合成孔徑邊坡雷達(dá)在南露天煤礦的應(yīng)用

丁 輝 李千慧 孫有剛

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；4.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司南露天煤礦）

露天礦山采場(chǎng)和排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，一直是專家學(xué)者研究的重點(diǎn)課題［1-3］，邊坡巖土體在爆破、地震、降雨和人工活動(dòng)影響下，很容易發(fā)生滑坡，加強(qiáng)大范圍邊坡表面位移的監(jiān)測(cè)并及時(shí)預(yù)警至關(guān)重要，眾多學(xué)者對(duì)邊坡滑坡預(yù)警進(jìn)行了深入研究［4-7］。2000 年，意大利研究小組首次應(yīng)用合成孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)邊坡表面位移。經(jīng)過(guò)多年的不斷實(shí)踐和發(fā)展，現(xiàn)國(guó)外合成孔徑邊坡雷達(dá)主要有意大利IDS公司研發(fā)的IBIS（Image by Interferometric Survey）雷達(dá)和歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心研發(fā)的Linear SAR雷達(dá)等，國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)的礦山邊坡合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和內(nèi)蒙古方向圖科技有限公司研發(fā)的微變監(jiān)測(cè)合成孔徑雷達(dá)。

南露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市霍林郭勒市境內(nèi)，始建于1981年6月，核定年生產(chǎn)能力為1 800萬(wàn)t。露天礦邊坡地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有多個(gè)斷層，巖性變化較大，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且與地表水聯(lián)系密切。該礦采礦作業(yè)強(qiáng)度高，是典型的多采場(chǎng)、多排土場(chǎng)的露天礦，隨著不斷地開采作業(yè)和內(nèi)排，西幫邊坡的高度差不斷加大，導(dǎo)致西幫邊坡面臨滑坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要對(duì)西幫邊坡進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的GNSS監(jiān)測(cè)等手段是點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)，不能滿足大范圍邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。合成孔徑邊坡雷達(dá)是一種高分辨率成像雷達(dá)，分辨率強(qiáng)、精度高、掃描范圍大，全天候掃描，不受雨雪等惡劣天氣的影響，以礦山地質(zhì)圖作為底圖，能夠非常清晰地監(jiān)測(cè)邊坡表面位移變化情況，在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用［8-11］。在南露天礦應(yīng)用合成孔徑邊坡雷達(dá)技術(shù)，通過(guò)對(duì)西幫邊坡位移變化情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，為礦山提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提前預(yù)報(bào)預(yù)警可能的滑坡災(zāi)害。

1 工程概況

南露天礦西幫處于向斜構(gòu)造之上，地勢(shì)西南高、東北低，富含多個(gè)斷層構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。巖性整體較弱，受凍融影響、人工采礦活動(dòng)和內(nèi)排土場(chǎng)的不斷加高等影響，邊坡穩(wěn)定性較差。由于不穩(wěn)定邊坡范圍較大，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式很難整體上監(jiān)控西幫邊坡變形情況，而合成孔徑雷達(dá)技術(shù)完全符合礦山西幫邊坡監(jiān)測(cè)的需求。

合成孔徑雷達(dá)布置于東幫，掃描西幫二號(hào)檢修地、西二排復(fù)合邊坡和南區(qū)西端幫等重點(diǎn)區(qū)域，如圖1所示。

2 合成孔徑邊坡雷達(dá)

2.1 雷達(dá)監(jiān)測(cè)原理

合成孔徑雷達(dá)向邊坡目標(biāo)發(fā)射電磁波，通過(guò)接收回波信號(hào)提取數(shù)據(jù)，獲取雷達(dá)到監(jiān)測(cè)目標(biāo)的距離。應(yīng)用步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和差分干涉技術(shù)，分別獲得最小分辨單元的距離向分辨率、方位向分辨率和位移變化值。

