HC-GBSAR合成孔徑雷達(dá)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在研山鐵礦高陡露天邊坡的應(yīng)用

呂 斌 于世杰 張洪宇 楊 剛 王月軍

（河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司）

隨著露天礦坑不斷向下延伸，邊坡體逐漸高陡，滑坡風(fēng)險(xiǎn)日益增大。當(dāng)受降雨或地表水浸潤(rùn)，更易發(fā)生滑坡、泥石流等災(zāi)害，對(duì)人員、設(shè)備及礦山安全生產(chǎn)存在重大威脅。對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)及建立預(yù)警機(jī)制是避免產(chǎn)生滑坡事故的重要舉措。當(dāng)前人工監(jiān)測(cè)、GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和光纖監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)方法智能化程度較低，一定程度上不能全面監(jiān)測(cè)并反映露天采場(chǎng)邊坡的實(shí)時(shí)變化。合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種新型的智能在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警手段，可遠(yuǎn)程多方式智能操作、三維顯示、大范圍監(jiān)測(cè)、0.1 mm級(jí)監(jiān)測(cè)等，所以此技術(shù)可以應(yīng)用在高陡露天礦山邊坡智能化監(jiān)測(cè)中。

為了更加準(zhǔn)確地驗(yàn)證新型邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的精度，在司家營(yíng)研山鐵礦露天礦山采場(chǎng)東幫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)預(yù)警試驗(yàn)和初步應(yīng)用，有效地填補(bǔ)了司家營(yíng)研山露天礦在智能化邊坡監(jiān)測(cè)上的不足。

1 工程概況

1.1 礦山基本情況

司家營(yíng)研山鐵礦隸屬河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，位于河北省唐山市灤州市響嘡街道東側(cè)約150 m處的構(gòu)造剝蝕殘丘與灤河山前沖洪積扇傾斜平原交界部位。司家營(yíng)研山鐵礦露天采場(chǎng)西北距離灤州市區(qū)直線距離約為4.0 km（公路里程約為6.0 km），露天采場(chǎng)采用由上向下的多臺(tái)階方式逐層開(kāi)采，礦山屬大型凹陷露天礦，采場(chǎng)設(shè)計(jì)封閉圈為+30 m水平，目前采場(chǎng)已開(kāi)采至-247 m水平。露天采場(chǎng)南北向長(zhǎng)約1 660 m、東西向長(zhǎng)約1 500 m，采場(chǎng)東邊幫現(xiàn)狀邊坡最大長(zhǎng)度約為1 015 m，現(xiàn)狀邊坡高度為204.39～246.29 m［1-2］。

1.2 礦山地質(zhì)

東幫邊坡頂部和上部為土質(zhì)邊坡，第四系表土沖積層較厚，為40～70 m，土層具一定層序性（層理近水平），主要由第四系粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂和卵石層組成，砂、土互層特征明顯。下部為傾向近似西的順傾巖質(zhì)邊坡，巖體傾角為40°～60°，基巖巖性主要為石英砂巖、黑云變粒巖、混合巖化黑云變粒巖和白云母片巖。局部巖體風(fēng)化破碎較嚴(yán)重，存在順層層理面和垂直裂隙，且東邊幫巖體普遍存在順層層理結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，局部風(fēng)化嚴(yán)重，存在裂隙水發(fā)育情況，個(gè)別區(qū)段難以保證邊坡穩(wěn)定，從而嚴(yán)重影響采場(chǎng)作業(yè)人員和設(shè)備安全。且近幾年來(lái)東幫發(fā)生較明顯滑坡4次，而采場(chǎng)之前的邊坡監(jiān)測(cè)手段較單一，且監(jiān)測(cè)區(qū)域面積較小等，如若在現(xiàn)有盲區(qū)區(qū)段邊幫存在滑坡或滑坡傾向時(shí)，將嚴(yán)重影響采場(chǎng)的生產(chǎn)和人身安全。基于以上原因，決定對(duì)采場(chǎng)東幫建立合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并進(jìn)一步應(yīng)用［3］。

