唐維凱，王利崗，賴鵬輝，盧 堯，張旭峰，李垚萱，侯佩喜，李 坤

(1.黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司，黑龍江 黑河 161416；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；3.遼寧省本溪滿族自治縣應(yīng)急管理事務(wù)中心草河城鎮(zhèn)應(yīng)急服務(wù)站，遼寧 本溪 117109)

隨著我國金屬資源開發(fā)利用程度不斷加深，露天開采逐漸向深部挺進(jìn)，形成了大量超過200 m的高邊坡。邊坡穩(wěn)定性是露采礦山安全可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵，由于已揭露邊坡分布范圍大，不同位置水文地質(zhì)條件差異性明顯，且受外界降水、凍融等氣象條件作用下完整性和強(qiáng)度不斷下降，容易誘發(fā)邊坡滑塌事故，但露天邊坡的穩(wěn)定性長期以來無法得到全面準(zhǔn)確的持續(xù)跟蹤監(jiān)測，因此，確定一種能夠全面穩(wěn)定監(jiān)測大范圍邊坡穩(wěn)定性的在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)對(duì)露天礦山的持續(xù)穩(wěn)定安全生產(chǎn)具有重要意義。本文結(jié)合多寶山銅礦露采邊坡監(jiān)測的具體情況，研究了合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)在高寒地區(qū)露采高邊坡中的應(yīng)用與實(shí)踐效果。

1 監(jiān)測邊坡概況

多寶山銅礦采區(qū)位于黑龍江省黑河市嫩江縣北部多寶山鎮(zhèn)，地處小興安嶺山系西南坡，嫩江上游東岸低山丘陵地帶，區(qū)內(nèi)氣候嚴(yán)寒，為寒溫帶氣候，凍結(jié)期從每年九月上旬至翌年五月下旬。受寒冷氣候影響，融凍剝蝕作用比較強(qiáng)烈，冰緣地貌和相應(yīng)的物理地質(zhì)現(xiàn)象在區(qū)內(nèi)發(fā)育較為典型。根據(jù)前期多寶山銅礦露天采場邊坡穩(wěn)定性分析等研究成果，采場范圍內(nèi)無活動(dòng)性大斷裂分布，但受礦區(qū)北西向構(gòu)造、北西向弧形構(gòu)造、北東向構(gòu)造影響，采區(qū)內(nèi)斷裂片理化帶、斷裂蝕變帶及次一級(jí)小斷裂、小蝕變帶比較發(fā)育。

截至目前，多寶山銅礦露天采場最低已經(jīng)開挖至+282 m標(biāo)高以深，最高標(biāo)高+567 m，形成的最高邊坡已超過285 m，且各方向上邊坡均超過200 m，根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，多寶山銅礦露天采場邊坡需進(jìn)行在線監(jiān)測。

2 邊坡監(jiān)測現(xiàn)狀

從前期穩(wěn)定性分析研究來看，多寶山銅礦邊坡無大型滑坡體分布，但存在較多的小范圍地質(zhì)構(gòu)造軟弱帶和裂隙發(fā)育帶，且位置分布較為分散，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段如分立式表面位移監(jiān)測(GNSS、全站儀型自動(dòng)監(jiān)測機(jī)器人等)很難全面掌握邊坡各處發(fā)生的滑移前兆變形信息[1-5]，邊坡監(jiān)測雷達(dá)(合成孔徑雷達(dá)或真實(shí)孔徑雷達(dá))、三維激光掃描儀等面監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)正是為了解決全面監(jiān)測邊坡位移發(fā)展趨勢難題的新興技術(shù)，其中，合成孔徑雷達(dá)的干涉測量技術(shù)在大范圍邊坡面監(jiān)測方面有其獨(dú)到的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢[6-10]。合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)采用的是差分干涉測量法，采用一定散射角和特定頻率的雷達(dá)天線發(fā)射接收微波信號(hào)，通過脈沖壓縮技術(shù)達(dá)到很高的距離向分辨率，并利用雷達(dá)和目標(biāo)邊坡之間的相對(duì)位移形成合成孔徑，達(dá)到很高的方位分辨率，通過利用不同時(shí)間采集的高分辨率二維圖像的相位差反演得到亞毫米級(jí)精度的形變[11-12]。合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)通過對(duì)比一組已測圖像數(shù)據(jù)，使用軟件算法圈定目標(biāo)邊坡受氣象條件影響最小的區(qū)域，并利用其來建立氣候影響修正模型，還可輸入內(nèi)置氣象修正程序，基本能夠克服氣象條件影響，做到全天候不間斷精準(zhǔn)監(jiān)測。多次掃描疊加后形成的三維融合形變圖直觀呈現(xiàn)邊坡表面的位移情況，通過顏色的深淺來判斷位移發(fā)生的位置范圍與形變程度(表1)。

