MSR邊坡穩定性雷達在凹山鐵礦的應用*

王立文　劉文勝　揣　新

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業公司)

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MSR邊坡穩定性雷達在凹山鐵礦的應用*

王立文1劉文勝2揣新2

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業公司)

摘要MSR(Movement and surveying radar)邊坡穩定性雷達是一套從南非REUTECH雷達系統有限公司引進的新型邊坡穩定性監測系統，并在馬鋼集團凹山采場得到了成功應用。介紹了該監測系統的工作原理、系統組成、技術參數以及應用成果，為國內大中型露天礦進一步完善邊坡穩定性監測系統提供了一種新的技術模式。

關鍵詞露天礦MSR邊坡穩定性雷達監測系統

近年來，隨著我國采掘技術的快速發展，露天礦的開采規模不斷擴大，開采深度不斷下降，逐步形成了凹陷采場或深凹采場，客觀造成了我國各大露天礦形成了越來越多的長邊坡、高邊坡[1]。露天礦的邊坡受自身地質條件變動、采掘活動和天氣變化等因素的影響可能使邊坡原本的穩定性出現潛在的不確定性。據不完全統計，我國不穩定邊坡或具有滑坡危險的潛在不穩定邊坡占邊坡總長度的15%～20%，個別露天礦甚至高達30%以上。邊坡穩定性雷達可對邊坡進行全面的數據分析，在邊坡出現失穩預兆時進行有效預警，最大限度地降低露天礦發生滑坡災害事故所造成的損失。在露天礦開采過程中，邊坡穩定性雷達還可對存在邊坡穩定性隱患的區域進行24h實時監測，在不影響邊坡穩定的基礎上進行合理開采，實現生產效益最大化。MSR邊坡穩定性雷達是一套用于露天礦的邊坡穩定性測量和監測的技術裝備，不受雨雪、灰塵、霧霾等天氣的干擾，無需與監測區域的邊坡巖體發生任何接觸，可以次毫米級精度對整個邊坡巖體表面進行24h實時監測，能夠實現快速預警，減小滑坡災害事故導致的損失，確保露天礦安全生產。

1MSR邊坡穩定性雷達

1.1工作原理

MSR邊坡穩定性雷達的基本原理是首先將高頻電磁能量(無線電波)發送至目標方向，然后接收從目標物反射回的電波，其中目標物的信息可在返回的電波中得到。在MSR邊坡穩定性雷達的實際監測過程中，目標物即為監測區域內的邊坡巖體，測量得到的數據為邊坡巖體的絕對位移和相對位移。

1.1.1絕對位移

絕對位移是指從雷達天線收發器到監測區域邊坡巖體的距離。圖1展示了從雷達天線收發器發出無線電波傳輸至目標物(該段時間用t1表示)，其中一些無線電波被目標物反射回且被雷達天線收發器接收(該段時間用t2表示)的情況。在該過程中，MSR邊坡穩定性雷達通過精確測量無線電波發射和反射回的時間和(t1+t2)，可計算出邊坡巖體的絕對位移。對雷達而言，無線電波的速度為光速。通過MSR邊坡穩定性雷達計算出的絕對位移可精確至0.1m，一般用于在實時監測及數據分析軟件MSRHMI中生成監測區域邊坡巖體的三維立體模型，也可完全用于建立整個露天礦邊坡的三維地質模型。

圖1　雷達信號絕對位移的測量原理

1.1.2相對位移

相對位移是指監測區域邊坡巖體的位移變化量，可從返回信號的相位變化量得到。MSR邊坡穩定性雷達可通過測量目標物移動前后2次雷達信號的相位移動，將其轉換為相對位移的變化量。在監測過程中，MSR邊坡穩定性雷達可自動測量監測區域內所有邊坡巖體的微小相對位移變化，并通過實時監測及數據分析軟件MSRHMI，反映出監測區域邊坡巖體的運動變化情況(圖2)。

