边坡雷达在露天矿山高陡边坡监测预警中的重要性

兰舜涯

（云南华联锌铟股份有限公司，云南 文山 663701）

开采业的发展与社会经济建设存在密切关系，近年来我国矿产开采行业得到了良好发展，但是依然存在着诸多危险因素。露天矿山开采的过程中要求采矿作业人员高度重视自然边坡等自然环境对作业带来的影响，随着矿山开采活动的深入，一些边坡到常年受生物分化、物理、化学等外力作用导致岩体结构受到严重侵蚀，尤其是大型露天矿山在多年服务下，由于高强度开展以及受到爆破、振动等因素影响容易出现山体滑坡，而该问题将严重威胁作业人员生命安全，因此必须对露天矿山高陡边坡稳定性进行深入分析，监测相关参数，分析重点区域的时变形量、日变形量，然后分析边坡的变形趋势，提前预警和预报边坡垮塌和滑坡情况，进而最大程度减少人员伤亡和经济损失。当前矿山开采中边坡稳定性检测成为了露天矿山行业高度重视的问题，以下对相关内容进行分析。

1 边坡雷达基本原理及预警方法

1.1 边坡雷达基本原理

对于边坡雷达来说，其主要是利用地基的合成孔径雷达监测技术，该技术自上世纪60年代发展以来技术逐渐成熟，目前能够全天候的进行在线监测，具有分辨率高、监测距离远的优势，借助脉冲压缩技术可以保证监测距离以及分辨率，然后通过观测时间和雷达相对运动得到合成孔径。然后把同一目标区域不同时间下得到的序列二位高分辨率图像有机结合之后利用图像的相位差反演，最终得到精确度高的形变信息对区域监控[1]。

1.2 预警方法和思路

利用边坡雷达的基本原理把合成孔径雷达监测技术，将其用在矿山边坡监测以及预警当中能够获取被测边坡的整体形变发展情况以及掌握边坡稳定性，之后借助边坡预警等手段有效分析。在开展山体滑坡等灾害防治工作的过程中。当形成一定范围的边坡破坏时就会成为边坡动力灾害或者事故防范的重点内容。换言之，在工程的实际利用角度讲，只有超出边坡变形区域的一定范围后，才可以作为滑坡事故或者灾害的变形区域。利用边坡雷达监测基本原理，边坡雷达能够获取监测结果，掌握覆盖范围内的边坡变形情况，然后记录变化信息，进而对掌握区域内的变形情况和不确定区域的规模提供数据信息，其中在分析关键变形信息的过程中，把变形面积当做预警指标，以此反映出边坡不稳定区域的大小。当前雷达监测点数量上百万，不过也存在个别监测点数据异常的可能性，如果只设置变形速度阈值可能会存在误报情况，所以需要利用面积加速率的双指标划破预警方法加以解决，在设置面积阈值后，根据变形速率对滑坡进行预警，以此有效提升利用价值[2]。

2 工程概况

四川省西北某铁矿开采场自1971年投产以来，每年可生产1，500万吨铁矿石，作为特大型露天开采矿山成为了攀钢矿石的主要原材料供应基地。该矿山周边具有边坡高度大、长度大、岩石风化显著、暴露时间长断层等特征。总体开采长度达4公里，宽度1.1公里，面积约4.4平方公里。台阶高度12m~46m，宽度3.5m~48m，最高边坡637m，边坡角度44.5°，分布有粗粒辉长岩组、细粒辉长岩组以及铁矿体。在监测区域分布着大量多台阶的人工边坡台阶，宽度整体为3.5m~48m，其中1505m以上为自然边坡，1505m以下为人工边坡，结合矿山开展设计要求，开采露天地确定为1km高度，开采边坡可形成至少500m的人工边坡矿区，整体地势呈自西北向西南倾斜，走向且西北偏高、东南偏低。整体高差接近1600m。此外，地形受到地质条件影响山脉呈东北西南走向该地区，山体陡峭、沟谷发育，受风力侵蚀较为明显。当前矿山处于深凹露采阶段，由于高陡边坡的大范围存在，对开采生产能力产生严重制约影响，并且威胁作业人员安全。当前矿山已经形成接近4千米的开采区域形成850m宽的露天采场，该铁矿开采区建设以来多次发生山体滑坡。据有关统计显示，2015年出现60处滑坡17年发生两次滑坡，由此形成了边坡的地层。2015年出现的山体滑动破坏了公路长度接近1300m，同时导致矿区二氧化钛矿石无法开采，所以说做好边坡预警和监测工作具有的重要意义。

3 边坡稳定性监测方案

结合露天矿山地质灾害的实际情况，当前利用GPS监测技术、全站仪监测技术和雷达位移监测技术相结合的方法，能够显著提升监测效果具体说来。

3.1 全站仪监测

对于全站仪来说，其优势在于测量精确度高，尤其是在露天开采边坡变化较慢的裂缝和裂隙当中作用十分明显，并且全站仪造价低廉，最后全站仪无须卫星信号，不会受到室内等卫星信号不佳因素的影响。不过全站仪监测也存在其劣势，其问题主要在于测量距离较短，并且在露天矿区高海拔的条件下，为了减少检测人员的工作强度需要适应缺氧环境[3]。

