樊 斌，李靜濤，郝燕奎

（1.山西潞安集團五陽煤礦，山西長治 046205；2.中煤平朔集團有限公司，山西朔州 036000；3.中煤地質集團有限公司，北京 100040）

我國露天礦煤炭產量不斷提高，生產規(guī)模不斷擴大，相伴而來的是諸如片幫、崩塌、泥石流、地裂縫等露天礦邊坡地面災害的頻繁發(fā)生，這些災害不但影響了礦山的正常生產，而且對礦山工作人員安全構成了嚴重的威脅。據不完全統(tǒng)計，目前我國各類露天礦山中有40 %存在不同程度的邊坡安全隱患[1]。隨著露天礦開采深度的持續(xù)增加，邊坡角度不斷變陡，地應力釋放不斷加大，露天礦邊坡安全形勢變得非常嚴峻，對其進行三維形變監(jiān)測是當前的技術重點和難點[2]。然而，“智慧礦山”對露天礦邊坡地表三維形變監(jiān)測精度和時空分辨率的要求越來越高，常規(guī)的形變監(jiān)測技術無法滿足高精度、高時空分辨率的三維形變監(jiān)測需求，更無法實現露天礦邊坡地表三維形變信息的實時連續(xù)非接觸式測量[3]。

1 礦山概況

安家?guī)X露天礦位于山西省平朔露天煤礦，是中煤平朔煤業(yè)有限責任公司下屬的3 個大露天煤礦之一，礦田橫跨安家?guī)X和安太堡二號2 個勘探區(qū)。該礦田東西寬約7 842 m，南北長約6 556 m，面積28.883 2 km2，地理位置優(yōu)越，交通運輸便利。平朔礦區(qū)夏季降水量少且強度集中，全年75 %的降雨量均集中在夏季，晝夜溫差大，春季冬季大風較多。該研究區(qū)域主要含水層有新近系和第四系松散巖類孔隙含水層、石炭-二疊系碎屑巖裂隙含水層及奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層，其補給源主要是大氣降水及地表河流水入滲補給。研究區(qū)內多為黃土覆蓋，植被覆蓋稀少，溝谷發(fā)育。

2 地基干涉雷達變形監(jiān)測技術

2.1 地基干涉雷達變形監(jiān)測原理

用于現場露天礦邊坡變形監(jiān)測選取的儀器是意大利IDS 公司和佛羅倫薩大學共同研制的IBIS-M型地基干涉雷達系統(tǒng)。被廣泛應用于邊坡、大壩、橋梁、高塔等地表和建筑物等的變形監(jiān)測工程中。

IBIS-M 型地基干涉雷達微小變形監(jiān)測系統(tǒng)將步進頻率連續(xù)波技術（SF-CW）、合成孔徑雷達技術（SAR）、差分相位干涉測量技術（DPIS）、永久散射體技術（PSI）4 項國際領先的技術相結合，專門用于礦山邊坡、礦區(qū)山體以及礦區(qū)建筑等微小位移變化的監(jiān)測[4-5]。步進頻率連續(xù)波技術能夠使得IBIS 系統(tǒng)得到1 個非常高的距離向分辨率，該系統(tǒng)的距離向分辨率可達0.5 m。合成孔徑雷達技術為設備提供了很高的角度向分辨率，就需要IBIS 主機在1 個滑軌上滑動，這就使得設備能夠分辨到雷達距離相等的點[6]。IBIS 系統(tǒng)使用2 m 長的滑軌，相當于雷達的孔徑達到2 m，因此該系統(tǒng)能夠得到的角度向分辨率為4.5 mrad。干涉測量技術將在不同時間得到的被監(jiān)測目標的相位信息的差異進行比較，從而計算獲取該時間段內的位移變化量。永久散射體技術可以確保雷達系統(tǒng)獲得高質量的像素點，從而保證監(jiān)測精度。通過永久散射體算法在整個監(jiān)測區(qū)域內選擇一些高質量像素點，并依據這些點來自動評估氣候的影響情況，之后再應用于整個形變監(jiān)測區(qū)域[7]。此外，IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)有效監(jiān)測量程達4 km，實際監(jiān)測精度可達0.1 mm[8]。