圖2　雷達信號相對位移測量

1.2系統組成

MSR邊坡穩定性雷達系統主要分為硬件和軟件2個部分，硬件包括：①拖車，伸縮支架、托鉤、導輪、停車制動；②電子附件，系統數字處理器和人機接觸面HMI、天線指向裝置電子附件、氣象站、通信模塊、警示燈 、緊急停止裝置和工具箱；③電力供應系統，柴油發電機、帶電池的供電裝置、供電系統頂蓋裝置、控制面板、油箱；④雷達系統，雷達天線雷達、無線收發器、天線定位裝置。MSR邊坡穩定性雷達如圖3所示。

圖3　MSR邊坡穩定性雷達

MSR邊坡穩定性雷達軟件主要包括實時監測及數據分析軟件MSRHMI(圖4)、數據傳輸軟件WinSCP、雷達電腦內置Linux操作系統。

圖4　實時監測及數據分析軟件MSR HMI界面

1.3技術特點

MSR邊坡穩定性雷達技術特點為：①測量精度達到±0.2mm，監測距離達2 500m；②無需與監測區域邊坡巖體發生任何接觸，保障監測人員和設備的安全；③實現24h連續監測，便于監測人員實時掌握邊坡巖體的變化情況；④自動生成邊坡的三維立體模型，可直觀反映巖體的運動情況；⑤自帶拖車，可移動，布置快捷；⑥獨立工作，自備動力，無需外接電源；⑦在任何氣候條件下均可操作(不受雨雪、灰塵、霧霾等干擾)，其環境條件見表1。

表1　MSR雷達工作的環境條件

2應用成果

在未引進MSR邊坡穩定性雷達之前，馬鋼集團凹山采場的邊坡穩定性監測主要通過在出現裂縫的邊坡臺階表面布置若干監測點，人工巡視并測量邊坡巖體的變化情況[1]。該方式缺點有：①監測點少、精度低、人為誤差大，僅可測量邊坡臺階表面的裂縫變化情況，無法監測整個監測區域邊坡巖體的運動情況；②測量活動受環境變化的影響較大，無法實現24h實時監測；③測量人員在邊坡臺階進行現場測量，工作量大且存在安全隱患。

2012年，為合理利用凹山采場資源，提出了殘礦回收方案，需對東幫、南幫局部進行了擴幫作業。在擴幫過程中，受自身地質條件、雨雪和爆破作業等因素的影響，而邊坡極易發生滑坡災害。為此，對該礦現有的邊坡穩定性監測系統進行了升級，采用MSR邊坡穩定性雷達對上述區域進行監測和預警。自2012年從南非REUTECH雷達系統有限公司引進以來，MSR邊坡穩定性雷達已在凹山采場監測了5a。該期間內除了對MSR邊坡穩定性雷達進行必要的保養和日常維護外，未出現任何故障，達到了24h實時監測的目的。在長時間的監測過程中，MSR邊坡穩定性雷達收集了大量的監測數據并建立了大數據庫，為進一步研究凹山鐵礦邊坡穩定性規律提供了豐富的數據資源。

3結語

對馬鋼集團凹山鐵礦MSR邊坡穩定性雷達的原理、技術參數、系統構成進行了詳細分析，并對該系統的應用成果進行了介紹，對于確保該礦安全生產有一定的借鑒價值。

參考文獻

[1]孫厚廣，李世海，馮春，等.露天礦邊坡安全管理SEA模式及其應用研究[J].金屬礦山，2016(3)：151-155.

[2]程斌，劉文勝，陳能革.凹山采場邊坡穩定性監測監控系統[J].現代礦業，2013(10)：142-143.

(收稿日期2016-03-28)

*國家自然科學基金面上項目(編號：51274122)；國家自然科學基金煤炭聯合基金項目(編號：U1361211)。

王立文(1989—)，男，助理工程師，113000 遼寧省撫順市經濟開發區濱河路11號。