邊坡雷達在露天礦山高陡邊坡監測預警中的重要性

蘭舜涯

（云南華聯鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

開采業的發展與社會經濟建設存在密切關系，近年來我國礦產開采行業得到了良好發展，但是依然存在著諸多危險因素。露天礦山開采的過程中要求采礦作業人員高度重視自然邊坡等自然環境對作業帶來的影響，隨著礦山開采活動的深入，一些邊坡到常年受生物分化、物理、化學等外力作用導致巖體結構受到嚴重侵蝕，尤其是大型露天礦山在多年服務下，由于高強度開展以及受到爆破、振動等因素影響容易出現山體滑坡，而該問題將嚴重威脅作業人員生命安全，因此必須對露天礦山高陡邊坡穩定性進行深入分析，監測相關參數，分析重點區域的時變形量、日變形量，然后分析邊坡的變形趨勢，提前預警和預報邊坡垮塌和滑坡情況，進而最大程度減少人員傷亡和經濟損失。當前礦山開采中邊坡穩定性檢測成為了露天礦山行業高度重視的問題，以下對相關內容進行分析。

1 邊坡雷達基本原理及預警方法

1.1 邊坡雷達基本原理

對于邊坡雷達來說，其主要是利用地基的合成孔徑雷達監測技術，該技術自上世紀60年代發展以來技術逐漸成熟，目前能夠全天候的進行在線監測，具有分辨率高、監測距離遠的優勢，借助脈沖壓縮技術可以保證監測距離以及分辨率，然后通過觀測時間和雷達相對運動得到合成孔徑。然后把同一目標區域不同時間下得到的序列二位高分辨率圖像有機結合之后利用圖像的相位差反演，最終得到精確度高的形變信息對區域監控[1]。

1.2 預警方法和思路

利用邊坡雷達的基本原理把合成孔徑雷達監測技術，將其用在礦山邊坡監測以及預警當中能夠獲取被測邊坡的整體形變發展情況以及掌握邊坡穩定性，之后借助邊坡預警等手段有效分析。在開展山體滑坡等災害防治工作的過程中。當形成一定范圍的邊坡破壞時就會成為邊坡動力災害或者事故防范的重點內容。換言之，在工程的實際利用角度講，只有超出邊坡變形區域的一定范圍后，才可以作為滑坡事故或者災害的變形區域。利用邊坡雷達監測基本原理，邊坡雷達能夠獲取監測結果，掌握覆蓋范圍內的邊坡變形情況，然后記錄變化信息，進而對掌握區域內的變形情況和不確定區域的規模提供數據信息，其中在分析關鍵變形信息的過程中，把變形面積當做預警指標，以此反映出邊坡不穩定區域的大小。當前雷達監測點數量上百萬，不過也存在個別監測點數據異常的可能性，如果只設置變形速度閾值可能會存在誤報情況，所以需要利用面積加速率的雙指標劃破預警方法加以解決，在設置面積閾值后，根據變形速率對滑坡進行預警，以此有效提升利用價值[2]。

2 工程概況

四川省西北某鐵礦開采場自1971年投產以來，每年可生產1，500萬噸鐵礦石，作為特大型露天開采礦山成為了攀鋼礦石的主要原材料供應基地。該礦山周邊具有邊坡高度大、長度大、巖石風化顯著、暴露時間長斷層等特征?？傮w開采長度達4公里，寬度1.1公里，面積約4.4平方公里。臺階高度12m~46m，寬度3.5m~48m，最高邊坡637m，邊坡角度44.5°，分布有粗粒輝長巖組、細粒輝長巖組以及鐵礦體。在監測區域分布著大量多臺階的人工邊坡臺階，寬度整體為3.5m~48m，其中1505m以上為自然邊坡，1505m以下為人工邊坡，結合礦山開展設計要求，開采露天地確定為1km高度，開采邊坡可形成至少500m的人工邊坡礦區，整體地勢呈自西北向西南傾斜，走向且西北偏高、東南偏低。整體高差接近1600m。此外，地形受到地質條件影響山脈呈東北西南走向該地區，山體陡峭、溝谷發育，受風力侵蝕較為明顯。當前礦山處于深凹露采階段，由于高陡邊坡的大范圍存在，對開采生產能力產生嚴重制約影響，并且威脅作業人員安全。當前礦山已經形成接近4千米的開采區域形成850m寬的露天采場，該鐵礦開采區建設以來多次發生山體滑坡。據有關統計顯示，2015年出現60處滑坡17年發生兩次滑坡，由此形成了邊坡的地層。2015年出現的山體滑動破壞了公路長度接近1300m，同時導致礦區二氧化鈦礦石無法開采，所以說做好邊坡預警和監測工作具有的重要意義。

3 邊坡穩定性監測方案

結合露天礦山地質災害的實際情況，當前利用GPS監測技術、全站儀監測技術和雷達位移監測技術相結合的方法，能夠顯著提升監測效果具體說來。

3.1 全站儀監測

對于全站儀來說，其優勢在于測量精確度高，尤其是在露天開采邊坡變化較慢的裂縫和裂隙當中作用十分明顯，并且全站儀造價低廉，最后全站儀無須衛星信號，不會受到室內等衛星信號不佳因素的影響。不過全站儀監測也存在其劣勢，其問題主要在于測量距離較短，并且在露天礦區高海拔的條件下，為了減少檢測人員的工作強度需要適應缺氧環境[3]。

