获取的位移变形数据将非常小，无法正常反映监测区的变形特征，监测失效。因此，在雷达设备针对重点监测区域监测时，应尽可能地满足正对重点监测区域进行监测，且监测区域潜在滑动方向与雷达方向的夹角不超过40°。

当监测的露天矿边帮只有1个重点监测区域时，布置比较简单，最优布置位置就是正对重点监测区域的潜在滑动方向，左右夹角a不超过40°，且夹角越小越好，如图3（a）所示。当监测的露天矿边帮有2个重点监测区域时，需要综合考虑2个监测区域的潜在移动方向，通过绘图的方式，确立最优监测范围，如图3（b）所示。露天矿山边坡较为复杂，存在多个重点监测区域时，雷达的布置工作较为困难，此时应当通过对比，确定危险区域的优先级，将多个重点监测区域问题转化为1个或2个重点监测区域的问题，强化对最危险边坡的监测，兼顾其他重点区域，尽可能的使得雷达系统布置后，能使更多的重点监测区域满足潜在移动方向与雷达方向夹角不超过40°。

另外，根据确定的最佳布置范围，综合考虑地形地貌和通讯基站，确定雷达布设最终位置。雷达场地建造及布设，应符合下列要求：设备场地基础稳定，能保证设备平稳运行；设备场地平整压实，四周设挡墙、护栏等保护设施；设备场地开阔，便于布设电缆及通讯基站；应保证雷达正对监测区域，雷达前方无遮挡物。

3.3 通讯和监控中心布置

通讯的布置依托于矿山较高的建筑物、基站塔设施，布设5.8 G基站系统，搭建数据传输链路。主要功能是将雷达设备获取的数据通过通讯链路传输到办公楼监控中心。通讯链路要确保无遮挡，数据跳转次数一般不超过3次，2个跳转基站塔之间的距离要适中，距离过大影响传输效果。数据传输的速度和稳定性很大程度上影响监控中心数据展示的效果。

监控中心平台是实现人机互动的关键部分，主要功能是数据的后处理和展示。通常包括雷达软件、数据处理计算机、监控大屏幕等。监控中心平台雷达软件将回传的基础数据解析计算，以图形、曲线等方式展示出来，投影到大屏幕。监控中心的布设要有稳定的供电和网络系统。露天矿山一般具备完善的调度指挥中心，对现场设备调控、生产监管指挥和生产调整进行管理，上通决策层，下连生产基层，是全矿沟通联系最方便快捷的场所，也是最适合雷达监测预警对接的场所。

4 案例分析

扎哈淖尔露天煤矿扎矿北帮受采剥作业和岩土体性质影响，在鼻梁到东侧900～940 m标高处和北帮东部860 m标高处各形成蠕动变形区，潜在滑动方向向南，该区域常年保持较大位移量的蠕动变形，已经形成上部裂缝和下部底鼓现象，具有一定的滑坡风险，需要对这2个区域进行雷达监测，实时关注位移变化情况。

在明确重点监测区域左右边界以及监测区域中心的潜在滑动方向后，分别向两侧方向各取40°，最终确定雷达布设的最优范围，如图4所示。最优布置范围在南帮鼻梁道东侧范围内，结合矿山基站塔的位置和场地，最终将真实孔径边坡雷达布设在南帮观礼台下方台阶处。此处场地较为平整，不在主干道且有合适的场地放置设备，距离基站塔较近，信号传输无遮挡，道路通畅方便后续维修保养。

监控中心平台的布置选择布设在调度指挥中心，雷达在布置位置处，应用5.8 G通讯天线，经过2级跳转，最终数据传输至办公楼监控调度中心。在监控中心布置雷达数据展示工作站并投放到中心大屏幕上，方便监测数据的及时传达、分析和预警发布。经过长期的现场监测使用，该监测方案信号传输稳定，监测效果良好。