合成孔徑邊坡雷達在南露天煤礦的應用

丁 輝 李千慧 孫有剛

（1.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院；2.煤礦安全技術國家重點實驗室；3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；4.內蒙古霍林河露天煤業股份有限公司南露天煤礦）

露天礦山采場和排土場邊坡穩定性問題，一直是專家學者研究的重點課題［1-3］，邊坡巖土體在爆破、地震、降雨和人工活動影響下，很容易發生滑坡，加強大范圍邊坡表面位移的監測并及時預警至關重要，眾多學者對邊坡滑坡預警進行了深入研究［4-7］。2000 年，意大利研究小組首次應用合成孔徑邊坡雷達監測邊坡表面位移。經過多年的不斷實踐和發展，現國外合成孔徑邊坡雷達主要有意大利IDS公司研發的IBIS（Image by Interferometric Survey）雷達和歐洲委員會聯合研究中心研發的Linear SAR雷達等，國內主要有中國安全生產科學研究院研發的礦山邊坡合成孔徑雷達監測預警系統和內蒙古方向圖科技有限公司研發的微變監測合成孔徑雷達。

南露天煤礦位于內蒙古自治區通遼市霍林郭勒市境內，始建于1981年6月，核定年生產能力為1 800萬t。露天礦邊坡地質構造復雜，有多個斷層，巖性變化較大，軟弱結構面發育，且與地表水聯系密切。該礦采礦作業強度高，是典型的多采場、多排土場的露天礦，隨著不斷地開采作業和內排，西幫邊坡的高度差不斷加大，導致西幫邊坡面臨滑坡失穩風險，迫切需要對西幫邊坡進行全面實時監測。傳統的GNSS監測等手段是點位移監測，不能滿足大范圍邊坡實時監測需求。合成孔徑邊坡雷達是一種高分辨率成像雷達，分辨率強、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，以礦山地質圖作為底圖，能夠非常清晰地監測邊坡表面位移變化情況，在露天礦邊坡監測中廣泛應用［8-11］。在南露天礦應用合成孔徑邊坡雷達技術，通過對西幫邊坡位移變化情況實時監控，為礦山提供監測數據，提前預報預警可能的滑坡災害。

1 工程概況

南露天礦西幫處于向斜構造之上，地勢西南高、東北低，富含多個斷層構造，地質構造復雜。巖性整體較弱，受凍融影響、人工采礦活動和內排土場的不斷加高等影響，邊坡穩定性較差。由于不穩定邊坡范圍較大，傳統的監測方式很難整體上監控西幫邊坡變形情況，而合成孔徑雷達技術完全符合礦山西幫邊坡監測的需求。

合成孔徑雷達布置于東幫，掃描西幫二號檢修地、西二排復合邊坡和南區西端幫等重點區域，如圖1所示。

2 合成孔徑邊坡雷達

2.1 雷達監測原理

合成孔徑雷達向邊坡目標發射電磁波，通過接收回波信號提取數據，獲取雷達到監測目標的距離。應用步進頻率連續波技術、合成孔徑雷達技術和差分干涉技術，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。

步進頻率連續波技術是指雷達的工作頻率會隨著時間而發生周期性的變化，一般都以均勻步長進行線性變化，每個頻率點持續的時間相同。步進頻率連續波技術可以獲取窄脈沖信號，提高距離分辨率。南露天礦合成孔徑雷達電磁波帶寬為0.5 GHz，距離分辨率可達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。

合成孔徑雷達技術是指應用一個較小的真實天線沿長線陣運動，在不同位置上發射相參信號，并接收回波信號，對回波信號進行處理，合成一個等效的大孔徑天線信號，提高方位向分辨率。礦山應用的合成孔徑雷達方位向分辨率可達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，m；L為雷達軌道長度，m。

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

差分干涉技術是指合成孔徑雷達在完成2次或2次以上掃描時，通過對比每個單元格中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0.1 mm。

數據的處理流程：原始影像獲取—聚焦成像—點目標提取—相位解繞—大氣校正—干涉處理—變形分析等。

將每個單元格的位移—時間變化結合起來即可獲得監測范圍內的位移云圖，再結合礦山地質底圖，可直觀地實時監控邊坡位移—時間變化情況，如圖3所示。

2.2 預警設置

受到重力影響，斜坡巖土體位移—時間曲線具有初始變形—勻速變形—加速變形三階段演化特征。初始變形階段，邊坡體產生微裂隙，位移變形曲線表現為較大的斜率，變形速度較大，隨著時間的推移，變形速度逐漸減緩趨于正常狀態。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，當變形達到一定程度，位移曲線斜率表現為不斷加大、變形速度不斷增長趨勢，直至滑坡失穩。加速階段一般又分為初加速階段、中加速階段和臨滑階段。

