真實孔徑邊坡雷達監測在霍林河北露天煤礦的應用

王立文

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著我國露天煤礦開采年限的不斷增長，開采標高的不斷加深，其地質條件也日益復雜，邊坡穩定性問題越發突出，尤其是內蒙古呼倫貝爾、霍林郭勒及錫林浩特等地的露天煤礦。這些地區的巖層類型大多屬于軟巖邊坡，其穩定性受地質構造、大氣降水、地下水運動、工程擾動以及時間、空間等多方面因素影響較大，極易發生失穩破壞，產生片幫、滑坡等地質災害，嚴重制約露天煤礦的可持續發展[1-3]。

軟巖邊坡的穩定性問題一直是露天煤礦邊坡治理的主要難題，其變形破壞機理尤為復雜，是邊坡安全工程中最重要的科研課題之一。近年來隨著科學技術的不斷進步，我國各大露天煤礦逐漸采用了新型的邊坡監測預警技術，即邊坡雷達來構建自身的邊坡穩定性監測預警體系。這種技術以大面積、遠距離、高精度、全天時及全天候為特點，能夠對露天煤礦的采場邊坡、排土場邊坡等易發生失穩破壞的區域進行遠程監控，并能提前數小時乃至數天發出臨滑預警，避免造成人員及設備損失，有效保障露天煤礦的生產安全[4-5]。為此，通過邊坡雷達對內蒙古霍林河北露天煤礦的實際監測案例進行趨勢分析。

1 工程概況

1）項目情況。內蒙古霍林河北露天煤礦屬于霍林河盆地，礦區地層由晚侏羅世興安嶺群火山巖系、晚侏羅-早白堊世霍林河群含煤巖系和新生界新近系、第四系組成。地質構造以斷裂構造為主，褶曲不太發育，是由周圍老盤構成的中低山所環繞的盆地，因而煤田內、外含水層包括煤系風化帶水、火山碎屑巖裂隙水以及第四系砂礫石含水層等，均以大氣降水為主要補給水源，主要集中在6、7、8 3 個月內。礦區邊坡巖體自下至上依次為含煤巖系、第四系，內外排土場主要來自采場邊坡中的粉砂巖、細砂巖等，各幫邊坡巖性條件較差，屬于典型的軟巖邊坡，內外排土場屬于軟弱基底內排土場，工程地質條件不利于邊坡穩定，受自身地質構造或外部自然、人工等因素影響極易造成邊坡失穩破壞，嚴重威脅露天煤礦的安全生產。

2）監測手段。隨著露天煤礦采區的逐步降深，鼻梁道對排土場的支撐作用日趨顯著，但為實現一二采區的順利貫通，保障貫通過程中破除鼻梁道的安全施工，應加強鼻梁道支撐排土場的邊坡監測。經過多種邊坡監測預警技術對比，決定采用新型的邊坡雷達組建一套軟巖邊坡穩定性監測預警系統。

2 邊坡雷達技術

目前我國各大露天礦山主流應用的邊坡雷達按技術原理劃分主要有2 類，一類是合成孔徑雷達技術，另一類是真實孔徑雷達技術。合成孔徑雷達衍生于航空航天測繪技術，其基于差分干涉雷達（DInSAR）技術，以運動軌道代替實際天線，通過在軌道上進行水平往復掃描獲取監測數據[6-7]。真實孔徑雷達是一種基于差值干涉測量法，利用雷達波測量邊坡巖體微小變形的新一代邊坡監測預警技術，通過碟形天線進行步進逐行掃描獲取監測數據。真實孔徑雷達相較于合成孔徑雷達具有掃描角度大、獲取數據快、適應能力強及移設方便等優勢，可以更好地服務于露天礦山的邊坡安全工程。