2 合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理及主要裝置

2.1 合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

HC-GBSAR合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理是利用一種很小的實(shí)物天線的運(yùn)動(dòng)來(lái)等效構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)天線，這樣就可以在雷達(dá)天線發(fā)射的運(yùn)動(dòng)方向上獲得一個(gè)同等效果的大天線孔徑（簡(jiǎn)稱合成孔徑）［4］，雷達(dá)通過(guò)這種方式運(yùn)行，對(duì)目標(biāo)的分辨率將有所提高。

2.2 合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)工作原理

首先，通過(guò)相位差分干涉處理提取相位變化信息，實(shí)現(xiàn)形變反演。相鄰2次形變點(diǎn)位的最大形變分辨能力是4.5 mm。然后利用PS點(diǎn)補(bǔ)償環(huán)境誤差和系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高精度的連續(xù)形變測(cè)量。地基SAR不存在空間基線，差分干涉處理時(shí)，并不需要去平地效應(yīng)和去地形。真實(shí)的雷達(dá)圖像干涉結(jié)果包括了大氣、軌道、噪聲等誤差。采用基于動(dòng)態(tài)PS點(diǎn)的永久性散射體技術(shù)建模去除各項(xiàng)誤差，獲取高精度形變［5-6］。合成孔徑雷達(dá)原理如圖1所示。

2.3 合成孔徑雷達(dá)設(shè)備構(gòu)造

合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由雷達(dá)主機(jī)、固定雷達(dá)主機(jī)的底座、位移臺(tái)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)備以及高集成度控制機(jī)柜構(gòu)成（圖2），其中雷達(dá)主機(jī)是此監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要采集裝置，用于發(fā)射、回收雷達(dá)信號(hào)，具有防水功能；俯仰臺(tái)是固定雷達(dá)主機(jī)的底座，可根據(jù)采場(chǎng)地質(zhì)情況和被觀測(cè)區(qū)域需求，隨時(shí)調(diào)整角度采集數(shù)據(jù)；位移臺(tái)是雷達(dá)主機(jī)監(jiān)測(cè)邊坡時(shí)的移動(dòng)導(dǎo)軌，和鏈軌相連接，便捷易安裝；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)雷達(dá)收集的信號(hào)，自主生成DEM模型數(shù)據(jù)，具有智能化預(yù)警分析、處理、展示功能；高集成度控制機(jī)柜存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果等通過(guò)有線或無(wú)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備上。

3 合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇

合成孔雷達(dá)監(jiān)測(cè)在應(yīng)用時(shí)最重要的就是對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置選址。一般情況下應(yīng)選擇在完成永久靠界的某個(gè)區(qū)域上方，同時(shí)該區(qū)域的地質(zhì)條件比較穩(wěn)定，能夠長(zhǎng)期用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。

雷達(dá)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的初衷是加強(qiáng)對(duì)東幫采場(chǎng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，要保障雷達(dá)布置位置場(chǎng)地的安全性、穩(wěn)定性，保障雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置后可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。所以，選擇采場(chǎng)西幫臨近變電站的位置進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)解決了雷達(dá)房的電源問(wèn)題，有效保障了電力的持續(xù)供應(yīng)。觀測(cè)點(diǎn)距采場(chǎng)各位置的信息見(jiàn)表1。

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3.2 精度測(cè)試

為了驗(yàn)證合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度是否符合設(shè)計(jì)的0.1 mm監(jiān)測(cè)數(shù)值，利用千分尺，每次移動(dòng)1 mm；分別在0，1，2 mm位置各測(cè)試15軌數(shù)據(jù)；目標(biāo)距離約30 m。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

為更加精準(zhǔn)地驗(yàn)證雷達(dá)監(jiān)測(cè)的精度，分別以3次數(shù)據(jù)的平均值和每次移動(dòng)的距離即表2的真值相比較，并通過(guò)均方根值和真值驗(yàn)證其誤差值。從數(shù)據(jù)（表2）可以看出，通過(guò)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)?zāi)M分析，合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的精確值遠(yuǎn)優(yōu)于0.1 mm，確定該邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)適用于露天礦山邊坡情況的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

