高寒地区露采高边坡合成孔径雷达在线监测预警研究

唐维凯，王利岗，赖鹏辉，卢 尧，张旭峰，李垚萱，侯佩喜，李 坤

(1.黑龙江多宝山铜业股份有限公司，黑龙江 黑河 161416；2.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；3.辽宁省本溪满族自治县应急管理事务中心草河城镇应急服务站，辽宁 本溪 117109)

随着我国金属资源开发利用程度不断加深，露天开采逐渐向深部挺进，形成了大量超过200 m的高边坡。边坡稳定性是露采矿山安全可持续生产的关键，由于已揭露边坡分布范围大，不同位置水文地质条件差异性明显，且受外界降水、冻融等气象条件作用下完整性和强度不断下降，容易诱发边坡滑塌事故，但露天边坡的稳定性长期以来无法得到全面准确的持续跟踪监测，因此，确定一种能够全面稳定监测大范围边坡稳定性的在线监测预警技术对露天矿山的持续稳定安全生产具有重要意义。本文结合多宝山铜矿露采边坡监测的具体情况，研究了合成孔径边坡监测雷达在高寒地区露采高边坡中的应用与实践效果。

1 监测边坡概况

多宝山铜矿采区位于黑龙江省黑河市嫩江县北部多宝山镇，地处小兴安岭山系西南坡，嫩江上游东岸低山丘陵地带，区内气候严寒，为寒温带气候，冻结期从每年九月上旬至翌年五月下旬。受寒冷气候影响，融冻剥蚀作用比较强烈，冰缘地貌和相应的物理地质现象在区内发育较为典型。根据前期多宝山铜矿露天采场边坡稳定性分析等研究成果，采场范围内无活动性大断裂分布，但受矿区北西向构造、北西向弧形构造、北东向构造影响，采区内断裂片理化带、断裂蚀变带及次一级小断裂、小蚀变带比较发育。

截至目前，多宝山铜矿露天采场最低已经开挖至+282 m标高以深，最高标高+567 m，形成的最高边坡已超过285 m，且各方向上边坡均超过200 m，根据我国现行规范标准，多宝山铜矿露天采场边坡需进行在线监测。

2 边坡监测现状

从前期稳定性分析研究来看，多宝山铜矿边坡无大型滑坡体分布，但存在较多的小范围地质构造软弱带和裂隙发育带，且位置分布较为分散，传统的监测手段如分立式表面位移监测(GNSS、全站仪型自动监测机器人等)很难全面掌握边坡各处发生的滑移前兆变形信息[1-5]，边坡监测雷达(合成孔径雷达或真实孔径雷达)、三维激光扫描仪等面监测技术的出现正是为了解决全面监测边坡位移发展趋势难题的新兴技术，其中，合成孔径雷达的干涉测量技术在大范围边坡面监测方面有其独到的技术特点与优势[6-10]。合成孔径边坡监测雷达采用的是差分干涉测量法，采用一定散射角和特定频率的雷达天线发射接收微波信号，通过脉冲压缩技术达到很高的距离向分辨率，并利用雷达和目标边坡之间的相对位移形成合成孔径，达到很高的方位分辨率，通过利用不同时间采集的高分辨率二维图像的相位差反演得到亚毫米级精度的形变[11-12]。合成孔径边坡监测雷达通过对比一组已测图像数据，使用软件算法圈定目标边坡受气象条件影响最小的区域，并利用其来建立气候影响修正模型，还可输入内置气象修正程序，基本能够克服气象条件影响，做到全天候不间断精准监测。多次扫描叠加后形成的三维融合形变图直观呈现边坡表面的位移情况，通过颜色的深浅来判断位移发生的位置范围与形变程度(表1)。

表1 边坡表面位移监测技术比较Table 1 Comparison of slope surface displacement monitoring techniques

通过对比可以总结得到，合成孔径边坡雷达的监测精度高、测距量程大(监测范围更大)、受雨雾雪天气影响小等特点，相较于真实孔径雷达，合成孔径雷达还具有同等距离上监测单元更小、扫描速度更快等优势。

3 原方案模拟分析

3.1 系统构建

根据前期边坡稳定性分析研究成果，多宝山铜矿露天采场受北西向构造、北西向弧形构造、北东向构造影响，北西向、北东向边坡范围内断裂片理化带、断裂蚀变带比较发育，因此，将合成孔径边坡雷达监测站布置于采场东南侧稳定区域，雷达监测范围可覆盖西侧北侧边坡(图1)。采用交流工业电源并配备UPS不间断电源为雷达系统提供稳定的供电，同时，在现场雷达监测站设工业级无线网桥，将雷达监测数据远程传输至采坑西北侧境界边缘的露采指挥中心调度室，雷达监测数据与位移趋势分析结果可实时在调度室大屏显示，供边坡安全管理人员参考与决策。