合成孔徑雷達根據在南露天礦的實際應用，設置藍、黃、橙、紅四級預警閾值，為確保可能的滑坡不漏報，特將四級預警閾值設置相對較小值。如表1所示，當變形速度達到0.5 mm/h 時，邊坡對應位置可能有裂縫開裂或裂縫已經開裂，此時為藍色預警，需要加強現場巡視；當變形速度達到1 mm/h 時，裂縫可能已經擴展甚至貫通，此時為黃色預警，需增加現場巡視的頻率；當變形速度達到1.5 mm/h 時，裂縫可能已經貫通甚至迅速變化拉開，此時為橙色預警，必要時停止作業；當變形速度達到2 mm/h 時，裂縫可能已經拉開甚至發生下錯，此時為紅色預警，需停止作業，及時撤離人員設備并拉起警戒線。

2.3 雷達組成

南露天煤礦采用內蒙古方向圖科技有限公司研發的微變監測雷達對采場邊坡監測。主要包括導軌系統、雷達收發系統和總控系統，如圖4 所示。雷達收發系統主要功能是發射和接收電磁波，收發系統在導軌上水平運動，總控系統控制收發系統的移動并接收采集的信號數據。

安裝時首先固定好導軌系統并調平，組裝總控系統并安裝控制軟件，安裝總控和導軌系統連接線，啟動總控軟件開始掃描。收發系統將沿著導軌系統單向運動，發射電磁波并接收回波，完成一次掃描后，收發系統將自動回歸原位并進行下一次掃描。掃描的原始數據存儲在總控電腦硬盤，通過4G 物流卡網絡上傳數據至總部數據庫，通過網頁端查看解析的邊坡位移云圖數據。

3 數據分析

南露天礦西幫二號檢修地860 m 平盤于2021 年4 月7 日發生小規模片幫，長度約40 m，高度約20 m。經現場勘查，860 m 平臺東側裂縫貫通，整體往836 m平臺錯動，如圖5所示。

二號檢修地片幫區域選取邊坡雷達監測特征點，變形位移和速度曲線如圖6 所示。4 月7 日14 時變形速度為1.8 mm/h，觸發橙色預警，啟動應急預案，通知現場作業車輛人員避開該區域，并組織人員現場查看，發現有裂縫產生并不斷擴展。至16 時速度有所減慢，并減小至0.8 mm/h，16～22 時，變形速度不斷加大，從0.8 mm/h 增大至4 mm/h，觸發紅色報警，夜間禁止車輛從報警區域經過。22時至次日0時，變形速度達到最大值10 mm/h，發生滑坡。直至8 日1時左右，速度逐漸減小并穩定在1 mm/h 以下，滑坡趨于穩定。從7 日16—20 時為勻速變形階段，位移不斷增大，變形速度幾乎勻速，裂縫不斷增長。7 日20時—8日0時為加速變形階段，速度急速增長，裂縫貫通，滑體失穩發生片幫，從勻速變形至滑坡歷時8 h。

合成孔徑雷達在西幫二號檢修地位移監測過程中，預警位移曲線變化與實際片幫災害過程相符，成功預測本次片幫災害，給礦方管理人員充足時間啟動應急預案，及時撤離人員和設備，避免造成更大的經濟損失和人員傷亡。

4 結論

（1）本次滑坡實例表明，在邊坡滑坡臨滑前，勻速變形階段和加速變形階段雷達監測位移變化明顯，在邊坡雷達監測數據中注重變形階段判斷，對準確預報預警滑坡災害具有重要意義。

（2）合成孔徑雷達其遠距離、無接觸、全天候、大范圍、高精度監測等特點，適用于地質條件復雜的露天礦邊坡監測，操作簡單，監測數據精確，在滑坡短期臨滑預報的應用中，能夠較好地監測滑坡過程，對及時預警災害提供數據支撐，避免造成嚴重的設備損壞和經濟損失，保障人員安全。