邊坡雷達在露天礦山高陡邊坡監測預警中的應用

鄧紹剛，王少杰

（ 1.攀鋼集團礦業有限公司，四川 攀枝花 617000；2.中國礦業大學（北京），北京 100083 ）

0 引言

在礦產資源開采中，露天礦山邊坡在露天礦采場或其周邊，因采礦作業形成的人工邊坡和對礦山安全有影響的自然邊坡[1]。隨著礦山開采活動向深部推進，礦山總邊坡高度逐年增加，在形成永久靠幫邊坡后，裸露邊坡受物理、化學、生物風化等外力作用下，邊坡原有的巖體結構經年累月受到侵蝕、應力重構，形成新的穩定體[2]。尤其是大型露天礦山服務年限長，開采強度大、受爆破震動影響更頻繁、烈度更大，風化程度更為嚴重，而且邊坡下方作業設備、人員密集[3]。一旦發生滑坡，將直接威脅生產人員的安全，對人民財產造成極大損失。

因此，對露天礦山高陡邊坡穩定性的關鍵可測參數進行在線監測，對重點區域進行日變形量、時變形量、時變形速率等分析，及時研判邊坡變形趨勢，分析邊坡穩定性情況，對邊坡垮塌、滑坡進行預警預報，防止出現人員傷亡和嚴重經濟損失的情況。目前，邊坡的穩定性監測已成為露天礦山邊坡管理的重要內容。

1 邊坡雷達基本原理及預警方法

1.1 邊坡雷達基本原理

邊坡雷達是基于地基的合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)監測技術，是20 世紀60 年代末發展起來的先進探測系統，可實現全天時、全天候的實時在線監測，具有遠距離、高分辨率成像功能[4]。SAR 通過脈沖壓縮技術來獲得高的距離向分辨率，利用雷達和觀測目標間的相對運動形成合成孔徑，獲得方位高分辨率，并將同一目標區域，不同時間獲取的序列二維高分辨率圖像結合起來，利用圖像中各像素點的相位差反演，以此獲得被測區域的高精度形變信息。

1.2 預警方法和思路

基于邊坡雷達的基本原理，將合成孔徑雷達監測技術用于礦山邊坡的監測和預警，可以獲得被測邊坡全表面的整體變形發展規律，可以為分析研究邊坡穩定性，及時進行滑坡預警提供先進的技術手段[5]。對于實際滑坡災害事故防治工作來說，只有形成一定規模的局部或整體性邊坡破壞，才是邊坡動力災害或事故防范的重點，也就是在實際工程應用意義上，只有超過一定范圍的邊坡變形區域，才可能是滑坡事故或災害的關鍵變形區域。

圖1 邊坡雷達監測位移云圖

基于邊坡雷達監測的基本原理，邊坡雷達獲得的監測結果是覆蓋范圍內邊坡表面的變形發展情況，如圖1 所示。通過記錄邊坡變形的發展變化信息，為分析穩定區域的發展變化，確定不穩定區域的規模等提供了可測可析的數據支持。在關鍵變形信息的分析中，將變形面積作為預警的指標之一，用以反映邊坡不穩定區域的規模。

由于雷達監測的點數量在百萬級，存在個別雜點屬于數據異常值的可能，僅僅設置變形速度閾值，有可能因為這些異常值而產生誤報。采用面積加速率的雙指標滑坡預警的解決方法，通過設置面積閾值，結合變形速率進行滑坡的預警預報，在其實際意義和準確性上，更具有實用價值。

2 工程基本情況

朱家包包鐵礦采場位于四川省西北高原南緣，金沙江北岸，是攀鋼礦石原料主要供應基地，自1971 年建成投產以來已有40 余年的開采歷史。作為年產鐵礦石1 500 萬t 的特大型露天開采礦山，朱家包包鐵礦邊坡具有邊坡高度高、長度大、暴露時間長、巖石風化強烈、巖性復雜、斷層、節理發育等特點。