步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)是指雷達(dá)的工作頻率會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生周期性的變化，一般都以均勻步長(zhǎng)進(jìn)行線性變化，每個(gè)頻率點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間相同。步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)可以獲取窄脈沖信號(hào)，提高距離分辨率。南露天礦合成孔徑雷達(dá)電磁波帶寬為0.5 GHz，距離分辨率可達(dá)0.3 m。

其距離向分辨率公式為

式中，R為距離向分辨率，m；c為光速，m/s；B為電磁波帶寬，Hz。

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)是指應(yīng)用一個(gè)較小的真實(shí)天線沿長(zhǎng)線陣運(yùn)動(dòng)，在不同位置上發(fā)射相參信號(hào)，并接收回波信號(hào)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，合成一個(gè)等效的大孔徑天線信號(hào)，提高方位向分辨率。礦山應(yīng)用的合成孔徑雷達(dá)方位向分辨率可達(dá)5.4 mrad。

其方位向分辨率為

式中，α為方位向分辨率，rad；λ為波長(zhǎng)，m；L為雷達(dá)軌道長(zhǎng)度，m。

合成孔徑雷達(dá)距離向和方位向分辨率示意圖如圖2所示。邊坡目標(biāo)被分割成若干小單元。

差分干涉技術(shù)是指合成孔徑雷達(dá)在完成2次或2次以上掃描時(shí)，通過(guò)對(duì)比每個(gè)單元格中2次或者多次回波信息的相位差，獲取單元格的形變位移值，精度可達(dá)0.1 mm。

數(shù)據(jù)的處理流程：原始影像獲取—聚焦成像—點(diǎn)目標(biāo)提取—相位解繞—大氣校正—干涉處理—變形分析等。

將每個(gè)單元格的位移—時(shí)間變化結(jié)合起來(lái)即可獲得監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的位移云圖，再結(jié)合礦山地質(zhì)底圖，可直觀地實(shí)時(shí)監(jiān)控邊坡位移—時(shí)間變化情況，如圖3所示。

2.2 預(yù)警設(shè)置

受到重力影響，斜坡巖土體位移—時(shí)間曲線具有初始變形—?jiǎng)蛩僮冃巍铀僮冃稳A段演化特征。初始變形階段，邊坡體產(chǎn)生微裂隙，位移變形曲線表現(xiàn)為較大的斜率，變形速度較大，隨著時(shí)間的推移，變形速度逐漸減緩趨于正常狀態(tài)。勻速變形階段，變形曲線斜率近乎不變，位移變化近似于勻速變化。在加速變形階段，當(dāng)變形達(dá)到一定程度，位移曲線斜率表現(xiàn)為不斷加大、變形速度不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，直至滑坡失穩(wěn)。加速階段一般又分為初加速階段、中加速階段和臨滑階段。

合成孔徑雷達(dá)根據(jù)在南露天礦的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)置藍(lán)、黃、橙、紅四級(jí)預(yù)警閾值，為確保可能的滑坡不漏報(bào)，特將四級(jí)預(yù)警閾值設(shè)置相對(duì)較小值。如表1所示，當(dāng)變形速度達(dá)到0.5 mm/h 時(shí)，邊坡對(duì)應(yīng)位置可能有裂縫開裂或裂縫已經(jīng)開裂，此時(shí)為藍(lán)色預(yù)警，需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視；當(dāng)變形速度達(dá)到1 mm/h 時(shí)，裂縫可能已經(jīng)擴(kuò)展甚至貫通，此時(shí)為黃色預(yù)警，需增加現(xiàn)場(chǎng)巡視的頻率；當(dāng)變形速度達(dá)到1.5 mm/h 時(shí)，裂縫可能已經(jīng)貫通甚至迅速變化拉開，此時(shí)為橙色預(yù)警，必要時(shí)停止作業(yè)；當(dāng)變形速度達(dá)到2 mm/h 時(shí)，裂縫可能已經(jīng)拉開甚至發(fā)生下錯(cuò)，此時(shí)為紅色預(yù)警，需停止作業(yè)，及時(shí)撤離人員設(shè)備并拉起警戒線。