真實孔徑雷達是一套用于露天礦山邊坡穩定性監測預警的新型技術設備，其發射高頻雷達波對邊坡巖體進行連續、反復的測量，以類光斑像素點漸進式的掃描邊坡表面，通過與前一次的監測數據進行解析對比，從而獲得邊坡巖體時間序列上的位移數據和速度數據，隨著監測周期的延續可以逐漸構建出每個像素點的位移變化曲線和速度變化曲線，最終由點到面的生成可以反映所有邊坡巖體實時變形情況的三維云圖。

真實孔徑雷達的優勢在于無需布置在被測邊坡表面進行接觸式測量，即能以亞毫米的精度對整個邊坡進行監測預警。通過快速識別潛在的失穩邊坡，可以提前數小時乃至數天預測預報邊坡崩塌的發生概率，最大限度地減少滑坡災害引起的損失，有效保障作業人員與車輛的安全，還可以對露天煤礦存在安全隱患的采場邊坡進行動態監測，實現安全生產效率最大化。

3 邊坡滑坡預警機制

3.1 預警原理

滑坡是一種危害性較大的地質災害，一旦發生將會給露天煤礦的生產和安全帶來嚴重影響，甚至造成巨大的生命財產損失。露天煤礦的軟巖邊坡在形成過程中，由于受坡體內軟弱夾層的流變特性控制，其邊坡巖體普遍具有蠕動變形的特性，極易演化為片幫、滑坡等地質災害。通過大量的滑坡案例可以發現，位移變形是軟巖邊坡發生失穩破壞前最明顯、最直觀、最容易捕捉的外在表現。經過長時間研究滑坡過程中邊坡巖體的位移變化數據。典型滑坡位移-時間序列變化曲線模型如圖1。

圖1 典型滑坡位移-時間序列變化曲線圖

由圖1 的典型滑坡位移-時間序列變化曲線可以看出，軟巖邊坡在滑坡演變過程中具有3 個階段的變形特征：即初始變形階段、勻速變形階段和加速變形階段；其中加速變形階段還可以細分為加速變形初期、加速變形中期和加速變形后期。一旦進入加速變形后期，就預示著軟巖邊坡已經進入臨滑階段，邊坡巖體隨時都會發生失穩破壞，即發生滑坡。因此，利用一定的技術手段準確掌握、判斷邊坡的變形演化規律是進行邊坡穩定性監測預警的基礎[8-9]。

1）初始變形階段表現為減速變化的特點。一般發生在邊坡形成的早期，其臨空自由面出現一定程度的位移變形，該階段存在時間較短，危險性較低。

2）勻速變形階段表現為等速變化的特點。為邊坡長期保持的狀態，其滑坡位移-時間序列變化曲線呈現斜率恒定的直線形態，即位移變形較小，該階段存在時間最長。

3）加速變形階段表現為加速變化的特點。為邊坡出現穩定性失衡的狀態，其滑坡時位移-時間序列變化曲線呈現斜率不斷增大的拋物線形態，即位移變形逐漸增大。當邊坡內部的應力達到一定的臨界值后會集中釋放，最終導致滑坡的發生。

3.2 預警級別

真實孔徑雷達對軟巖邊坡進行穩定性監測預警的工作模式是通過實時掌握邊坡巖體的位移數據和速度數據，快速識別潛在的失穩區域，再依據典型滑坡位移-時間序列變化曲線與雷達的位移、速度變化曲線進行擬合對比，判斷當前軟巖邊坡所處的變形階段，并有針對性的制定預警級別[10]。

根據以往軟巖邊坡的滑坡監測資料，可以在加速變形階段的3 個階段分別設置三級預警，其警報形式和預警閾值見表1。

表1 三級預警表

當觸發三級預警閾值時，應對預警信息進行險情識別和危險性評估，其監測數據應符合下列規定：①位移、速度變化曲線呈現加速趨勢；②預警區域無外部影響因素；③預警區域面積大于100 m2。