采場長約4 000 m，寬約1 100 m，面積約4.4 km2。臺階寬約3.5 ～48 m、高度約12 ～46 m 之間；最高邊坡達637 m，最終邊坡角達44.5。。巖性主要分布有粗粒輝長巖組(ω4)、細粒輝長巖組(ω3+5)和鐵礦體（Fe）。

礦區監測區域主要為多級臺階構成的人工邊坡，目前臺階寬約3.5 ～48 m 之間、高度約12 ～46 m 之間；1 505 m 以下為人工邊坡，1 505 m 以上為自然邊坡，根據礦山開采設計，采場最終露天底為1 000 m，采場邊坡最終將形成超過500 m 的超高人工邊坡。礦區地勢整體由北西向南東傾斜，西北高而東南低，最高處為大黑山，最低處為金沙江，高差近1 600 m，地形地貌受巖性及構造控制，山脈多呈NE ～SW 向展布，高山峻嶺、沖溝發育、谷坡陡峻，屬于構造斷塊剝蝕高、中山區地貌。目前礦山已進入深凹露采階段，高陡的邊坡制約著采場的生產能力，威脅著人員設備的安全。

目前，礦山在采礦區范圍已經形成一個長約4 000 m、寬約850 m 的露天采場。其中，最高邊坡為營盤山邊坡，已達到607 m（最高標高為1 862 m，目前該區1 255 m 臺階已靠幫），最低邊坡為1 290 m 礦倉正下方邊坡，目前邊坡高度95 m（最高標高為1 290 m，目前該區1 195 m 臺階已靠幫）。

自建礦以來，朱家包包鐵礦邊坡曾多次發生過滑坡，僅2015 年朱家包包鐵礦邊坡就發生了6 處滑坡，2017—2018 年監測區域東山頭處發生2 次滑坡。位于朱礦采場東山頭1 225 ～1 460 m，構成本段邊坡的地層，如圖2 所示。

2015 年8 月采場邊坡發生滑動，破壞了紅旗坡1 360 m 公路以及采場中部排洪系統東山頭1 330 m 平臺的截洪溝，同時導致滑體下方的二氧化鈦（TiO2）品位較低的礦石無法開采（產品為釩鈦磁鐵礦，下一步工序要產出鈦和釩，滑坡會導致想采的礦無法采，繼而影響配礦），不能參與配礦，為降鈦穩鈦增加了難度。因此，開展邊坡的監測和預警工作對于保證礦山安全開采和穩定生產具有重要意義。

圖2 朱家包包鐵礦東山頭滑坡區域示意圖

3 監測設計及數據分析

為防范滑坡造成生命財產和經濟損失，企業引進雷達在線監測系統，通過對滑坡災害高發區域進行在線實時監測，提前預警預報，為安全生產工作提供決策依據。

3.1 雷達布置

采場邊坡布設的雷達型號為S-SAR-I 長軌道雷達，雷達正對不穩定邊坡，距離約為1 500 m，橫向覆蓋角度為28。，覆蓋范圍寬度約為747 m；縱向覆蓋角度為18。，覆蓋范圍高度約為474 m。根據以上計算結果將雷達參數設置如下：觀測近距為300 m，觀測遠距為2 200 m，雷達運行間隔30 min，監測精度為0.1 mm，現已實現對重點監測區域全部覆蓋。雷達監測變形的正負代表變形的方向，雷達監測點位選址示意圖如圖3所示。

3.2 雷達技術參數

雷達距離待測邊坡距離約為1 500 m，雷達橫向覆蓋角度為28。，經過初步測算，橫向可覆蓋范圍寬度約為747 m；縱向覆蓋角度為18。，經過初步測算縱向可覆蓋范圍高度約為474 m。已將重點監測區域全部覆蓋。表1 為部署的邊坡雷達的主要技術參數。

3.3 預警值設計

在預警值的設計上，以上述面積加速率的雙指標進行預警。其中，面積預警值應于實際工程可以接受的變形面積進行設置，本項目設置為20 m2，速率預警值以歷史監測數據進行設置并隨時進行優化。