2.2 地基干涉雷達技術與傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術對比

由于邊坡體內部變形監(jiān)測儀器的安裝和布設極易破壞邊坡地表，因此在露天礦邊坡內部安裝埋設形變監(jiān)測儀器的設計方案較少。然而，目前傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術在監(jiān)測精度、時空分辨率以及監(jiān)測成本等方面還存在很大的提升空間[9]。

GPS 技術在監(jiān)測單點三維空間形變方面有較高的監(jiān)測精度，但其空間分辨率受GPS 接收機個數的限制[10]；測量機器人在水平和垂直方向均有較高的監(jiān)測精度，但其空間分辨率同樣受到棱鏡點個數的限制[11]。最重要的是，以上2 種傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術僅能監(jiān)測覆蓋露天礦邊坡區(qū)域中監(jiān)測人員認為的不穩(wěn)定區(qū)域，但有很多人難以到達以及無法安裝接收機天線和棱鏡點的區(qū)域是無法進行變形監(jiān)測的。In－SAR 技術在LOS 方向有較高的監(jiān)測精度，但其時間分辨率受衛(wèi)星回訪周期的限制，且其監(jiān)測成本較高[12]。

2.3 IBIS-M 型地基雷達系統(tǒng)簡介

IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)可采集獲取被監(jiān)測區(qū)域的變形數據和氣象數據，并應用實時數據處理軟件Guardian 對其進行實時處理和分析，最終可以根據監(jiān)測人員需求進行單點、區(qū)域的變形監(jiān)測數據可視化顯示、分析以及預警等功能[13]。

1）變形數據。IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)變形監(jiān)測數據采集模塊，可以采集獲取被監(jiān)測區(qū)域的變形量數據、變形速率數據、變形速率倒數數據以及振幅數據等變形信息。IBIS-M 實時數據處理軟件Guardian 既可以選擇采集、處理以及可視化單個監(jiān)測點的以上4 種變形數據信息，也可以選擇重點監(jiān)測區(qū)域進行以上信息的采集和可視化[14]。

2）氣象數據。IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)配套安裝的Vantage Pro2 型氣象站可以堅持獲取被監(jiān)測區(qū)域的降雨量、降雨持續(xù)時間、濕度以及溫度等影響邊坡變形因素的信息。Vantage Pro2 型氣象站采集獲取的折射率、溫度、濕度、風向和風速等氣象信息還可以作為SAR 數據大氣校正模型的校正參數[15]。

3）預警功能。根據礦區(qū)地質概況和大量監(jiān)測區(qū)域數據分析，監(jiān)測人員可根據礦區(qū)被監(jiān)測區(qū)域實際情況設置相適應的預警閾值，如果系統(tǒng)監(jiān)測變形數據超過對應級別的預警閾值，會自動進行相應級別的報警，從而提示監(jiān)測人員采取相應的預防措施[16]。

3 地基干涉雷達技術在露天礦邊坡監(jiān)測中的應用

3.1 邊坡變形監(jiān)測方案

此次監(jiān)測應用選取安家?guī)X露天礦北幫邊坡作為被監(jiān)測區(qū)域，選取南幫邊坡上1 處穩(wěn)定基巖布設IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)，經測量勘察，該基巖區(qū)域較為穩(wěn)定，且距離被監(jiān)測區(qū)域北幫邊坡最遠監(jiān)測距離為2.6 km，該距離在4 km 測量量程范圍內。為了保證IBIS-M 系統(tǒng)精密采集模塊免受降雨、大風以及礦區(qū)現場灰塵的影響，制作了活動房并將IBIS-M 系統(tǒng)放置其中。