图1 雷达监测站布置图Fig.1 Layout of radar monitoring station

合成孔径边坡雷达监测系统安装于方舱监测站内，方舱面向采场目标边坡一侧开设透波窗，如图2所示。该系统具有现场触屏图形化操控界面系统、一体化后备供电系统、高带宽综合数字通信系统等辅助系统，且配有室内设备看护视频以及室外目标边坡巡视视频，实现设备状态监测和监测目标边坡区域同步图像浏览功能。

图2 合成孔径雷达安装图Fig.2 Synthetic aperture radar installation

监测系统通过位移点云的颜色来直观表征边坡形变的位置与形变程度，由绿黄转为红色表示发生接近雷达方向的位移且越来越大，由绿青转为深蓝表示发生远离雷达方向的位移且越来越大，浅颜色表示位移较小，相对安全，深颜色表示位移较大，危险程度增加。绘制选定区域的量化位移变化趋势，根据形变趋势结合预警阈值，可以准确捕捉边坡滑移发生的前兆信息。边坡滑移的预警指标包括累积位移、位移速度和位移加速度，需综合3种预警指标来判断边坡是否具有滑移危险，设置了一级、二级、三级共三级预警。

3.2 预警过程分析

多宝山铜矿露天采场边坡雷达监测系统自2020年11月初投入使用以来运行稳定，获取了大量监测数据，本文选取2021年4月和5月的数据进行监测预警分析。

根据系统于2021年4月初—5月初的累积形变数据(图3)，可发现采场东北侧475～490 m平台附近有两块明显形变区域，一块大致呈圆斑形，位于475～490 m平台之间的台阶坡面，一块呈不规则条带状，沿475 m平台走向分布。圈定这两个分析区域(区域27和区域33)后，可发现左侧圆斑状变形区域27最大变形300 mm左右(曲线1)，平均变形也达到了120 mm左右；而条带状变形区域33平均变形约70 mm左右，最大变形约100 mm(曲线2)。

图3 雷达监测历史数据分析Fig.3 Analysis of historical radar monitoring data

圆斑状变形区域在2021年4月10日—12日、2021年4月16日—21日有2段比较明显的变形增大趋势段，4月22日后逐渐趋于平缓；条带状变形区域4月23日前变形比较缓慢，4月23日—5月10日间的变形相对发展，没有比较明显的加速变形趋势。观察位移速度曲线和位移加速度曲线，与累积位移变化趋势对应，加速度不明显，整体无明显失稳迹象(图4)。

检测系统于2021年5月13日连续发出预警信息，提示多宝山采场区域27(图4中曲线3和曲线4)触发一级预警(24小时内累积变形超过12 mm)。如图5所示为现场开裂情况。多宝山铜矿露天采场现场边坡安全管理人员迅速协调现场采取应对措施。经采矿工程师现场踏勘并结合该区域水文、工程地质资料，该区域岩石相对破碎，前期雨雪天气及周边爆破震动影响造成该区域发生明显变形现象，但经历了阶段不均匀变形后，变形曲线整体趋向平缓，说明该区域位移仍处于阶段稳定状态，暂时没有发生大面积滑坡的风险。

图4 报警区域细节Fig.4 Alarm area details

图5 现场开裂情况Fig.5 Site cracking

根据上述监测数据分析，春季降水/雪对多宝山铜矿露天边坡稳定性的影响比较明显，部分降水或雪融水通过边坡裂隙和土体吸水等方式深入边坡内部，在反复冻融作用下，对浅表裂隙岩体的稳定性造成较大影响，导致裂隙持续发展。合成孔径边坡雷达的高精度监测数据可以直观地发现冻融与春季降水作用下采场边坡软弱区域的滑移早期征兆，有效避免突发边坡滑塌造成危险事故。

4 结 论

1) 合成孔径边坡监测雷达在高寒地区露采高边坡进行了有效的应用，对多宝山铜矿露天采场的西帮边坡、北帮边坡进行了全天候、不间断持续监测，准确识别出边坡滑移的重点区域，基本掌握了边坡形变规律，为保障矿山安全生产发挥了重要的作用。

2) 监测数据显示，边坡总体位移情况呈缓慢上升态势，局部有散发的显著位移变化区域，但不足以引发边坡大规模滑移，现阶段边坡整体处于相对稳定状态，散发的显著位移区域形变发展受冻融作用及春季降水进程影响明显。

3) 合成孔径边坡监测雷达应用于滑坡预警需不断根据监测数据及现场复查情况进行预警值修正，需研究结合累积位移、位移速度、位移加速度的综合预警算法，提高临滑预警的准确性。