邊坡穩定性雷達監測預警系統在某礦的應用*

徐玉龍

(1.煤礦安全技術國家重點實驗室；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司)

近年來，隨著露天礦邊坡監測預警技術的迅速發展和各種型號邊坡雷達的廣泛使用，MSR真實孔徑邊坡雷達已經得到越來越多的市場應用和認可。MSR邊坡雷達預警系統相比其他傳統的監測方法，有著監測精度高、安裝方便、監測范圍廣等優勢特點。不僅能夠為露天礦邊坡監測體系建設提供理論基礎，而且能夠有效提升礦區開采安全性，促進我國礦業的發展。

1 邊坡雷達技術

真實孔徑邊坡雷達是針對露天礦及類似邊坡工程等高陡邊坡進行監測預警這一新型技術手段[1]的主力設備。邊坡雷達系統先以近毫米級精度，利用其發射的雷達波對露天礦的邊坡巖體進行連續、反復的測量掃描；然后通過計算機上復雜的算法，將掃描結果與之前獲得的掃描數據進行比較，測量這2次的相位差，將其轉換為相對位移的變化，從而確定邊坡面的位移程度[2]。隨后通過軟件MSRViewer將測量數據進行比較分析，從而確定邊坡巖體的速度及加速度變化情況，利用速度倒數的曲線推算出滑坡的時間節點，并將其圖形呈現于計算機上，從而起到超前預警的作用。

真實孔徑邊坡雷達通過連續地測量掃描會形成一個露天礦邊坡巖體的位移變化數據庫，軟件通過分析數據，顯示出邊坡巖體的實時變形速度，當速度變化超過設定的臨界閾值時，邊坡雷達就會發出報警，這時要通知坑下設備及作業人員進行撤離，來確保采場生產安全[3]。這套系統可展示并監視巖壁的運動過程。由于軟件使用了獨家方法跟蹤監視對象的形變，能夠很好的協助礦方優化安全與生產，同時避免了安全風險[4]。地質工程的風險管理可基于MSR獲取的數據得到改善，因而使用MSR技術可以大大地增加安全性。邊坡雷達對邊坡巖體進行掃描的過程中把相鄰2次掃描的測量數據進行比較，如果有相位變化就說明邊坡巖體發生了位移變化，如圖1所示。

圖1 邊坡雷達兩次掃描的相位變化

2 邊坡雷達報警值的選擇依據

可靠的監測預警機制將提前發出滑坡提示，并提供充足的時間使人員及設備撤離問題區域。目前，邊坡雷達的監測預警機制是基于用戶自定義設定的報警值預先發出警告，即當滑坡變形達到預先設定的報警值時，將觸發雷達報警。因此，邊坡雷達監測預警機制的有效性取決于合理的報警值的選擇。

大量的滑坡實例監測資料表明，滑坡從出現變形到最終失穩破壞，一般需經歷減速變形、等速變形和加速變形3個階段，其典型滑坡累積位移—時間曲線如圖2所示。

圖2 典型滑坡累積位移—時間曲線

由圖2可知，減速變形階段表現為邊坡減速變化的特點，滑坡累積位移—時間曲線呈現斜率不斷減小的拋物線形態，該階段存在時間非常短；等速變形階段表現為邊坡等速變化的特點，滑坡累積位移—時間曲線呈現斜率恒定的直線形態，即此時速度為零或恒定值，該階段存在時間最長；加速變形階段表現為邊坡加速變化的特點，滑坡累積位移—時間曲線呈現斜率不斷增大的拋物線形態，最終失穩破壞。利用加速變形階段邊坡變形速度不斷增大的特點，并通過選擇合理的速度報警值，邊坡雷達可作出較為準確的滑坡預警。

3 滑坡時間預測原理

同樣，通過如圖3所示的滑坡累積位移—時間曲線可以看出，滑坡發生的時間應在加速變形階段的后期，因此，邊坡雷達觸發設定的報警后，技術人員首先應根據監測數據判斷邊坡表面是否保持持續變形狀態；其次，若變形持續增大，說明邊坡變形已經進入加速變形階段，急需進行滑坡時間預測。

圖3 變形區域位移曲線

邊坡雷達通過邊坡變形速度的倒數曲線來對滑坡時間進行預測。其原理：當邊坡變形進入加速變形階段時，隨著邊坡變形的加速，速度不斷增大，速度的倒數不斷減小，直到滑坡時無限趨近于零。研究表明，由于這種趨勢是相對線性的，因此，通過擬合穿過圖像點的直線，找出時間軸的截距，可準確估算滑坡發生的時間。

圖4顯示的估計值中，預測時間與滑坡實際發生的時間僅相差45 min。根據速度倒數曲線的最后一部分繪制直線，直線的延長線會與時間軸有一個交點，軟件自動添加注解，顯示交點的時間值，這個時間即為將要發生滑坡時間(2008年12月1日12∶33)。

