韋忠跟，王立文，董 強(qiáng)

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司露天礦，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026209）

隨著我國露天礦山開采技術(shù)方面的不斷進(jìn)步，露天礦的開采境界不斷擴(kuò)大，邊坡的高度和面積也不斷增加，以及部分露天礦山地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在開采過程中極易發(fā)生邊坡穩(wěn)定性失衡，引起滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅露天礦山的安全。針對這一現(xiàn)狀的主要風(fēng)險(xiǎn)管控措施是建立一套邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國露天礦山的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)得到了全面的升級改進(jìn)。目前主流的監(jiān)測方法有激光（棱鏡）監(jiān)測技術(shù)、GNSS監(jiān)測技術(shù)、合成孔徑及真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)等[1-4]。其中真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)已經(jīng)在國內(nèi)外各大露天礦山得到了廣泛的應(yīng)用，該雷達(dá)無需安裝在邊坡表面，即可進(jìn)行連續(xù)、次毫米級精度的監(jiān)測預(yù)警，可以有效保證露天礦山的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益[5]。

真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)，在實(shí)踐應(yīng)用中已可以針對片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害做到較高準(zhǔn)確率的預(yù)測預(yù)報(bào)。受雷達(dá)技術(shù)物理特性的影響，其在測量過程中仍存在一定的局限性，例如雷達(dá)發(fā)射的電磁波會受大氣溫度、濕度和壓力的影響，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的干擾。針對這一現(xiàn)象，可采取建立氣象站、穩(wěn)定參考區(qū)等方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并通過解析雷達(dá)波的技術(shù)特點(diǎn)，從相似度云圖、振幅云圖等方面進(jìn)行干擾因素的排除，最后通過位移及速度云圖綜合判斷邊坡的變形規(guī)律，達(dá)到提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的目的。

1 真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)的原理

真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)是一種用于露天礦山邊坡監(jiān)測預(yù)警的先進(jìn)裝備，能夠?qū)ΦV區(qū)邊坡、山體、地表以及礦區(qū)建筑等易發(fā)生微小變形的物體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[6-7]?；驹硎抢走_(dá)發(fā)送高頻電磁波到目標(biāo)位置，通過接收目標(biāo)物反射的電磁波，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)[8]。對于真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)來說，目標(biāo)物即需要監(jiān)測的邊坡，監(jiān)測數(shù)據(jù)為邊坡的距離（絕對距離）和位移（相對距離）變化值，真實(shí)雷達(dá)的基本原理如圖1。

圖1 真實(shí)雷達(dá)的基本原理

真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)能以亞毫米的精度對整個(gè)露天礦的邊坡進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，做到大范圍、遠(yuǎn)距離、全天候的高精度測量，通過快速識別潛在的不穩(wěn)定邊坡，可以準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報(bào)片幫、崩塌及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間，最大限度地減少邊坡崩塌引起的災(zāi)害事故，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)效率最大化[9-10]。

2 干擾因素的排除

2.1 大氣校正因素的排除

2.1.1 氣象站校準(zhǔn)

現(xiàn)場實(shí)踐工作中，真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)往往遠(yuǎn)離測量邊坡（距離200～4 000 m），其發(fā)射的雷達(dá)波在掃描的過程中受自然氣候條件（例如塵、霧、雨、雪及氣壓等）影響較大。因此在使用雷達(dá)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警時(shí)，為使采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，需要校正不同氣候參數(shù)下對于雷達(dá)波的影響。

真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)是一種基于差值干涉測量法，其發(fā)射的雷達(dá)波相當(dāng)于光速。在真空中，光速是恒定的，大約3×108m/s，但在空氣中速度會略微有所下降。在真空中光速與空氣中的光速之比叫做折射指數(shù)N。雷達(dá)發(fā)出的折射率。在空氣中光速會隨著溫度、壓力和濕度的改變而改變。為了準(zhǔn)確測量邊坡的微小的變化，真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)必須參考各種變量而進(jìn)行校準(zhǔn)。在真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)上有2 個(gè)裝置可以校準(zhǔn)折射指數(shù)：一是氣象站校準(zhǔn)；二是設(shè)立穩(wěn)定參考區(qū)校準(zhǔn)。

氣象站可以用來測量雷達(dá)所處位置的環(huán)境溫度，大氣壓力和大氣濕度，其內(nèi)部設(shè)置了微處理器，這些微處理器會按照規(guī)定的運(yùn)算法則將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和控制，進(jìn)而生產(chǎn)氣象要素所需的觀察值，同時(shí)會按照一定的數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)秸鎸?shí)孔徑邊坡雷達(dá)的中央處理計(jì)算機(jī)中，最后通過解析軟件計(jì)算出當(dāng)?shù)氐恼凵渎剩M(jìn)而校準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.1.2 穩(wěn)定參考區(qū)校準(zhǔn)

通常情況下真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)都是遠(yuǎn)離測量邊坡，因此測量邊坡和雷達(dá)所在位置的溫度，壓力和濕度會有很大的區(qū)別。因雷達(dá)氣象站的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)僅僅是對于雷達(dá)所在地，那么距離的差距會使相對范圍的測量結(jié)果有所不同，通常每天可以檢測到幾毫米的微小變化。如果建立1 個(gè)已知穩(wěn)定參考區(qū)域，那么這種情況會得到改進(jìn)。

真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)使用時(shí)地質(zhì)技術(shù)人員根據(jù)邊坡現(xiàn)場實(shí)際變形情況指定邊坡上某一變形相對較小且基本保持穩(wěn)定的區(qū)域，設(shè)置為穩(wěn)定參考區(qū)。通過假設(shè)參考區(qū)域不移動(dòng)，因此可以計(jì)算出折射率，進(jìn)而測量其它的邊坡是否移動(dòng)，即測量邊坡相對此穩(wěn)定參考區(qū)域是否移動(dòng)，這種方法可以大幅提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 車輛移動(dòng)及樹木擺動(dòng)因素的排除