2.3 雷達(dá)組成

南露天煤礦采用內(nèi)蒙古方向圖科技有限公司研發(fā)的微變監(jiān)測(cè)雷達(dá)對(duì)采場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)。主要包括導(dǎo)軌系統(tǒng)、雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)和總控系統(tǒng)，如圖4 所示。雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)主要功能是發(fā)射和接收電磁波，收發(fā)系統(tǒng)在導(dǎo)軌上水平運(yùn)動(dòng)，總控系統(tǒng)控制收發(fā)系統(tǒng)的移動(dòng)并接收采集的信號(hào)數(shù)據(jù)。

安裝時(shí)首先固定好導(dǎo)軌系統(tǒng)并調(diào)平，組裝總控系統(tǒng)并安裝控制軟件，安裝總控和導(dǎo)軌系統(tǒng)連接線，啟動(dòng)總控軟件開始掃描。收發(fā)系統(tǒng)將沿著導(dǎo)軌系統(tǒng)單向運(yùn)動(dòng)，發(fā)射電磁波并接收回波，完成一次掃描后，收發(fā)系統(tǒng)將自動(dòng)回歸原位并進(jìn)行下一次掃描。掃描的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在總控電腦硬盤，通過(guò)4G 物流卡網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至總部數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端查看解析的邊坡位移云圖數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

南露天礦西幫二號(hào)檢修地860 m 平盤于2021 年4 月7 日發(fā)生小規(guī)模片幫，長(zhǎng)度約40 m，高度約20 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，860 m 平臺(tái)東側(cè)裂縫貫通，整體往836 m平臺(tái)錯(cuò)動(dòng)，如圖5所示。

二號(hào)檢修地片幫區(qū)域選取邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)，變形位移和速度曲線如圖6 所示。4 月7 日14 時(shí)變形速度為1.8 mm/h，觸發(fā)橙色預(yù)警，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，通知現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)車輛人員避開該區(qū)域，并組織人員現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生并不斷擴(kuò)展。至16 時(shí)速度有所減慢，并減小至0.8 mm/h，16～22 時(shí)，變形速度不斷加大，從0.8 mm/h 增大至4 mm/h，觸發(fā)紅色報(bào)警，夜間禁止車輛從報(bào)警區(qū)域經(jīng)過(guò)。22時(shí)至次日0時(shí)，變形速度達(dá)到最大值10 mm/h，發(fā)生滑坡。直至8 日1時(shí)左右，速度逐漸減小并穩(wěn)定在1 mm/h 以下，滑坡趨于穩(wěn)定。從7 日16—20 時(shí)為勻速變形階段，位移不斷增大，變形速度幾乎勻速，裂縫不斷增長(zhǎng)。7 日20時(shí)—8日0時(shí)為加速變形階段，速度急速增長(zhǎng)，裂縫貫通，滑體失穩(wěn)發(fā)生片幫，從勻速變形至滑坡歷時(shí)8 h。

合成孔徑雷達(dá)在西幫二號(hào)檢修地位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中，預(yù)警位移曲線變化與實(shí)際片幫災(zāi)害過(guò)程相符，成功預(yù)測(cè)本次片幫災(zāi)害，給礦方管理人員充足時(shí)間啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，及時(shí)撤離人員和設(shè)備，避免造成更大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

4 結(jié)論

（1）本次滑坡實(shí)例表明，在邊坡滑坡臨滑前，勻速變形階段和加速變形階段雷達(dá)監(jiān)測(cè)位移變化明顯，在邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中注重變形階段判斷，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警滑坡災(zāi)害具有重要意義。

（2）合成孔徑雷達(dá)其遠(yuǎn)距離、無(wú)接觸、全天候、大范圍、高精度監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的露天礦邊坡監(jiān)測(cè)，操作簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確，在滑坡短期臨滑預(yù)報(bào)的應(yīng)用中，能夠較好地監(jiān)測(cè)滑坡過(guò)程，對(duì)及時(shí)預(yù)警災(zāi)害提供數(shù)據(jù)支撐，避免造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)損失，保障人員安全。