王 昊 常 劍 王立文3

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室）

2003—2019年，煤炭資源露天開采量由0.8億t提高至6.34億t，總開采量占比由4.7%增至16.5%，露天采煤現(xiàn)今是我國煤炭產(chǎn)能不可或缺的部分［1-2］?；聻?zāi)害是露天礦面對的主要災(zāi)害，準(zhǔn)確預(yù)測邊坡滑坡，避免災(zāi)害發(fā)生，對于露天礦安全開采極其重要［3-4］。

20世紀(jì)以來，滑坡監(jiān)測手段趨于多樣化，主要有雷達監(jiān)測、D-InSAR在地面變形監(jiān)測、INSAR技術(shù)、GNSS監(jiān)測、衛(wèi)星定位技術(shù)等［5］。其中雷達監(jiān)測具有輻射范圍廣、精度高、數(shù)據(jù)更新快、連續(xù)實時監(jiān)測等特點，被廣泛使用在山體、邊坡、大壩等。如張勁松等［6］以合成孔徑雷達為例，探究其在礦山邊坡監(jiān)測預(yù)警方面實際效果；彭藝偉等［7］通過分析激光雷達滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明其在地質(zhì)災(zāi)害識別及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查具有一定應(yīng)用空間；馬海濤等［8］基于現(xiàn)有雷達臨滑預(yù)警模型分析，優(yōu)化建立T-lgt的預(yù)測模型，可提高滑坡時間預(yù)測準(zhǔn)確性；王立文［9］以撫順西露天礦雷達監(jiān)測系統(tǒng)為例，證明雷達監(jiān)測技術(shù)對于監(jiān)測露天礦山滑坡災(zāi)害具有可行性和有效性。

基于前人研究成果，通過介紹MSR真實孔徑雷達結(jié)構(gòu)、運行原理、優(yōu)勢，分析滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確MSR真實孔徑雷達結(jié)構(gòu)、特點及臨滑預(yù)報準(zhǔn)確性。

1 MSR雷達簡介

1.1 系統(tǒng)簡介

MSR雷達監(jiān)測系統(tǒng)主要可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個主體構(gòu)造。硬件系統(tǒng)起到雷達安裝、平衡、運輸、數(shù)據(jù)接受傳輸、供電等作用，主要包括拖車、電子附件、電力供應(yīng)系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)（圖1）。MSR雷達基于精密穩(wěn)定的硬件條件可適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，可在-30～+70℃溫度范圍、風(fēng)速＜80 km/h、大氣壓580～1 085 mbar、相對濕度達到95%環(huán)境下進行工作，確保數(shù)據(jù)接收傳遞的穩(wěn)定。軟件系統(tǒng)強大的運算能力，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲、預(yù)報預(yù)警的作用，主要由MSR HMI、WinSCP、Linux操作系統(tǒng)構(gòu)成，可實現(xiàn)遠距離接收處理監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢查雷達運行狀況、雷達啟動關(guān)閉、邊坡臨滑預(yù)警預(yù)報等。

1.2 基本工作原理

MSR真實孔徑雷達的基本原理是借助高頻電磁能量（無線電波）對巖土體邊坡表面反復(fù)掃描，接收并處理返回的電波信息，可以得出監(jiān)測區(qū)域的絕對位移（雷達距邊坡距）和相對位移（邊坡巖體的位移變化量），其精確度可達到0.1 m，測量其距離可以用于建立礦區(qū)三維立體模型。

相對位移由電磁波返回后的相位變化得出，通過前后2次監(jiān)測目標(biāo)物的相位角邊坡，轉(zhuǎn)換成位移的變化，進而實現(xiàn)坡巖體的位移變化量的監(jiān)測記錄（圖2）。

基于上述雷達監(jiān)測位移數(shù)據(jù)，通過MSR HMI軟件進行數(shù)據(jù)擬合分析，將邊坡監(jiān)測區(qū)域位移及速度變化量可視化展示到顯示器上，并根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、礦區(qū)歷史變形特征及歷史滑坡數(shù)據(jù)，設(shè)定該礦的專有預(yù)警閾值，實現(xiàn)臨滑預(yù)警預(yù)報，配有專門人員進行執(zhí)勤，綜合判斷分析邊坡穩(wěn)定狀況。