表1 邊坡表面位移監(jiān)測技術(shù)比較Table 1 Comparison of slope surface displacement monitoring techniques

通過對(duì)比可以總結(jié)得到，合成孔徑邊坡雷達(dá)的監(jiān)測精度高、測距量程大(監(jiān)測范圍更大)、受雨霧雪天氣影響小等特點(diǎn)，相較于真實(shí)孔徑雷達(dá)，合成孔徑雷達(dá)還具有同等距離上監(jiān)測單元更小、掃描速度更快等優(yōu)勢。

3 原方案模擬分析

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)前期邊坡穩(wěn)定性分析研究成果，多寶山銅礦露天采場受北西向構(gòu)造、北西向弧形構(gòu)造、北東向構(gòu)造影響，北西向、北東向邊坡范圍內(nèi)斷裂片理化帶、斷裂蝕變帶比較發(fā)育，因此，將合成孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測站布置于采場東南側(cè)穩(wěn)定區(qū)域，雷達(dá)監(jiān)測范圍可覆蓋西側(cè)北側(cè)邊坡(圖1)。采用交流工業(yè)電源并配備UPS不間斷電源為雷達(dá)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電，同時(shí)，在現(xiàn)場雷達(dá)監(jiān)測站設(shè)工業(yè)級(jí)無線網(wǎng)橋，將雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至采坑西北側(cè)境界邊緣的露采指揮中心調(diào)度室，雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)與位移趨勢分析結(jié)果可實(shí)時(shí)在調(diào)度室大屏顯示，供邊坡安全管理人員參考與決策。

圖1 雷達(dá)監(jiān)測站布置圖Fig.1 Layout of radar monitoring station

合成孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)安裝于方艙監(jiān)測站內(nèi)，方艙面向采場目標(biāo)邊坡一側(cè)開設(shè)透波窗，如圖2所示。該系統(tǒng)具有現(xiàn)場觸屏圖形化操控界面系統(tǒng)、一體化后備供電系統(tǒng)、高帶寬綜合數(shù)字通信系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，且配有室內(nèi)設(shè)備看護(hù)視頻以及室外目標(biāo)邊坡巡視視頻，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和監(jiān)測目標(biāo)邊坡區(qū)域同步圖像瀏覽功能。

圖2 合成孔徑雷達(dá)安裝圖Fig.2 Synthetic aperture radar installation

監(jiān)測系統(tǒng)通過位移點(diǎn)云的顏色來直觀表征邊坡形變的位置與形變程度，由綠黃轉(zhuǎn)為紅色表示發(fā)生接近雷達(dá)方向的位移且越來越大，由綠青轉(zhuǎn)為深藍(lán)表示發(fā)生遠(yuǎn)離雷達(dá)方向的位移且越來越大，淺顏色表示位移較小，相對(duì)安全，深顏色表示位移較大，危險(xiǎn)程度增加。繪制選定區(qū)域的量化位移變化趨勢，根據(jù)形變趨勢結(jié)合預(yù)警閾值，可以準(zhǔn)確捕捉邊坡滑移發(fā)生的前兆信息。邊坡滑移的預(yù)警指標(biāo)包括累積位移、位移速度和位移加速度，需綜合3種預(yù)警指標(biāo)來判斷邊坡是否具有滑移危險(xiǎn)，設(shè)置了一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)共三級(jí)預(yù)警。

3.2 預(yù)警過程分析

多寶山銅礦露天采場邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)自2020年11月初投入使用以來運(yùn)行穩(wěn)定，獲取了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文選取2021年4月和5月的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警分析。