圖4 變形區域速度倒數曲線預測滑坡時間

4 邊坡雷達的案例分析

某露天礦經過地質勘查發現，礦區臺階錯落沉陷,斷裂構造發育,南幫邊坡巖體破碎嚴重,多呈碎裂塊狀結構,形成滑坡松散體,存在一系列張拉裂縫,易發生沿此節理面的滑坡。

該露天礦臨近設計開采年限，南幫邊坡曾于2005年、2007年、2010年分別在75～-90 m、-40～-75 m和-120～-135 m邊坡段出現開裂下沉現象,常規的擴幫作業可能引發邊坡失穩,導致滑坡等地質災害事故,從而危及人員、設備安全[5]。為準確掌握這一區域邊坡巖體的實際變形情況做到提前預警，達到及時撤離人員和設備的目的，該露天礦決定采用MSR真實孔徑邊坡雷達監測預警技術，對采場進行實時動態監測。為采場提供安全保障，確保順利生產并完成生產任務。

邊坡雷達系統布置在該礦北幫+30 m平臺位置，實時監測南幫整體區域，根據雷達數據顯示，9月20日—9月29日期間，南幫-40～-75 m區域邊坡位移持續加大，雷達監測云圖如圖5所示。該區域變形數據通過軟件MSRViewer分析后得到監測位移及速度曲線如圖6、圖7所示。

圖5 雷達監測云圖

圖6 雷達監測位移曲線

圖7 雷達監測速度曲線

4.1 觀察位移曲線

如圖6可知：

(1)a階段滑坡區域位移呈現緩慢增大趨勢，累計位移量為30 mm。

(2)b階段滑坡區域位移呈現加速變形趨勢，累計位移量為70 mm。

(3)c階段滑坡區域位移曲線呈現斜率變大，加速度變形趨勢，累計位移量為136 mm。

4.2 觀察速度曲線

如圖7可知：

(1)a階段該區域速度呈現等速變形趨勢，維持在0.32 mm/h左右變化。

(2)b～c階段該區域速度有所增加，從0.32 mm/h增大到1.62 mm/h。

(3)d階段該區域速度呈現加速變形趨勢，從1.62 mm/h增加到6.26 mm/h。

4.3 預警情況及分析

從數據曲線可以看出，從b階段開始，滑坡區域的速度曲線出現加速變化。技術人員經過分析判斷后，確認此變形區域的邊坡變形是真實的，非采掘作業影響，存在滑坡風險。技術人員確認以后，向應急指揮調度中心匯報監測預警情況及變形區域位置和位移、速度等信息。在得到技術指示后，立即發出了臨滑預警指令，并通過礦調度室通知坑下作業人員及設備進行緊急撤離。

在臨滑預警指令發出13 h 27 min后，即9月30日5∶50該預警區域的邊坡發生了片幫，最終在6:05形成了一次較大規模滑坡后結束。此次滑坡共持續了15 min，滑坡時位移量為136 mm，速度值為6.26 mm/h，面積約1 800 m2。從此次滑坡開始到結束邊坡雷達一直保持實時監測狀態，在9月30日21∶00邊坡雷達顯示此區域的速度曲線逐漸歸零，技術人員在22∶00解除了臨滑預警指令。

本次滑坡主要原因是南幫作業區爆破所引起，爆破日期分別為9月21日、9月22日、9月26日、9月27日，且藥量較大(單次10 t以上)。直接原因是9月27日以來的連續強降雨，降雨量達到近280 mm，加大了邊坡負載，導致變形加速，發生了滑坡。本次滑坡共撤離挖機3臺，鉆機1臺，自卸汽車21臺，作業工人36人，挽回估算經濟損失3 000萬元。

5 結 論

(1)通過此次滑坡案例分析可以看出，邊坡雷達利用自身優勢，可以布設到指定位置投入運行，對露天礦的邊坡進行實時監測預警。驗證了真實孔徑邊坡雷達以超高精度預警、掃描周期短、獲取邊坡變形數據快、超前精準預報邊坡變形的能力。

(2)邊坡雷達在監測預警過程中，應該重點觀察監測區域的位移曲線、速度曲線，設置多級預警級別，實時跟蹤監測變形曲線的變化趨勢，當觸發預警閾值時，經技術分析確認后，立即匯報指揮中心，發出臨滑預警指令，按不同預警級別執行不同預警方案，最終確保礦區內人員及財產安全。

(3)真實孔徑雷達在邊坡穩定性監測這一領域提供了新的監測模式，不僅可以根據雷達測量的數據來調整采掘方案和爆破方法，也可為類似礦山邊坡監測提供技術參數。在露天礦山的邊坡穩定性研究方面，邊坡雷達也可以提供技術支持。

(4)通過對MSR邊坡雷達的應用，表明該雷達是一種性能穩定，并且能做到24 h實時監測的現代化邊坡監測技術。它幾乎不受雨水、塵埃的影響，不僅適應人工邊坡的監測，更適合用于金屬礦山的邊坡監測。邊坡雷達監測預警能夠有效避免了財產損失，可以保證露天礦山的安全生產及經濟效益。