1.3 MSR雷達優(yōu)勢

現(xiàn)今礦山常用的表面監(jiān)測系統(tǒng)除了雷達監(jiān)測系統(tǒng)還有GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，GNSS監(jiān)測系統(tǒng)依托于多個監(jiān)測點，通過點—線—面逐步實現(xiàn)礦區(qū)整體監(jiān)測，也可做到實時監(jiān)測預(yù)警，但因發(fā)射信號方式不同相對雷達監(jiān)測存在延遲［10］。同時GNSS監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過監(jiān)測點反映區(qū)域變形情況，而雷達監(jiān)測系統(tǒng)直接監(jiān)測區(qū)域面地表變形情況。MSR雷達進行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測優(yōu)勢：①以毫米級為標(biāo)準(zhǔn)，精度可達±0.2 mm；②合成孔徑掃描速度為10 min/次，而MSR雷達可以達到3～5 min/次；③監(jiān)測距離最遠可達2 500 m，監(jiān)測角度水平掃描180°（-90°～+90°）、垂直掃描120°（-37°～+86°）；④基于絕對位移可自動獲得礦山三維地質(zhì)模型DTM圖；⑤適應(yīng)性強，可適用低溫、高溫、大風(fēng)、大雨等復(fù)雜天氣環(huán)境。

2 滑坡預(yù)測預(yù)警

2.1 滑坡模型

滑坡本質(zhì)是剪切破壞。根據(jù)以往專家學(xué)者研究，對滑坡而言其破壞分3個階段［11］。初始蠕變階段：邊坡發(fā)生變形，變形速率先大后小逐步平緩，裂縫、裂隙、沉降等滑坡伴生災(zāi)害產(chǎn)生；勻速蠕變階段：邊坡累計位移隨時間呈現(xiàn)近似直線，裂縫、裂隙、沉降等滑坡伴生災(zāi)害更加明顯；加速蠕變階段：邊坡位移速率增大（一般出現(xiàn)多級加速狀態(tài)），邊坡即將發(fā)生滑坡。整體滑坡破壞過程隨著時間T的增加，位移變形速率f由勻速至逐漸加速的過程，如圖3所示。

2.2 雷達時間預(yù)報

MSR真實孔徑雷達在上述基礎(chǔ)上，通過速度倒數(shù)曲線圖，觀察其移動數(shù)據(jù)，估計滑坡時間［12］。通過邊坡滑動時位移速率倒數(shù)曲線圖，隨著時間推移，趨近于零且相對線性變化的，通過擬合曲線，建立y=k x+b公式，擬合曲線與時間交點即是預(yù)測滑坡發(fā)生時間。

3 工程實例

3.1 工程概況

為進一步確定MSR真實孔徑雷達監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確，以某礦滑坡階段監(jiān)測數(shù)據(jù)為例。據(jù)以往地質(zhì)勘探資料可知，該礦地層巖性分為第四系砂土層及黏土層，第四系層組屬于含水層，長期暴露易發(fā)生邊坡滑動；基巖層為砂礫巖、泥巖及煤層，正斷層較多，斷層控制程度較高，同時可采煤層埋深較深，露天礦為深坑露天礦坑，邊坡穩(wěn)定性受地質(zhì)構(gòu)造、地下水運動、大氣降水及工程擾動等因素影響，極易發(fā)生片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅露天礦的安全生產(chǎn)。

3.2 滑坡數(shù)據(jù)分析

為確保礦區(qū)人員設(shè)備的安全，該礦引進MSR邊坡雷達對西坑北幫進行24 h雷達監(jiān)測預(yù)警，根據(jù)該礦某次滑坡前后5 d內(nèi)雷達監(jiān)測實時監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制變化曲線，圖4為位移速度曲線，圖5為速度倒數(shù)曲線。由圖4可知，0～23.5 h，該礦邊坡產(chǎn)生初始變形階段，邊坡裂縫產(chǎn)生；22.5 h達到該階段最大位移速度3.35 mm/h，隨后速度降低；23.5～44.6 h，邊坡處于勻速變形階段，裂縫緩慢增加，該階段邊坡位移速度基本穩(wěn)定在0.15 mm/h；44.6～81.6 h，邊坡處于加速變形階段，邊坡裂縫擴張速度變快，位移速度變快，可分44.7～70.0 h、70.0～78.1 h、78.1～81.6 h的3個階段加速，最終于81.6 h邊坡發(fā)生滑動破壞，此時邊坡累計位移量66.77 mm，速度9.97 mm/h。