根據(jù)系統(tǒng)于2021年4月初—5月初的累積形變數(shù)據(jù)(圖3)，可發(fā)現(xiàn)采場東北側(cè)475～490 m平臺(tái)附近有兩塊明顯形變區(qū)域，一塊大致呈圓斑形，位于475～490 m平臺(tái)之間的臺(tái)階坡面，一塊呈不規(guī)則條帶狀，沿475 m平臺(tái)走向分布。圈定這兩個(gè)分析區(qū)域(區(qū)域27和區(qū)域33)后，可發(fā)現(xiàn)左側(cè)圓斑狀變形區(qū)域27最大變形300 mm左右(曲線1)，平均變形也達(dá)到了120 mm左右；而條帶狀變形區(qū)域33平均變形約70 mm左右，最大變形約100 mm(曲線2)。

圖3 雷達(dá)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)分析Fig.3 Analysis of historical radar monitoring data

圓斑狀變形區(qū)域在2021年4月10日—12日、2021年4月16日—21日有2段比較明顯的變形增大趨勢段，4月22日后逐漸趨于平緩；條帶狀變形區(qū)域4月23日前變形比較緩慢，4月23日—5月10日間的變形相對(duì)發(fā)展，沒有比較明顯的加速變形趨勢。觀察位移速度曲線和位移加速度曲線，與累積位移變化趨勢對(duì)應(yīng)，加速度不明顯，整體無明顯失穩(wěn)跡象(圖4)。

檢測系統(tǒng)于2021年5月13日連續(xù)發(fā)出預(yù)警信息，提示多寶山采場區(qū)域27(圖4中曲線3和曲線4)觸發(fā)一級(jí)預(yù)警(24小時(shí)內(nèi)累積變形超過12 mm)。如圖5所示為現(xiàn)場開裂情況。多寶山銅礦露天采場現(xiàn)場邊坡安全管理人員迅速協(xié)調(diào)現(xiàn)場采取應(yīng)對(duì)措施。經(jīng)采礦工程師現(xiàn)場踏勘并結(jié)合該區(qū)域水文、工程地質(zhì)資料，該區(qū)域巖石相對(duì)破碎，前期雨雪天氣及周邊爆破震動(dòng)影響造成該區(qū)域發(fā)生明顯變形現(xiàn)象，但經(jīng)歷了階段不均勻變形后，變形曲線整體趨向平緩，說明該區(qū)域位移仍處于階段穩(wěn)定狀態(tài)，暫時(shí)沒有發(fā)生大面積滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 報(bào)警區(qū)域細(xì)節(jié)Fig.4 Alarm area details

圖5 現(xiàn)場開裂情況Fig.5 Site cracking

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，春季降水/雪對(duì)多寶山銅礦露天邊坡穩(wěn)定性的影響比較明顯，部分降水或雪融水通過邊坡裂隙和土體吸水等方式深入邊坡內(nèi)部，在反復(fù)凍融作用下，對(duì)淺表裂隙巖體的穩(wěn)定性造成較大影響，導(dǎo)致裂隙持續(xù)發(fā)展。合成孔徑邊坡雷達(dá)的高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直觀地發(fā)現(xiàn)凍融與春季降水作用下采場邊坡軟弱區(qū)域的滑移早期征兆，有效避免突發(fā)邊坡滑塌造成危險(xiǎn)事故。

4 結(jié) 論

1) 合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)在高寒地區(qū)露采高邊坡進(jìn)行了有效的應(yīng)用，對(duì)多寶山銅礦露天采場的西幫邊坡、北幫邊坡進(jìn)行了全天候、不間斷持續(xù)監(jiān)測，準(zhǔn)確識(shí)別出邊坡滑移的重點(diǎn)區(qū)域，基本掌握了邊坡形變規(guī)律，為保障礦山安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用。

2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，邊坡總體位移情況呈緩慢上升態(tài)勢，局部有散發(fā)的顯著位移變化區(qū)域，但不足以引發(fā)邊坡大規(guī)?；?，現(xiàn)階段邊坡整體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，散發(fā)的顯著位移區(qū)域形變發(fā)展受凍融作用及春季降水進(jìn)程影響明顯。

3) 合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)應(yīng)用于滑坡預(yù)警需不斷根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場復(fù)查情況進(jìn)行預(yù)警值修正，需研究結(jié)合累積位移、位移速度、位移加速度的綜合預(yù)警算法，提高臨滑預(yù)警的準(zhǔn)確性。