1）相似度云圖。真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)是通過雷達(dá)天線進(jìn)行大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，對被測邊坡進(jìn)行測量掃描，其掃描范圍取決于雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在監(jiān)測過程中，雷達(dá)設(shè)置有相似度云圖著色模式，這與掃描一致性成正比，當(dāng)測量位置存在車輛及樹木時(shí)，其著色與其它區(qū)域的邊坡有明顯差異，相似度云圖可以輔助技術(shù)人員判斷排除車輛及樹木的影響因素，有助于提高雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。雷達(dá)的相似度云圖如圖2。

圖2 雷達(dá)的相似度云圖

2)振幅云圖。真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)是以單個(gè)光斑形成的像素點(diǎn)在一定角度下沿被測邊坡表面進(jìn)行掃描，漸進(jìn)式的覆蓋全部監(jiān)測區(qū)域。它能夠同時(shí)測量一個(gè)方向反射雷達(dá)信號的振幅，而這一方向的雷達(dá)波可以瞬間測量數(shù)千個(gè)不同的邊坡像素點(diǎn)。當(dāng)雷達(dá)測量到邊坡上的車輛及樹木等外部因素時(shí)，其反射回雷達(dá)波的振幅較其它邊坡區(qū)域密集，因此技術(shù)人員可以通過觀察振幅云圖，判斷排除車輛及樹木的影響因素，有助于提高雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。雷達(dá)的振幅云圖如圖3。

圖3 雷達(dá)的振幅云圖

3 位移及速度云圖的綜合判斷

3.1 變形區(qū)域邊界的清晰度

真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)的位移云圖及速度云圖是由一個(gè)一個(gè)像素點(diǎn)組成的，每個(gè)像素點(diǎn)都代表測量邊坡某一位置的位移變化量及速度變化量，其通過與前一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而獲得測量邊坡時(shí)間序列上的位移變化量和速度變化量，隨著時(shí)間的延續(xù)可以逐漸構(gòu)建出整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的位移云圖及速度云圖。

當(dāng)監(jiān)測區(qū)域的邊坡巖體出現(xiàn)異常變形，位移及速度云圖上相應(yīng)的像素點(diǎn)會顯示出位移及速度變化量異常變大的區(qū)域，同時(shí)變形區(qū)域是由成百上千個(gè)像素點(diǎn)組成，其位移及速度變形量會比相鄰沒有變形的區(qū)域大出很多，因此通過云圖的位移著色條或速度著色條可以清晰看到異常區(qū)域的位置及范圍，變形區(qū)域的邊界如圖4。

圖4 變形區(qū)域的邊界

3.2 位移和速度曲線的圓滑度

在監(jiān)測過程中，真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)隨著測量時(shí)間的累積，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)都會構(gòu)建出一條時(shí)間序列的位移曲線及速度曲線，可以反映其所代表邊坡的時(shí)間變形情況。通過技術(shù)分析位移曲線及速度曲線的圓滑度可以判斷邊坡的變形規(guī)律。滑坡階段雷達(dá)位移曲線如圖5。

圖5 滑坡階段雷達(dá)位移曲線圖

經(jīng)過長時(shí)間的研究，在滑坡過程中可以把真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)的位移曲線及速度曲線劃分為3 個(gè)階段，即減速變形階段、勻速變形階段、加速變形階段。通過分析測量邊坡所處的變形階段，可以預(yù)判未來一段時(shí)間內(nèi)邊坡的變形趨勢，最終提高預(yù)測預(yù)報(bào)片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可靠性與準(zhǔn)確性。

1）減速變形階段。減速變形階段主要出現(xiàn)在邊坡形成的早期階段，工程采掘形成的邊坡表面，其臨空自由面的邊坡巖體會出現(xiàn)一定程度的位移，特點(diǎn)是變形時(shí)間較短、變形趨勢逐漸穩(wěn)定，曲線呈收斂趨勢，圓滑度較好。

2）勻速變形階段。勻速變形階段為邊坡長期存在的狀態(tài)，其位移曲線較小且保持穩(wěn)定，速度曲線保持一定斜率的勻速變化，特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間較長，變形趨勢較為穩(wěn)定，但曲線上下波動(dòng)較大，圓滑度不夠。

3）加速變形階段。邊坡受工程采掘、爆破震動(dòng)、大氣降水、地下水運(yùn)動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，邊坡巖體沿滑動(dòng)面逐漸發(fā)生滑移而出現(xiàn)的異常變形，特點(diǎn)是位移、速度曲線沿一定斜率不斷增加，曲線沿某一方向持續(xù)增大，具有較好的圓滑度，當(dāng)位移、速度達(dá)到臨界值時(shí)發(fā)生即滑坡。

4 結(jié)語

1）真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)通過氣象站校準(zhǔn)、穩(wěn)定參考區(qū)校準(zhǔn)可以有效校正不同氣候參數(shù)對于雷達(dá)波的影響，提高獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，使真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)可以更加靈敏的捕捉邊坡巖體的微小變形，提前做出預(yù)測預(yù)警，保障露天礦的安全。

2）通過相似度云圖和振幅云圖，真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)可以有效排除車輛及樹木因素的影響，簡化數(shù)據(jù)分析的步驟，提高預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

3）位移及速度云圖可以形象化的反映變形區(qū)域的位置、范圍，使真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)可以迅速的確定變形區(qū)域的邊界，同時(shí)通過位移曲線、速度曲線的圓滑度可以有效判斷邊坡所處的變形階段，預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)邊坡的變形趨勢。