滑坡發(fā)生前，某段時間擬合得到其對應(yīng)擬合公式y(tǒng)=-0.098x+7.944，擬合曲線相關(guān)系數(shù)約91%（圖5）。借助擬合公式計算速度倒數(shù)為零時，x=81.06，即雷達借助該時段擬合曲線預(yù)測，邊坡在81.06 h發(fā)生滑坡，與實際滑坡發(fā)生時間81.6 h僅相差32.4 min，MSR雷達預(yù)測具有良好的準(zhǔn)確性。

3.3 現(xiàn)場實測及滑坡原因分析

由于滑坡區(qū)域近期正處于施工狀態(tài)，裂縫、沉陷、底鼓等滑坡伴生災(zāi)害未能及時發(fā)現(xiàn)。礦方巡查于滑坡前21.2 h發(fā)現(xiàn)明裂縫，滑坡整體分為5個臺階發(fā)生破壞，面積約3.2萬m2，東西長200 m，向北滑移3.4 m，最大沉降2.3 m，滑移量約為23萬m3。實際位移量與監(jiān)測數(shù)據(jù)存在差異，是因為雷達未正對應(yīng)邊坡，邊坡與雷達間存在傾角，監(jiān)測變形數(shù)值相對較小，但整體走勢相似，不影響預(yù)報分析。

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采礦工序及天氣因素三方面分析此次滑坡原因：

（1）地質(zhì)結(jié)構(gòu)。南幫此次滑坡西側(cè)存在明顯正斷層，斷層斷距1.9 m；且滑體3B煤層下部4～5 m存在弱層，物理力學(xué)性質(zhì)較低，易發(fā)生沿弱層坐落滑移式破壞；同時該礦南幫屬于順傾邊坡，最大角度可達23°，易發(fā)生邊坡滑動。

（2）采礦工序。正常采礦方式應(yīng)從上至下施工，現(xiàn)階段施工時上下同時施工，雖可提高施工效率，但現(xiàn)階段抗滑力不足以支撐上部下滑力。此時下部施工相當(dāng)于撤腳，從而導(dǎo)致邊坡的抗滑力減小，使下滑力大于抗滑力，繼而形成滑坡災(zāi)害。

（3）天氣因素。由于近期持續(xù)的降雨天氣，雨水順著斷層滲入巖層內(nèi)部，且南幫弱層巖體物理力學(xué)性質(zhì)強度較低，在雨水浸泡下進一步導(dǎo)致巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角降低而自動發(fā)生崩解，使其內(nèi)部存在較多弱面，從而導(dǎo)致邊坡的附著力不足以支撐邊坡的穩(wěn)定，易發(fā)生邊坡滑動。

所以，南幫滑坡原因為下部施工降低邊坡抗滑力，雨水順著斷層滲入降低巖層物理力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致邊坡整體性被破壞，形成沿弱層坐落滑移式破壞。

3.4 預(yù)警級別劃分

基于上述MSR雷達介紹、礦區(qū)滑坡時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及滑坡實測分析，明確MSR真實孔徑雷達可以適應(yīng)復(fù)雜多變的現(xiàn)場環(huán)境，并能實現(xiàn)邊坡臨滑預(yù)警預(yù)測。

因該礦南幫屬于大順傾邊坡、弱層、節(jié)理、裂隙及斷層賦存，復(fù)雜的地質(zhì)條件嚴(yán)重危害邊坡穩(wěn)定。為了更好服務(wù)該礦區(qū)復(fù)雜的環(huán)境，提高安全性，除卻軟件系統(tǒng)自帶臨滑時間的預(yù)報，基于該礦軟巖邊坡的特性、以往經(jīng)驗和滑坡曲線，提出分級預(yù)報制度，分級預(yù)報根據(jù)變形速度（滑坡加速階段）劃分，具體見表1。該預(yù)警閾值可為類似巖性露天礦預(yù)警預(yù)報閾值選取提供一定的指導(dǎo)意義。

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4 結(jié) 論

（1）通過分析軟巖露天礦邊坡滑坡期間雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定MSR雷達監(jiān)測預(yù)報程序的實時性、合理性及準(zhǔn)確性。

（2）此次滑坡主要原因是斷層、順傾、雨水侵蝕及施工方式過于激進，使邊坡抗滑力小于下滑力，發(fā)生邊坡滑動。

（3）基于邊坡滑動模型及滑坡監(jiān)測變形曲線圖，提出分級預(yù)報等級，以便更好服務(wù)類似軟巖露天邊坡。