根據研究區(qū)域大量的監(jiān)測數據分析和試驗，最終選定變形速率作為系統(tǒng)預警的主要參數，并對各預警級別閾值進行了設置，預警預報級別和閾值見表1。

表1 結合礦山邊坡形變速率設定的預警預報級別和閾值

3.2 監(jiān)測數據分析

在2011 年5 月11 日，監(jiān)測區(qū)域的中部發(fā)生了邊坡片幫，但由于IBIS-M 系統(tǒng)監(jiān)測在早期就識別到了該變形異常區(qū)域并作出及時預警和處理，及時采取了相應處理措施，未造成任何人員和財產的損失。為了在將來更好的應用地基干涉雷達技術對邊坡失穩(wěn)等災害進行預警，將這次變形異常區(qū)域的全程監(jiān)測數據進行整理和分析，從中探索和分析應用地基干涉雷達采集獲取的變形監(jiān)測數據的片幫特征演變規(guī)律。

為了方便區(qū)分邊坡變形程度，根據IBIS-M 型地基雷達系統(tǒng)監(jiān)測獲取的變形量數據將邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的演變過程劃分為穩(wěn)定、初始變形、裂縫、塌陷以及失穩(wěn)等5 個階段，并根據實測數據對每個階段的變形特征進行了分析，為后續(xù)從地基干涉雷達采集的變形數據角度識別判斷邊坡的災害階段提供依據。形變時間序列如圖1。

圖1 露天礦邊坡地表變形演化過程形變時間序列

1）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有零星的少數變形點，且變形點具有變形程度偏低以及無聚集現象，將此階段稱之為“穩(wěn)定階段”。

2）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表明顯出現變形異常點增多的現象，且變形點較為集中，將該階段稱之為“初始變形階段”，有變形但未發(fā)生破壞的邊坡都處在這個階段。

3）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表明顯出現變形異常點更為集中，且變形程度持續(xù)增大的現象，變形異常點集中區(qū)域呈現“長條狀”，將該階段稱之為“裂縫階段”。

4）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表明顯出現變形異常點集中和變形程度增大繼續(xù)加劇的現象，變形異常點集中區(qū)域由上一階段的“長條狀”發(fā)展為“片狀”，將此階段稱之為“塌陷階段”。

5）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表變形異常點的變形量參數、變形速率參數以及變形加速度參數均急劇增大，變形異常區(qū)域在空間形式上呈現快速擴張趨勢，將該階段稱之為“失穩(wěn)階段”。在該演變過程中，最大變形量設置為160 mm，通過各階段的累計變形量來判斷邊坡的變形破壞演變程度。

在日常的監(jiān)測中，除了應用IBIS 變形監(jiān)測數據進行分析以外，還要結合現場以及天氣情況綜合進行分析。當在雷達圖上發(fā)現有位移情況的發(fā)生時，需到現場進行對照勘察。礦區(qū)邊坡現場的裂縫以及積水情況都會成為邊坡失穩(wěn)的誘因。此外，降雨也是造成邊坡失穩(wěn)的一個重要誘發(fā)因素，在降雨后的幾天，需要密切關注礦區(qū)邊坡現場以及相應的IBIS 變形監(jiān)測數據。

4 結語

針對平朔安家?guī)X露天礦邊坡地質概況和巖土體地質特征，為確保礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性，采用IBIS-M 型地基雷達微小變形監(jiān)測系統(tǒng)對北幫邊坡進行實時監(jiān)測。根據以往該礦成功監(jiān)測、獲取并預警處理的一起邊坡變形異常事件監(jiān)測數據回顧，通過對該事件全過程變形監(jiān)測數據的演變特征分析，根據IBIS-M型地基雷達系統(tǒng)監(jiān)測獲取的變形量數據將邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的演變過程劃分為完好、變形、裂縫、塌陷以及失穩(wěn)等5 個階段，并對各個階段的變形特征和地基干涉雷達數據影像進行了特征分析，為今后地基干涉雷達技術在露天礦邊坡的監(jiān)測應用提供了依據和參考。