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        雷達形變監(jiān)測系統(tǒng)在蒙東能源協(xié)調開采區(qū)的應用

        2022-04-16 03:50:40陳應顯UmrzakovShuxrat李佳瑩
        露天采礦技術 2022年2期
        關鍵詞:測量系統(tǒng)

        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)。

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