3.3 智能化預(yù)警

（1）合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)預(yù)警方式分為監(jiān)測(cè)全局預(yù)警和局部點(diǎn)位預(yù)警。這2種預(yù)警方式分別可以根據(jù)監(jiān)測(cè)邊坡地質(zhì)、地貌條件的不同設(shè)置警戒值，通過(guò)分析一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置合理的預(yù)警值；局部點(diǎn)位預(yù)警相對(duì)于全局預(yù)警更加靈活、直觀，該預(yù)警方式可隨時(shí)選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，便于技術(shù)人員針對(duì)采場(chǎng)變化而調(diào)整局部監(jiān)測(cè)位置。

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（2）該監(jiān)測(cè)模式有多種針對(duì)邊坡變化的智能化報(bào)警模式，如聲音報(bào)警、顏色報(bào)警、發(fā)送信息報(bào)警等方式，這幾種方式可以同時(shí)報(bào)警，及時(shí)有效地對(duì)監(jiān)測(cè)人員發(fā)出警戒。

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)露天礦山的監(jiān)測(cè)預(yù)警分析主要分為全局分析預(yù)警和局部分析預(yù)警。本研究主要分析雷達(dá)監(jiān)測(cè)的局部分析預(yù)警，即雷達(dá)監(jiān)測(cè)某一點(diǎn)位的分析預(yù)警情況。在此僅選取6個(gè)位移變化較明顯的點(diǎn)位進(jìn)行分析，如圖4、圖5所示。

通過(guò)近幾個(gè)月對(duì)合成孔徑雷達(dá)成像數(shù)據(jù)的觀察，6個(gè)局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位都存在一定量的位移變化，但總體穩(wěn)定。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，專業(yè)技術(shù)人員對(duì)上述幾個(gè)區(qū)域進(jìn)行了3次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化位移圖分析得出：點(diǎn)1位于采場(chǎng)-6 m水平，現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)邊坡裂隙或位移情況，該位置正是邊坡護(hù)坡施工現(xiàn)場(chǎng)，排除該位置警戒危險(xiǎn)；點(diǎn)2位于采場(chǎng)-67 m水平，從成像圖和變化圖看，該區(qū)域在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)生負(fù)向位移，表明該區(qū)域的形變朝著遠(yuǎn)離雷達(dá)方向發(fā)展，且形變位移量最大，累計(jì)形變量達(dá)23.37 mm，第一時(shí)間對(duì)點(diǎn)2周邊進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)位置出現(xiàn)明顯位移變化，現(xiàn)場(chǎng)有一長(zhǎng)42 m、寬130 mm的裂隙；點(diǎn)3位于采場(chǎng)-127 m水平，該區(qū)域在監(jiān)測(cè)過(guò)程中總體穩(wěn)定，僅表現(xiàn)出微小位移；點(diǎn)4位于采場(chǎng)-6 m水平，是采場(chǎng)第四系表土層分布的位置，受多雨季節(jié)影響，該部位土層出現(xiàn)明顯沉降并發(fā)生局部小范圍滑坡，在點(diǎn)4發(fā)生滑坡的同時(shí)，雷達(dá)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出了警報(bào)，采場(chǎng)人員第一時(shí)間撤離現(xiàn)場(chǎng)，避免發(fā)生不必要的次生危險(xiǎn)；點(diǎn)5位于采場(chǎng)-42 m水平，現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)邊坡裂隙或位移情況，該位置同樣是邊坡護(hù)坡施工現(xiàn)場(chǎng)，排除該位置警戒危險(xiǎn)；點(diǎn)6位于采場(chǎng)-97 m水平，該區(qū)域在監(jiān)測(cè)過(guò)程中總體穩(wěn)定，僅表現(xiàn)出微小位移。

此次雷達(dá)監(jiān)測(cè)效果達(dá)到預(yù)期，效果較為理想。2021年8、9月份采場(chǎng)共降雨201.6 mm，是歷年來(lái)降雨最多的一年。受多次雨水沖刷，采場(chǎng)各處邊坡的潛在隱患增加。結(jié)合圖5，幾處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移浮動(dòng)較大，而在9月末雨季基本結(jié)束時(shí)，邊坡位移變化又趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種新型的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，基于雷達(dá)微波信號(hào)，通過(guò)相位差分干涉處理提取邊坡相位變化信息，有安全、智能預(yù)警、全天候、高精度、全覆蓋、機(jī)械化操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)邊坡變形，準(zhǔn)確預(yù)警邊坡災(zāi)害。