丁 輝

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

滑坡、坍塌等是露天礦山主要的地質(zhì)災(zāi)害類型，經(jīng)常發(fā)生在礦山采場和排土場邊坡，主要受重力作用，在人工活動、降雨、爆破等誘因的影響下發(fā)生。該類地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)性強、治理難度大，對人員生命安全、礦山經(jīng)濟、城市安全、環(huán)境多樣性等帶來重大破壞和威脅。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2001—2007 年的統(tǒng)計[1]，金屬非金屬露天礦山共1 951 起滑坡和坍塌事故，占事故總數(shù)的15 %。根據(jù)2017 年全國非煤礦山較大事故統(tǒng)計，在死亡人數(shù)和礦山安全事故方面，滑坡位居礦山安全事故的第3 位。因此，采取有效手段加強對露天礦山邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測成為露天礦山安全生產(chǎn)的重要議題[2-3]。

近年來邊坡雷達監(jiān)測技術(shù)日趨成熟[4-7]。由于其高精度、全天候24 h 動態(tài)監(jiān)測和大范圍等特點，在露天礦山邊坡監(jiān)測中發(fā)揮越來越重要的作用。當(dāng)前邊坡監(jiān)測雷達根據(jù)其原理的不同主要分為真實孔徑邊坡雷達和合成孔徑邊坡雷達2 種。為了研究2 種雷達在邊坡位移監(jiān)測方面的效果，分析了2 種雷達在多個露天礦的使用情況。

1 邊坡雷達監(jiān)測原理

1.1 邊坡雷達原理

無論是真實孔徑雷達還是合成孔徑雷達其基本原理都是通過向邊坡目標(biāo)發(fā)射電磁波并接收回波，根據(jù)發(fā)射與接收的時間差測定距離，距離測定公式如式（1）：

式中：s 為雷達與邊坡之間的距離，m；c 為光速，m/s；t 為雷達發(fā)射電磁波和接收回波的時間差，s。

雷達通過不間斷的持續(xù)掃描，測算同一最小監(jiān)測單元2 次掃描時間電磁波的相位差，獲取目標(biāo)點的位移變化值。同一最小監(jiān)測單元2 次測量的位移變化公式如式（2）：

式中：d 為雷達方向位移值，m；λ 為波長，m；β2為雷達第2 次測量的相位，rad；β1為雷達第1 次測量的相位，rad。

1.2 監(jiān)測預(yù)警原理

大量的滑坡實例表明，在重力的作用下，巖土體邊坡應(yīng)變隨時間的變化曲線具有3 階段演變規(guī)律。

1）初始應(yīng)變階段。邊坡變形初期，巖土體產(chǎn)生微小裂縫開裂，曲線斜率較大，但隨著時間的發(fā)展，曲線斜率逐漸減小，表現(xiàn)出減速變現(xiàn)特性。因此該階段也被稱為減速階段。

2）等速應(yīng)變階段。在重力作用下，應(yīng)變曲線斜率呈現(xiàn)近似的直線，變形速度有微小波動，但整體上基本保持不變，裂縫不斷擴展。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)接近于1。

3）加速應(yīng)變階段。通常分為初加速階段、中加速階段和臨滑階段。該階段應(yīng)變速率呈現(xiàn)不斷增大趨勢，裂縫貫通并迅速拉開直至錯開，邊坡失穩(wěn)滑坡。

巖土體邊坡的滑坡基本符合上述應(yīng)變演化規(guī)律，因此監(jiān)控邊坡的變形位移、速度和加速度能夠為邊坡失穩(wěn)階段判斷提供數(shù)據(jù)支持，并作出預(yù)報預(yù)警，采取相應(yīng)的措施治理和防治。

2 2 種邊坡雷達技術(shù)對比

選取南非Reutech 公司研發(fā)的MSR400 真實孔徑邊坡雷達和內(nèi)蒙古方向圖科技有限公司研發(fā)的合成孔徑雷達MPDMR-LSA-0001 進行對比說明。

2.1 設(shè)備組成與部署方式

1）MSR 真實孔徑雷達系統(tǒng)組成與部署。MSR 邊坡雷達系統(tǒng)主要包括雷達波收發(fā)模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和拖車模塊。其中雷達波收發(fā)模塊包含碟形天線、收發(fā)器，主要功能是發(fā)射電磁波和接收回波；系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊包含數(shù)據(jù)處理主機柜、氣象站、通訊基站和系統(tǒng)控制電腦，主要功能是多元數(shù)據(jù)接收處理和存儲傳輸；電源模塊分為交流電和直流電供電；拖車系統(tǒng)主要功能是承載雷達系統(tǒng)，方便運輸。雷達監(jiān)測系統(tǒng)的部署分為室外部署和室內(nèi)部署。室外部署主要包括雷達設(shè)備和通訊基站的部署。雷達設(shè)備布置在需要監(jiān)測邊幫的對立幫，通訊基站一般需要2 級跳轉(zhuǎn)至調(diào)度指揮辦公樓。室內(nèi)部署主要是數(shù)據(jù)展示平臺的布置，一般用高性能臺式機和高清液晶大屏幕操作和展示。雷達主動向監(jiān)測邊幫發(fā)射電磁波并接收回波，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊分析存儲在雷達主機上，存儲的數(shù)據(jù)通過通訊模塊發(fā)射經(jīng)中間基站跳轉(zhuǎn)回傳到調(diào)度室電腦，通過軟件和大屏幕操作和展示數(shù)據(jù)。

