韓珮珦

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，露天礦山邊坡監(jiān)測技術(shù)日新月異，針對礦區(qū)所處地區(qū)自然環(huán)境條件、礦區(qū)地質(zhì)條件、礦場開采現(xiàn)狀選取監(jiān)測技術(shù)手段愈發(fā)重要。

李剛、肖繁等[1]對聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)在邊坡滑塌破壞過程中的信號采集、定位等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究分析。韋家興、徐茂林等[2]針對邊坡監(jiān)測中單數(shù)據(jù)源所獲目標(biāo)物信息不完整、數(shù)據(jù)不全面的問題，提出了以測量機(jī)器人獲取選取的特定邊坡監(jiān)測點位移數(shù)據(jù)和三維激光掃描儀獲取邊坡特定監(jiān)測面位移數(shù)據(jù)的多源信息融合的邊坡監(jiān)測方法。長沙礦業(yè)研究院王旭[3]等在巴基斯坦山達(dá)克銅金礦使用三維激光掃描系統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實時監(jiān)測，并取得較為理想的監(jiān)測效果。杜明啟[4]使用IBIS-M露天邊坡穩(wěn)定監(jiān)測系統(tǒng)對露天采場邊坡實時監(jiān)測，從而提高露天礦的自動化水平。韓萬東、王曉等[5]基于GPS的露天礦邊坡監(jiān)測技術(shù)，為露天礦山邊坡安全管理及災(zāi)害防治提供理論指導(dǎo)。

袁康、張志軍[6]在山達(dá)克南礦體擴(kuò)幫邊坡監(jiān)測中采用了微震監(jiān)測和三維激光掃描相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)，分析邊坡整體變化趨勢，以及爆破、開挖等施工擾動對邊坡的影響，實踐證明該監(jiān)測技術(shù)對露天礦深部強化開采的高陡邊坡監(jiān)測中有著重要的指導(dǎo)和實踐意義。李世豐[7-8]針對華剛礦業(yè)SICOMINES銅鈷礦地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀情況，采用SSR-XT邊坡監(jiān)測雷達(dá)等對該礦進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，并取得較為成功的監(jiān)測效果。吳星輝、璩世杰等[9]采用S-SAR合成孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)對廣東省大寶山露天礦原人工邊坡表面進(jìn)行位移監(jiān)測，提高了大寶山礦露天開采邊坡監(jiān)測的可靠性。

1 礦區(qū)概況

SICOMINES銅鈷礦位于剛果(金)—贊比亞銅礦帶西段，當(dāng)年9月至次年4月為當(dāng)?shù)赜昙?，年平均降雨量約1 400 mm；當(dāng)年5月至8月為旱季，無雨且天氣干燥少風(fēng)，采場內(nèi)外多數(shù)時間處于大量粉塵彌漫狀態(tài)。礦區(qū)地層構(gòu)造復(fù)雜且存在殘余水頭，地層巖性差異大，巖石力學(xué)強度低。Dikuluwe采坑設(shè)計最終深度450 m，最終邊坡角29°；當(dāng)前深度約190 m，工作幫邊坡坡面角約50°，邊坡多處出現(xiàn)崩塌和滑坡。

2 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)

2.1 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

Dikuluwe采坑在20世紀(jì)80年代經(jīng)過長期不合理開采，后期長時間降雨侵蝕、降雨匯入坑內(nèi)浸泡等破壞。Dikuluwe采坑當(dāng)前南北長約2 000 m，東西長約1 000 m；采坑面積大，若選取傳統(tǒng)人工巡視監(jiān)測邊坡耗時耗力，若選取GPS監(jiān)測邊坡只能監(jiān)測邊坡特定點，不能全方位監(jiān)測采場邊坡。礦區(qū)所處區(qū)域雨季旱季交替，光照強烈，旱季大部分時間粉塵彌漫，選取三維激光測量儀進(jìn)行監(jiān)測不能保證監(jiān)測效果。針對上述條件，結(jié)合監(jiān)測技術(shù)手段使用條件，從而選取遠(yuǎn)程在線監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)。

礦區(qū)采用澳大利亞GroundProbe公司生產(chǎn)的SSR-XT型3D真實孔徑雷達(dá)對采場邊坡進(jìn)行監(jiān)測，其主要特征及技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 SSR-XT型3D真實孔徑雷達(dá)主要特征及技術(shù)參數(shù)Table 1 Main characteristics and technical parameters of SSR-XT 3D real aperture radar

2.2 雷達(dá)監(jiān)測原理

由雷達(dá)天線發(fā)射的信號，經(jīng)邊坡巖(土)體表面反彈后，又被雷達(dá)接收。雷達(dá)系統(tǒng)會記錄已接收信號相對于反射信號的相位，如圖1所示。雷達(dá)重復(fù)掃描邊坡，然后將一次掃描與下一次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過測量已接收信號相對于已發(fā)射信號的相位產(chǎn)生的變化，計算邊坡的位移程度，邊坡發(fā)生移動如圖2所示。其計算公式如下：