3.2 GPS监测

对于观测边角相对几何关系的传统方法来说，GPS监测技术的自动化特征更为明显，可以有效减少户外监测的强度，同时还能够迅速可靠地获取三维点位监测数据。其具体优势如下：一方面，观测站之间无需通视，以此有效减少测量工作花费的时间，同时监测点位的变化选择更加灵活，为了让这GPS卫星信号不受干扰，需要确保监测占上方地域开阔；另一方面，在于定位精确度更高、观测时间更短，能够为检测人员提供三维坐标，以此获得更为精确的大地高程。此外，GPS技术的测量操作更为便捷，凭借其自动化强的优势可以帮助测量人员在电脑上观测仪器的工作状态，进而满足自动化观测需求，打开仪器电源即可获取三维坐标，GPS用户接收机体积小、质量轻、便于携带。除了以上三个方面的优势，GPS技术还可以实现全天候作业，能够在任何时间地点连续检测，不会受到天气变化因素的影响。尽管GPS技术比全站仪有效节约人力投入，并且监测效果好，但是在露天矿区监测过程中都需要观测人员亲自到观测点分析观测点位坐标，并且由于矿区的自然环境较为恶劣，出于观测人员的安全考虑不能在大风条件下和夜间条件下检测，所以GPS技术以及全站仪监测只能作为辅助检测手段。

3.3 雷达SSR系统

该雷达系统是毫米级精确度的实时监测技术，具有精确度高长距离监测的优势。其精确度可控制在0.01mm之内，测量范围高达3500m，水平扫描角度达到270°，垂直扫描角度为120°，可以在1~30分钟之内满足扫描需求，其功能在于对监测岩石的运动进行预警，满足24小时的动态监测，无需监测人员触碰设备即可在电脑上显示，并且该设备拆卸方便，能够对观测影像保存在露天矿山边坡稳定性监测过程中不会受到任何天气条件的影响[4]。

4 监测设计及数据

为了最大程度减少由于山体滑坡造成的经济损失，新时期需要利用雷达在线监测系统，以此对滑坡多发区实施监测，通过提前预警预报指导矿山企业采取相关措施，具体如下。

4.1 雷达布置

采场边坡的雷达为长轨道雷达其位置与不稳定边坡相对设置距离1500m，横向覆盖角度元28°，整体覆盖宽度750m，纵向覆盖角度约18°，整体覆盖高度470m，结合以上参数将观测距离设置为300m~2200m，雷达运行30分钟。监测精度可达到0.1mm，如今可以对重点区域进行全覆盖，利用正负表示雷达监测变形的方向。

4.2 雷达技术参数

雷达与待测边坡距离达到1500m，雷达横向覆盖角度设定为28°，经过初步计算，横向可覆盖宽度达到750m，纵向覆盖角度达到18°，可以满足重点区域的全部覆盖[5]。

4.3 预警值设计

对于预警值的设计来说，主要是基于面积加速率的双向指标，其中面积预警值要达到工程可接受范围，变形面积本项目设置为20立方米速率预警值，根据历史监测数据随时优化。

4.3.1 坚硬岩

在露天开采场的过程中，东南部边坡滑坡较为严重，利用雷达布置在开采场的西侧可以对东部区域监测，在检测第6天时发现边坡的变形速度为每小时6.5mm，发生滑坡几率较大，根据边坡变形红色预警值，将其设置为每小时6.5mm，黄色预警值设置为每小时2mm，确保变形达到垮塌前的安全储备[6]。

4.3.2 松散岩

该地区的极端降雨天气下容易导致滑坡几率增加，为此需要认真做好天气情况监测工作，利用雷达起到了对松散岩石的监测。在为期一年的监测时间中，红色预警值设置为每小时9mm，在红色预警信息发布后三天发生了严重滑塌，滑体面积达到2000立方米。雷达监测开采场区域地处开采场的东部，并且岩体表面出现分化情况。此外，雷达监测区域的老化或位置与雷达检测方向相对应，雷达和坡面监测呈90°角。具体预警值设置如下：在黄色预警值设置中位移每小时在6mm之内，每天位移量在72mm之内，每周位移量在252mm之内。红色预警值的位移量在每小时8mm之内，每天位移量在96mm之内，每周位移量在336mm之内。

4.4 在线监测数据分析

雷达监测范围发现地面存在较大裂缝，并且裂缝沿着陡坡方向扩展长度为几米至几十米之间，裂缝宽度集中在3cm之内。软件发出声光报警之后，边坡在两天后出现了1225m~1285m的滑坡。根据雷达在线监测数据，可以发现触发滑坡预警区域的变形曲线能够分析监测区域的坡体变形特征。从边坡雷达监测曲线中可以发现坡体上所选的标志点曲线随着时间变化而增加，由此说明坡体变形加速过程明显[7]。

5 结语

综上所述，对于我国矿山安全生产工作来说，目前露天矿山并不是问成为了影响矿产安全生产的重要因素。当前地基合成孔径雷达开始用于地表微变形监测和矿山滑坡预警工作当中成效显著。本文具体结论如下：首先，边坡雷达和传统接触式的监测手段存在差异性，通过远程距离无法接触的方法能够获取目标物的变化信息；其次，边坡雷达监测数据利用面积加速率的指标进行预测，能够有效减少预警错误问题，具有重要利用价值；再次，出现预警危险区域利用形变时间曲线可以预测发生滑坡的时间。此外，对于边坡监测预警值设定来说，通常和边坡岩石的特征高度坡度存在关系，如果岩石的边坡坡度大，则预警范围变小。