符合上述條件后，應啟動相應級別的應急響應預案，其匯報程序如下：

1）當變形速度達到8 mm/h 時，觸發Ⅲ級黃色預警，應立即將預警區域的位置、面積及影響范圍匯報給生產調度指揮中心，并將此區域劃分為重點監測區域。

2）當變形速度達到15 mm/h 時，觸發Ⅱ級橙色預警，應建議生產調度指揮中心撤離此區域的作業人員及設備；

3）當變形速度達到30 mm/h 時，觸發Ⅰ級紅色預警，應立即發布臨滑預警指令，并通知全礦人員及設備撤離該區域。

4 監測應用

4.1 監測過程

2020 年11 月22 日19:00，真實孔徑雷達的三維云圖顯示內蒙古霍林河北露天煤礦出現1 處異常變形區域，其位于西坑北幫824～890 m 水平區域，變形面積為120 m×70 m，變形速度為8 mm/h，累積位移為127 mm，同時該區域的位移、速度曲線呈現加速變化的趨勢，觸發了Ⅲ級黃色預警。在啟動應急響應預案的同時將相應的監測情況匯報給生產調度指揮中心，在得到加強監測的指示后將此區域劃分為重點監測區域，并實行24 h 實時跟蹤監測。隨著時間的推移，三維云圖顯示異常變形區域的位移、速度曲線呈現進一步加速的趨勢，至2020 年11 月22 日23:00 異常變形區域的變形速度達到15 mm/h，累積位移達到176 mm，觸發了Ⅱ級橙色預警，根據應急響應預案相關規定建議生產調度指揮中心撤離此區域的作業人員及車輛。至2020 年11 月23 日10：00異常變形區域的變形速度達到30 mm/h，累積位移達到461 mm，并呈現非常明顯的加速趨勢，觸發了Ⅰ級紅色預警，立即發布了臨滑預警指令，通知全礦人員及設備撤離該區域。

在臨滑預警指令發出12 h 后，即2020 年11 月23 日22:00 異常變形區域變形速度達到85 mm/h，累積位移達到1 077 mm，其上部890 m 水平平臺的裂隙逐漸加大加深，同時發生明顯的臺階沉降，最終形成1 次緩慢的蠕動型滑坡。位移曲線如圖2，異常變形區域的速度曲線如圖3。

圖2 累積位移曲線圖

圖3 變形速度曲線圖

4.2 監測分析

1）11 月22 日19:00-11 月22 日23:00。異常變形區域的位移、速度曲線呈現緩慢的加速變化趨勢，觸發Ⅲ級黃色預警，屬于加速變形初期階段。

2）11 月22 日23:00-11 月23 日10:00。異常變形區域的位移、速度曲線呈現進一步的加速變化趨勢，觸發Ⅱ級橙色預警，屬于加速變形中期階段。

3）11 月23 日10:00-11 月23 日22:00。異常變形區域的位移、速度曲線呈現非常明顯的加速變化趨勢，觸發Ⅰ級紅色預警，屬于加速變形后期階段。

4）11 月23 日22:00-11 月24 日12:00。異常變形區域的位移、速度曲線呈現明顯的減速變化趨勢，屬于邊坡崩塌后的應力釋放階段。

至2020 年11 月24 日12:00 異常變形區域的位移、速度曲線趨于平緩后，并通過現場勘查發現滑坡體已經趨于穩定，其危害性已經大幅降低，隨即發布了臨滑預警解除指令。

5 結語

1）真實孔徑雷達可以對軟巖邊坡進行24 h 監測預警，實時掌握邊坡巖體的動態變形情況，快速識別潛在的失穩邊坡，提前發出臨滑預警，有效提升露天礦山對滑坡災害的應急管控能力。

2）針對軟巖邊坡的蠕動變形特征，真實孔徑雷達可以對邊坡巖體的加速變形階段設置三級預警機制，并根據不同的預警級別制定相應人員的疏散和設備轉移方案，最大限度的保護人員和財產安全。

3）結合露天煤礦的監測案例，利用真實孔徑雷達對軟巖邊坡的蠕動變形過程進行全方位的跟蹤監控，可以為露天礦山的采礦設計及邊坡治理提供安全保障。