式中：Δd—邊坡形變量；Δφ—相位差；λ=C/f≈31.4 mm(雷達(dá)頻率為9.55 GHz，真空中電磁波速度C≈3×108m/s)。

通過查看雷達(dá)實時監(jiān)測位移云圖，發(fā)現(xiàn)邊坡位移異常區(qū)域；分析異常區(qū)域邊坡實時累計位移量及位移速率曲線變化規(guī)律，判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)邊坡處于臨滑狀態(tài)時，可通過SSR雷達(dá)系統(tǒng)建立速度倒數(shù)曲線模型來預(yù)測發(fā)生滑坡的大致時間。其原理：當(dāng)速度不斷增大時，速度倒數(shù)不斷減小，直至滑坡那一刻變?yōu)榱?。如圖3所示該曲線橫軸為時間，縱軸為速度倒數(shù)，通過速度倒數(shù)可擬合變化趨勢，當(dāng)擬合趨勢線與X=0直線的交點對應(yīng)的橫軸值即為理論滑坡發(fā)生時間。

圖1 雷達(dá)傳輸—接收信號Fig.1 Radar transmission-reception signal

圖2 雷達(dá)測量相位變化Fig.2 Radar phase change measurement

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

SSR-XT型3D真實孔徑雷達(dá)對邊坡表面位移進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)雷達(dá)波折射率、相干性及選取的邊坡相對穩(wěn)定參考區(qū)位移等判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。采動影響邊坡位移如圖4所示，爆破振動邊坡位移如圖5所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量如圖6所示。

1—位移曲線；2—速度倒數(shù)曲線圖3 依據(jù)速度倒數(shù)曲線預(yù)測滑坡時間Fig.3 Prediction of landslide time based on reciprocal velocity curve

1—非采剝作業(yè)時段；2—采剝作業(yè)時段圖4 采動影響邊坡位移圖Fig.4 Displacement diagram of slope affected by mining

圖5 爆破振影響邊坡位移圖Fig.5 Displacement diagram of blasting vibration affecting lope

(a)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好 (b)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差圖6 雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量圖Fig.6 Quality chart of radar monitoring data

3 滑坡案例

3.1 土質(zhì)邊坡滑坡案例

發(fā)生滑坡的區(qū)域位于Dikuluwe采坑工作幫東南部1335平臺至1320平臺RGS巖組與CMN巖組交界處，坡面角約50°、高度15 m，水文地質(zhì)參數(shù)見表2。

該區(qū)域邊坡發(fā)生形變直至滑坡經(jīng)歷了以下3個階段。

2015年9月7日該區(qū)域邊坡位移量開始增加，至9月29日累計位移量約24 mm；位移速率整體穩(wěn)定，在1 mm/d之內(nèi)?，F(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)該區(qū)域下部CMN巖組邊坡坡面出現(xiàn)橫向滑動，雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)與邊坡實際情況符合，邊坡變形破壞處于第一階段即初始蠕變段，如圖7所示。

表2 滑坡區(qū)域工程水文地質(zhì)狀況Table 2 Engineering hydrogeology of landslide area

(a)初始階段滑坡區(qū)域邊坡實際狀態(tài) (b)雷達(dá)監(jiān)測實時位移及位移速率—時間圖圖7 初始蠕變階段雷達(dá)監(jiān)測Fig.7 Radar monitoring during the initial creep stage

2015年10月—12月監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域邊坡巖(土)體在變形過程中，受降雨侵蝕、滲透，造成邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化(增加邊坡自重、減小內(nèi)摩擦角等)，爆破振動等外力作用影響，會出現(xiàn)個別的活躍點使位移量增大，但整體位移量及位移速率是趨向于穩(wěn)定的(在外力作用消失后逐漸穩(wěn)定)?，F(xiàn)場踏勘該區(qū)域邊坡裂縫較前一階段無明顯變化，邊坡變形破壞達(dá)到第二階段即等速蠕變階段，如圖8所示。

2016年1月27日雷達(dá)監(jiān)測位移云圖顯示該區(qū)域位移出現(xiàn)異常，邊坡位移量開始呈現(xiàn)線性增加趨勢，2016年1月31日18：30邊坡位移量及位移速率開始出現(xiàn)指數(shù)函數(shù)加速趨勢，達(dá)到邊坡變形破壞的第三階段即加速蠕變階段，如圖9所示。

1—位移曲線；2—1 h位移速率曲線圖8 等速蠕變階段雷達(dá)監(jiān)測Fig.8 Radar monitoring at constant creep stage