3.3.1.堅硬巖

圖3 邊坡雷達選址示意圖

表1 邊坡雷達主要技術參數

露天采場東幫南部邊坡滑坡嚴重，S-SAR 雷達布置在采坑西幫對東幫區域進行監測。在監測到第6 天時邊坡的變形速度達到6.5 mm/h，隨后邊坡發生滑坡。據此將邊坡變形的紅色預警值初步設置為6.5 mm/h，黃色預警值較紅色預警值小2 mm/h，為4.5 mm/h，確保變形達到垮塌前能有一定的安全儲備。

3.3.2.松散巖

為了及時預報極端降雨天氣條件下的軟基移動，采用S-SAR 雷達對松散巖體進行了為期1 年的監測。紅色預警值設置為位移量9 mm/h。2017 年5 月上旬發布紅色預警信息后3 天，發生局部滑塌，滑體體積約2 000 m3。

雷達監測采場區域為礦區采場的東部邊坡，該區域巖體表面有一定程度的風化，但風化程度不高。另外，雷達監測區域的老滑坡位置正對雷達的監測方向，坡面與雷達監測方向基本成90。角相交。該邊坡整體上介于堅硬巖和松散巖之間，預警值設置為：

（1）黃色預警值：位移量每小時不超過6 mm；每天不超過72 mm；每周不超過252 mm。

（2）紅色預警值：位移量每小時不超過8 mm；每天不超過96 mm；每周不超過336 mm。

3.4 在線監測數據分析

2018 年5 月24 日，雷達監測范圍內發現地面出現較大裂縫，裂縫沿坡面走向延展，長度為幾米到十幾米不等，裂縫寬度主要集中在3 cm 以下。5 月25 日，預警軟件發出聲光報警、短信報警。邊坡于5 月27 日上午2 時左右臺階1 225-1 285 發生滑坡。如圖4 所示為5月24 日觀測到的現場裂縫照片。

分析雷達的在線監測數據，在觸發滑坡預警區域內的形變曲線來研究監測區域內坡體的變形特征。如圖5所示為重點監測區域雷達形變分析圖，通過分析可直接獲得該區域的變形—時間曲線。

圖4 現場裂縫

圖5 重點監測區域

從邊坡雷達監測曲線成果圖中，獲取觸發預警前的監測數據曲線圖，可發現坡體上所選標識點的曲線隨時間的增加變形量不斷增加，說明坡體加速變形。將速度倒數法[6]應用于雷達監測數據加速變形階段的數據分析，分析臨滑階段數據并用直線進行擬合，令，則。擬合后的直線如圖6 所示。

圖6 擬合后的直線

根據速度倒數法的物理意義，臨滑階段速度急速增加，當滑前瞬間速度趨近于無限大，速度倒數快速趨近于零，此時，直線與時間軸的交點即為滑坡時間。通過上述擬合公式分析知，預測滑坡時間為5 月27 日0 時41 分，實際滑坡時間為5 月27 日01 時54 分，前后相差1 時13 分。

4 結論

在我國礦山安全生產工作中，露天礦山邊坡失穩已經是影響礦山安全生產的關鍵環節，近年來，地基合成孔徑雷達已廣泛應用于地表微變形監測領域和礦山滑坡預警，并取得顯著成效，本文基于地基合成孔徑雷達在露天礦山的應用研究，得出以下結論：

（1）邊坡雷達是與傳統點接觸式監測手段不同的遙感監測手段，可以通過遠距離無接觸的方式獲取被測目標的變形和規模發展變化等關鍵信息，是適用于礦山邊坡工程的監測手段。

（2）對于邊坡雷達監測數據，采用面積加速率的雙指標的預警方法，對于減少預警誤報，提高預警的準確性和實用性，具有重要的作用。

（3）對于發出預警的危險區域，通過分析該區域的形變—時間或速度—時間曲線，并采用速度倒數法，可以較為準確地預測滑坡發生的時間。

（4）有關邊坡的監測預警值設定，主要與邊坡巖性特征、坡度、高度有關。邊坡的巖性越好預警值越小，邊坡的坡度越大預警值越小。預警值設置應科學合理，能有效預警預報，為決策提供依據。