2）LSA 合成孔徑雷達系統(tǒng)組成和部署。LSA 邊坡雷達主要包括導(dǎo)軌系統(tǒng)、雷達收發(fā)系統(tǒng)、總控系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)。雷達收發(fā)系統(tǒng)主要功能是發(fā)射和接收電磁波，收發(fā)系統(tǒng)在導(dǎo)軌上水平運動，總控系統(tǒng)控制收發(fā)系統(tǒng)的移動并接收采集的信號數(shù)據(jù)。應(yīng)用4G 物流卡網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至總部數(shù)據(jù)庫，通過BS 端軟查看數(shù)據(jù)。

2.2 雷達監(jiān)測原理

1）MSR 真實孔徑雷達原理。MSR 雷達可以確定到點目標(biāo)的絕對距離和相對距離。絕對距離的測量可精確到0.2 m，對于巖石邊坡，測量的是電磁反射質(zhì)心的距離，絕對距離測量用來形成邊坡的三維模型。由于點目標(biāo)的微小移動，MSR 雷達對同一目標(biāo)點的2 次測量過程中，2 次回波會有相位偏移，雷達確定這2 個測量之間的相移，并將其轉(zhuǎn)換為相對距離的變化，在雷達頻率下，5°的相移相當(dāng)于0.2 mm的移動。

2）LSA 合成孔徑雷達原理。LSA 雷達應(yīng)用步進頻率連續(xù)波技術(shù)SFCW、合成孔徑雷達技術(shù)和差分干涉技術(shù)DInSAR，分別獲得最小分辨單元的距離向分辨率R、方位向分辨率φ 和位移變化值。

式中：R 為距離向分辨率，m；c 為光速，m/s；B為電磁波帶寬，Hz。

式中：φ 為方位向分辨率，rad；λ 為波長，m；L 為雷達軌道長度，m。

2.3 掃描方式和監(jiān)測單元及理論參數(shù)

2 種雷達理論參數(shù)對比見表1。

表1 MSR 和LSA 雷達理論參數(shù)對比表

1）掃描方式。①MSR 真實孔徑雷達通過天線的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對邊坡步進式的逐行掃描工作，工作處理范圍取決于雷達發(fā)射部分轉(zhuǎn)動的角度范圍；②LSA合成孔徑雷達是信號發(fā)射部分在水平導(dǎo)軌上沿著與邊坡平行的面進行水平推進的移動。

2）監(jiān)測單元。①MSR 邊坡雷達發(fā)射的電磁波發(fā)送到目標(biāo)邊坡，類似于手電筒光束照射，可以獲取三維數(shù)據(jù)；②LSA 邊坡雷達通過在水平導(dǎo)軌上的不間斷掃描，獲取距離向和方位向的二維數(shù)據(jù)。

3）監(jiān)測參數(shù)。①MSR 雷達：最大量程4 km，理論精度0.2 mm，監(jiān)測單元為8.7 m×8.7 m×0.3 m@1 km，步進掃描，水平±92°，垂直-37°～+86°，可移動式工作平臺，三維圖像；②LSA 雷達：最大量程5 km，理論精度0.1 mm，監(jiān)測單元為4.4 m×0.5 m@1 km，水平推進掃描，水平±30°，垂直±40°，固定安裝工作平臺，二維圖像。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

MSR 和LSA 雷達布置位置相近，掃描某露天礦北幫800～950 m 水平平盤邊坡。選取邊坡上2 個重點監(jiān)測特征點進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。統(tǒng)計自2020 年6 月6至2020 年11 月27 日，共25 周。每周記錄并統(tǒng)計特征點的位移變化量，將特征點數(shù)據(jù)繪圖，周位移變化曲線圖如圖1。

圖1 周位移變化曲線圖

從圖1 可以看出：2 種雷達的監(jiān)測曲線在6 月份開始周位移數(shù)值不斷加大，在7、8 月份達到最高，隨后數(shù)值不斷減小，這與該區(qū)域7、8 月份夏季降雨較多，邊坡穩(wěn)定性較差，而在10 月份以后，降雨量較少，氣溫降低至零下，邊坡冰凍穩(wěn)定性變強的實際情況相符合；LSA 雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)比MSR 雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值偏小；該區(qū)域特征點位移變化值較大，與該露天礦軟巖邊坡不穩(wěn)定，存在持續(xù)蠕動變形相符合。