(a)雷達(dá)監(jiān)測位移云圖 (b)雷達(dá)監(jiān)測位移及速率-時間圖圖9 加速蠕變階段雷達(dá)監(jiān)測Fig.9 Radar monitoring at accelerated creep stage

導(dǎo)出加速蠕變階段雷達(dá)系統(tǒng)速度倒數(shù)曲線數(shù)據(jù)見表3。綜合分析滑坡區(qū)域地質(zhì)條件及振動、降雨等外部影響因素，預(yù)測滑坡發(fā)生的時間在2016年1月31日21:30-22:30之間，如圖10所示。分析雷達(dá)監(jiān)測位移量、速度倒數(shù)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀察，實際發(fā)生滑坡的時間為2016年1月31日21:51，如圖11所示。

表3 加速蠕變階段雷達(dá)監(jiān)測位移—速率—速度倒數(shù)數(shù)據(jù)表Table 3 Reciprocal Displacement-Rate-Velocity data table for radar monitoring at accelerated creep stage

3.2 巖質(zhì)邊坡滑坡案例

發(fā)生滑坡的區(qū)域位于Dikuluwe采坑西幫南部1230平臺至1260平臺RAT巖組，坡面角約55°、高度30 m，水文地質(zhì)參數(shù)見表4。

該區(qū)域邊坡發(fā)生形變直至滑坡過程如下：

2019年3月27日該區(qū)域下部巖塊受附近爆破振動影響發(fā)生滑落；由于結(jié)構(gòu)面間的松動，導(dǎo)致上部巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度降低，處于失穩(wěn)狀態(tài)。雷達(dá)監(jiān)測顯示2019年3月29日—4月2日該區(qū)域上部巖體位移量持續(xù)增加，位移速率整體穩(wěn)定；2019年4月3日該區(qū)域受降雨影響，位移量及位移速率持續(xù)增加；2019年4月3日06：00位移及位移速率開始加速，至2019年4月3日09：11發(fā)生滑坡。相關(guān)數(shù)據(jù)見表5，雷達(dá)監(jiān)測位移云圖如圖12所示，位移及速率-時間圖如圖13所示。

圖10 速度倒數(shù)預(yù)測滑坡時間圖Fig.10 Time chart for predicting landslide

1-位移曲線；2-1 h位移速率曲線圖11 雷達(dá)監(jiān)測位移及速度倒數(shù)—時間圖Fig.11 The reciprocal-time diagram of displacement by reciprocal velocity and velocity monitored by radar

表4 滑坡區(qū)域工程水文地質(zhì)狀況Table 4 Engineering hydrogeology of landslide area

表5 加速蠕變階段雷達(dá)監(jiān)測位移—速率數(shù)據(jù)Table 5 Displacement-rate data monitored by radar at accelerated creep stage

圖12 雷達(dá)監(jiān)測位移云圖Fig.12 Displacement nephogram of radar monitoring

導(dǎo)出該區(qū)域加速蠕變階段雷達(dá)系統(tǒng)速度倒數(shù)曲線數(shù)據(jù)見表6。綜合分析滑坡區(qū)域地質(zhì)條件及振動、降雨等外部影響因素，推測滑坡發(fā)生的時間在2019年4月3日08:30—09:30之間，位移及速度倒數(shù)—時間圖如圖14所示。分析雷達(dá)監(jiān)測位移量、速度倒數(shù)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀察，實際發(fā)生滑坡的時間為2019年4月3日09:11，如圖15所示。

圖13 雷達(dá)監(jiān)測位移及速率—時間圖Fig.13 Radar monitoring displacement and rate-time chart

圖14 速度倒數(shù)預(yù)測滑坡時間圖Fig.14 Time chart for predicting landslide by reciprocal velocity

表6 加速蠕變階段雷達(dá)監(jiān)測位移—速率—速度倒數(shù)數(shù)據(jù)Table 6 Reciprocal Displacement-Rate-Velocity data for radar monitoring at accelerated creep stage

圖15 雷達(dá)位移及速度倒數(shù)—時間圖Fig.15 Radar displacement and velocity reciprocal-time chart

4 結(jié)論

通過遠(yuǎn)程在線監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)在SICOMINES銅鈷礦Dikuluwe采坑邊坡監(jiān)測過程中的成功應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)不受地形、視通條件和氣象條件的影響，外業(yè)作業(yè)量小。

2)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)可監(jiān)測采場內(nèi)采裝、運輸、爆破振動等對邊坡的影響，從而確定邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。

3)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測雷達(dá)技術(shù)測量精度高，能夠成功預(yù)測邊坡發(fā)生滑動破壞的時間，大大提高了邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的可靠性，從而保證了采場生產(chǎn)安全。