陳應顯，Umrzakov Shuxrat，李佳瑩

（遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000）

隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，對能源的需求量逐年加大，露天煤礦開采的比重增加。露天礦山深部凹陷開采可有效增加產(chǎn)量，但在其開采過程中會產(chǎn)生高陡邊坡，因為邊坡所處的工程水文地質條件都十分復雜多變[1]，容易發(fā)生滑坡等地質災害，直接影響礦山經(jīng)濟效益[2]。露天礦邊坡從受到力的作用變形到最終破壞，其演化過程相當長。邊坡失穩(wěn)發(fā)展的過程，通常伴隨一系列邊坡地表和地下的宏觀與微觀的變形，位移監(jiān)測可以實時掌握這些現(xiàn)象的發(fā)生及其發(fā)展過程[3]。露天邊坡形變監(jiān)測是掌握邊坡穩(wěn)定狀況的有效手段，因此在邊坡形變監(jiān)測方面，國內(nèi)外學者開展了大量的研究工作。邊坡監(jiān)測方法很多被用于對危險區(qū)進行監(jiān)測，概括分為對滑坡表面監(jiān)測和對滑坡地表深部進行監(jiān)測的技術[4]。不同的監(jiān)測技術對露天邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測，對預防邊坡滑坡事故起到關鍵作用[5]。但同其它監(jiān)測技術相比，邊坡雷達在監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取方面與傳統(tǒng)的測量儀器相比具有諸多優(yōu)勢，適用于多種礦區(qū)，被國內(nèi)外多個礦山廣泛應用，并獲得明顯效果[6]。

1 地基差分干涉雷達工作原理及組成

1.1 工作原理

差分干涉測量將不同2 個時刻所監(jiān)測物體反射的雷達波的相位差來進行精準測定測量目標點的位置，最終獲取形變變化量或數(shù)字高程模型[7-8]。針對2次影像獲取期間，地面形變，須將地形相位從地平相位中移除以提取干涉相位形變數(shù)據(jù)，選用差分干涉測量。

假設在形變未發(fā)生時，地基雷達A 與測量目標點的距離為S1，形變發(fā)生后形變量為d，與測量目標點的距離為S2，設目標點g 移動前的雷達相位為φg，其形變發(fā)生后的雷達相位為，兩者間的相位差即為，則地基差分干涉雷達測量后得到該點的相位組成計算公式為：

因差分干涉測量無需考慮基線、大氣干擾等問題，因此測量目標點形變發(fā)生后形變量d 的計算公式為：

1.2 雷達系統(tǒng)組成

邊坡雷達系統(tǒng)組成如圖1。雷達系統(tǒng)主要構成為邊坡監(jiān)測雷達、上位機、外部電源。交流電源或直流電源均可為邊坡雷達供電。

圖1 邊坡雷達系統(tǒng)組成

邊坡雷達的具體組成[9]：①調頻連續(xù)波雷達；②直流電源；③數(shù)控位移臺；④俯仰臺；⑤上位機（即主控計算機）。

上位機可以安裝在任意可進行網(wǎng)絡通信的地方，其軟件系統(tǒng)組成包括數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制、成像處理、實時形變處理和三維地形構造等功能。其中數(shù)據(jù)采集部分通過控制雷達系統(tǒng)來實現(xiàn)回波數(shù)據(jù)的采集；成像處理部分對原始回波數(shù)據(jù)進行事后成像處理；實時形變處理部分完成精密形變測量；三維地形構造部分實現(xiàn)利用外部地形數(shù)據(jù)構造三維地形。

2 系統(tǒng)應用

2.1 應用概況

1）監(jiān)測區(qū)概述。監(jiān)測區(qū)位于內(nèi)蒙古勝利煤田西部，包括西二露天礦和烏蘭圖嘎露天礦。前者東西長3.4～4.0 km，南北寬1.9～3.3 km，面積12.282 km2；后者呈不規(guī)則狀，面積約為6.4 km2。由于地質條件復雜，剝離物中軟巖占比達90 %左右，2005 年后采場曾發(fā)生過多次滑坡，致使采場周邊系統(tǒng)設施遭到破壞，對正常安全生產(chǎn)造成一定影響[10]。以蒙東能源勝利西二露天礦和烏蘭圖嘎露天礦協(xié)調開采區(qū)域為例，結合該區(qū)域特有的工程及地質特征，應用地基差分干涉雷達形變監(jiān)測系統(tǒng)進行邊坡監(jiān)測。

2）雷達監(jiān)測現(xiàn)場。兩礦協(xié)調開采計劃到界南幫邊坡最大高度約100 m、邊坡角26°，其上部排土場高度約80 m、邊坡角14°，形成高度約180 m 的復合邊坡，在部分區(qū)段的采場與排土場間安全距離不足50 m，存在較大的安全隱患。由于受礦權界和烏煤排土場空間形態(tài)限制，兩礦協(xié)調開采南幫為典型的平面凸邊坡，這種平面形態(tài)不利于邊坡穩(wěn)定性，所以采取邊坡監(jiān)測措施是非常必要的。采用邊坡形變雷達監(jiān)測系統(tǒng)對協(xié)調開采區(qū)域采場、排土場進行實時監(jiān)測。邊坡監(jiān)測雷達位置及監(jiān)測范圍如圖2。

圖2 雷達位置及監(jiān)測范圍

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

雷達監(jiān)測1 個周期獲得165 942 個監(jiān)測點數(shù)據(jù)，形變監(jiān)測分析預警系統(tǒng)從中均勻地提取55 314個監(jiān)測點數(shù)據(jù)作為分析樣本，對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)進行形變和形變速率分析。雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)從2019 年4 月21 日開始錄入數(shù)據(jù)到2019 年7 月23 日，共采集到1 720 萬條記錄。

1）雷達監(jiān)測累積形變。截至2019 年5 月12 日，累積形變的大小范圍為0～1.177 m，最大累積形變1.177 m，所在的監(jiān)測點號為52864。52864 號監(jiān)測點的形變量如圖3。52864 號監(jiān)測點形變速度如圖4。

圖3 52864 號監(jiān)測點形變量

圖4 52864 號監(jiān)測點形變速度

2）雷達監(jiān)測形變速率。形變速率的大小從0～0.204 m/d 變化，截至2019 年7 月23 日，最大形變速率為0.204 m/d，監(jiān)測點號為51401。

3 結語

在對地基差分干涉雷達工作原理及雷達系統(tǒng)組成分析的基礎上，根據(jù)蒙東能源勝利西二露天礦和烏蘭圖嘎露天礦協(xié)調開采區(qū)域特有的工程、地質特征，在該區(qū)域協(xié)調開采期間使用地基差分干涉雷達形變監(jiān)測系統(tǒng)進行邊坡監(jiān)測。實現(xiàn)了對雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析利用。使用雷達監(jiān)測點的累積形變數(shù)據(jù)和形變速率數(shù)據(jù)，分別生成形變等值線圖和形變速率大小分布圖，由此確定出累積形變較大區(qū)域及范圍，并進一步確定出潛在滑坡區(qū)。通過對露天礦邊坡形變進行實時雷達監(jiān)測，達到了對邊坡災害有效預報，實現(xiàn)了對該區(qū)域安全高效生產(chǎn)。