3.2 GPS監測

對于觀測邊角相對幾何關系的傳統方法來說，GPS監測技術的自動化特征更為明顯，可以有效減少戶外監測的強度，同時還能夠迅速可靠地獲取三維點位監測數據。其具體優勢如下：一方面，觀測站之間無需通視，以此有效減少測量工作花費的時間，同時監測點位的變化選擇更加靈活，為了讓這GPS衛星信號不受干擾，需要確保監測占上方地域開闊；另一方面，在于定位精確度更高、觀測時間更短，能夠為檢測人員提供三維坐標，以此獲得更為精確的大地高程。此外，GPS技術的測量操作更為便捷，憑借其自動化強的優勢可以幫助測量人員在電腦上觀測儀器的工作狀態，進而滿足自動化觀測需求，打開儀器電源即可獲取三維坐標，GPS用戶接收機體積小、質量輕、便于攜帶。除了以上三個方面的優勢，GPS技術還可以實現全天候作業，能夠在任何時間地點連續檢測，不會受到天氣變化因素的影響。盡管GPS技術比全站儀有效節約人力投入，并且監測效果好，但是在露天礦區監測過程中都需要觀測人員親自到觀測點分析觀測點位坐標，并且由于礦區的自然環境較為惡劣，出于觀測人員的安全考慮不能在大風條件下和夜間條件下檢測，所以GPS技術以及全站儀監測只能作為輔助檢測手段。

3.3 雷達SSR系統

該雷達系統是毫米級精確度的實時監測技術，具有精確度高長距離監測的優勢。其精確度可控制在0.01mm之內，測量范圍高達3500m，水平掃描角度達到270°，垂直掃描角度為120°，可以在1~30分鐘之內滿足掃描需求，其功能在于對監測巖石的運動進行預警，滿足24小時的動態監測，無需監測人員觸碰設備即可在電腦上顯示，并且該設備拆卸方便，能夠對觀測影像保存在露天礦山邊坡穩定性監測過程中不會受到任何天氣條件的影響[4]。

4 監測設計及數據

為了最大程度減少由于山體滑坡造成的經濟損失，新時期需要利用雷達在線監測系統，以此對滑坡多發區實施監測，通過提前預警預報指導礦山企業采取相關措施，具體如下。

4.1 雷達布置

采場邊坡的雷達為長軌道雷達其位置與不穩定邊坡相對設置距離1500m，橫向覆蓋角度元28°，整體覆蓋寬度750m，縱向覆蓋角度約18°，整體覆蓋高度470m，結合以上參數將觀測距離設置為300m~2200m，雷達運行30分鐘。監測精度可達到0.1mm，如今可以對重點區域進行全覆蓋，利用正負表示雷達監測變形的方向。

4.2 雷達技術參數

雷達與待測邊坡距離達到1500m，雷達橫向覆蓋角度設定為28°，經過初步計算，橫向可覆蓋寬度達到750m，縱向覆蓋角度達到18°，可以滿足重點區域的全部覆蓋[5]。

4.3 預警值設計

對于預警值的設計來說，主要是基于面積加速率的雙向指標，其中面積預警值要達到工程可接受范圍，變形面積本項目設置為20立方米速率預警值，根據歷史監測數據隨時優化。

4.3.1 堅硬巖

在露天開采場的過程中，東南部邊坡滑坡較為嚴重，利用雷達布置在開采場的西側可以對東部區域監測，在檢測第6天時發現邊坡的變形速度為每小時6.5mm，發生滑坡幾率較大，根據邊坡變形紅色預警值，將其設置為每小時6.5mm，黃色預警值設置為每小時2mm，確保變形達到垮塌前的安全儲備[6]。

4.3.2 松散巖

該地區的極端降雨天氣下容易導致滑坡幾率增加，為此需要認真做好天氣情況監測工作，利用雷達起到了對松散巖石的監測。在為期一年的監測時間中，紅色預警值設置為每小時9mm，在紅色預警信息發布后三天發生了嚴重滑塌，滑體面積達到2000立方米。雷達監測開采場區域地處開采場的東部，并且巖體表面出現分化情況。此外，雷達監測區域的老化或位置與雷達檢測方向相對應，雷達和坡面監測呈90°角。具體預警值設置如下：在黃色預警值設置中位移每小時在6mm之內，每天位移量在72mm之內，每周位移量在252mm之內。紅色預警值的位移量在每小時8mm之內，每天位移量在96mm之內，每周位移量在336mm之內。

4.4 在線監測數據分析

雷達監測范圍發現地面存在較大裂縫，并且裂縫沿著陡坡方向擴展長度為幾米至幾十米之間，裂縫寬度集中在3cm之內。軟件發出聲光報警之后，邊坡在兩天后出現了1225m~1285m的滑坡。根據雷達在線監測數據，可以發現觸發滑坡預警區域的變形曲線能夠分析監測區域的坡體變形特征。從邊坡雷達監測曲線中可以發現坡體上所選的標志點曲線隨著時間變化而增加，由此說明坡體變形加速過程明顯[7]。

5 結語

綜上所述，對于我國礦山安全生產工作來說，目前露天礦山并不是問成為了影響礦產安全生產的重要因素。當前地基合成孔徑雷達開始用于地表微變形監測和礦山滑坡預警工作當中成效顯著。本文具體結論如下：首先，邊坡雷達和傳統接觸式的監測手段存在差異性，通過遠程距離無法接觸的方法能夠獲取目標物的變化信息；其次，邊坡雷達監測數據利用面積加速率的指標進行預測，能夠有效減少預警錯誤問題，具有重要利用價值；再次，出現預警危險區域利用形變時間曲線可以預測發生滑坡的時間。此外，對于邊坡監測預警值設定來說，通常和邊坡巖石的特征高度坡度存在關系，如果巖石的邊坡坡度大，則預警范圍變小。