3 邊坡監(jiān)測雷達應(yīng)用案例

3.1 真實孔徑邊坡雷達在霍林河北露天礦的應(yīng)用

霍林河北露天煤礦西坑采場北幫上部，由于多年的內(nèi)外排土堆積，形成巖性松軟的排土場邊坡[8]。當(dāng)前部分臺階路面已經(jīng)出現(xiàn)裂縫、底鼓、沉降跡象，邊坡體蠕動變形明顯，存在滑坡變形的潛在風(fēng)險，是礦方的重點關(guān)注區(qū)域。礦方引進MSR 真實孔徑雷達對該區(qū)域不間斷掃描和監(jiān)測。MSR 邊坡雷達布置在西坑南幫地表附近，掃描北幫邊坡，將掃描區(qū)域劃分為3 個重點觀測區(qū)域?；袅趾颖甭短烀旱V重點區(qū)域的周位移變化量如圖2。

圖2 北露天礦重點區(qū)域周位移變化曲線圖

從圖2 中可以看出：重點區(qū)域1、重點區(qū)域3 周位移量較小，趨勢變化平穩(wěn)；重點區(qū)域2 位移變化波動較大，這與該區(qū)域排土作業(yè)密切相關(guān)。

3.2 合成孔徑邊坡雷達在霍林河南露天礦的應(yīng)用

霍林河南露天礦邊坡地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有多個斷層，巖性變化較大，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且與地表水聯(lián)系密切。人工采礦作業(yè)強度大，是典型的多采場、多排土場的露天礦[9-10]，隨著不斷地開采作業(yè)和內(nèi)排，西幫邊坡的高度差不斷加大，導(dǎo)致西幫邊坡面臨滑坡失穩(wěn)風(fēng)險，迫切需要對西幫邊坡進行全面實時的監(jiān)測。應(yīng)用LSA 合成孔徑雷達采用合成孔徑雷達監(jiān)測南露天礦西幫重點區(qū)域，實時觀察位移動態(tài)變化情況。合成孔徑雷達布置于東幫，掃描西幫二號檢修地、西二排復(fù)合邊坡和南區(qū)西端幫等重點區(qū)域?；袅趾幽下短斓V重點區(qū)域的周位移變化量如圖3。

圖3 南露天礦重點區(qū)域周位移變化曲線圖

從圖3 中可以看出：二號檢修地和南區(qū)西段幫周位移量變化平穩(wěn)，數(shù)值較小，邊坡較穩(wěn)定；西二排符合邊坡在11～14 周位移量變化較大，位移變化是受該區(qū)域采場作業(yè)影響所致。

3.3 真實孔徑邊坡雷達在扎礦的應(yīng)用

霍林河扎礦邊坡穩(wěn)定性問題是制約礦山穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵點隨著采礦工程的不斷發(fā)展，采場北幫東部逐步到達最終地表境界[11]，初步設(shè)計中北幫最終邊坡角為27°，隨著工作幫逐步推進，在北幫上部邊坡角為13°～15°時，由于北幫上部巖層巖性較差，目前已經(jīng)發(fā)生明顯的滑移跡象，存在較大的安全隱患。引進MSR 邊坡雷達，對露天礦北幫邊坡進行監(jiān)測。MSR 邊坡雷達布置在南幫觀禮臺附近，掃描北幫邊坡，將掃描區(qū)域劃分為5 個重點觀測區(qū)域?；袅趾釉V重點區(qū)域的周位移變化量如圖4。

圖4 扎露天礦重點區(qū)域周位移變化曲線圖

從圖4 中可以看出：重點區(qū)域1～5 周位移量變化值均較大，這與北幫軟巖蠕動變形的規(guī)律相符合，北幫邊坡體巖性較弱，位移變形量較大，需要加強整個邊坡的持續(xù)監(jiān)測，關(guān)注邊坡變形趨勢，及時采取措施避免災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)語

MSR 真實孔徑邊坡雷達和LSA 合成孔徑雷達的監(jiān)測精度均為亞毫米級，掃描范圍廣，全天候監(jiān)測對雨霧塵天氣的適應(yīng)性強，分辨率高，監(jiān)測距離遠等優(yōu)點，適應(yīng)露天礦邊坡的實時監(jiān)測，動態(tài)掌握邊坡變形趨勢，及時預(yù)報預(yù)警。

LSA 合成孔徑邊坡雷達二維成像，固定式安裝，采用4G 物聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，BS 端軟件查看與展示，軌道式掃描設(shè)備可外設(shè)監(jiān)測保護房；MSR 真實孔徑邊坡雷達三維成像，可移動式，網(wǎng)橋數(shù)據(jù)傳輸，碟形掃描天線大范圍掃描。在異地數(shù)據(jù)查看、未來監(jiān)控平臺集成化、設(shè)備保護方面LSA 雷達有優(yōu)勢，在成像、設(shè)備及時移設(shè)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面MSR 雷達則更加突出。