真实孔径边坡雷达监测在霍林河北露天煤矿的应用

时间：2024-07-28

王立文

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

随着我国露天煤矿开采年限的不断增长，开采标高的不断加深，其地质条件也日益复杂，边坡稳定性问题越发突出，尤其是内蒙古呼伦贝尔、霍林郭勒及锡林浩特等地的露天煤矿。这些地区的岩层类型大多属于软岩边坡，其稳定性受地质构造、大气降水、地下水运动、工程扰动以及时间、空间等多方面因素影响较大，极易发生失稳破坏，产生片帮、滑坡等地质灾害，严重制约露天煤矿的可持续发展[1-3]。

软岩边坡的稳定性问题一直是露天煤矿边坡治理的主要难题，其变形破坏机理尤为复杂，是边坡安全工程中最重要的科研课题之一。近年来随着科学技术的不断进步，我国各大露天煤矿逐渐采用了新型的边坡监测预警技术，即边坡雷达来构建自身的边坡稳定性监测预警体系。这种技术以大面积、远距离、高精度、全天时及全天候为特点，能够对露天煤矿的采场边坡、排土场边坡等易发生失稳破坏的区域进行远程监控，并能提前数小时乃至数天发出临滑预警，避免造成人员及设备损失，有效保障露天煤矿的生产安全[4-5]。为此，通过边坡雷达对内蒙古霍林河北露天煤矿的实际监测案例进行趋势分析。

1 工程概况

1）项目情况。内蒙古霍林河北露天煤矿属于霍林河盆地，矿区地层由晚侏罗世兴安岭群火山岩系、晚侏罗-早白垩世霍林河群含煤岩系和新生界新近系、第四系组成。地质构造以断裂构造为主，褶曲不太发育，是由周围老盘构成的中低山所环绕的盆地，因而煤田内、外含水层包括煤系风化带水、火山碎屑岩裂隙水以及第四系砂砾石含水层等，均以大气降水为主要补给水源，主要集中在6、7、8 3 个月内。矿区边坡岩体自下至上依次为含煤岩系、第四系，内外排土场主要来自采场边坡中的粉砂岩、细砂岩等，各帮边坡岩性条件较差，属于典型的软岩边坡，内外排土场属于软弱基底内排土场，工程地质条件不利于边坡稳定，受自身地质构造或外部自然、人工等因素影响极易造成边坡失稳破坏，严重威胁露天煤矿的安全生产。

2）监测手段。随着露天煤矿采区的逐步降深，鼻梁道对排土场的支撑作用日趋显著，但为实现一二采区的顺利贯通，保障贯通过程中破除鼻梁道的安全施工，应加强鼻梁道支撑排土场的边坡监测。经过多种边坡监测预警技术对比，决定采用新型的边坡雷达组建一套软岩边坡稳定性监测预警系统。

2 边坡雷达技术

目前我国各大露天矿山主流应用的边坡雷达按技术原理划分主要有2 类，一类是合成孔径雷达技术，另一类是真实孔径雷达技术。合成孔径雷达衍生于航空航天测绘技术，其基于差分干涉雷达（DInSAR）技术，以运动轨道代替实际天线，通过在轨道上进行水平往复扫描获取监测数据[6-7]。真实孔径雷达是一种基于差值干涉测量法，利用雷达波测量边坡岩体微小变形的新一代边坡监测预警技术，通过碟形天线进行步进逐行扫描获取监测数据。真实孔径雷达相较于合成孔径雷达具有扫描角度大、获取数据快、适应能力强及移设方便等优势，可以更好地服务于露天矿山的边坡安全工程。

真实孔径雷达是一套用于露天矿山边坡稳定性监测预警的新型技术设备，其发射高频雷达波对边坡岩体进行连续、反复的测量，以类光斑像素点渐进式的扫描边坡表面，通过与前一次的监测数据进行解析对比，从而获得边坡岩体时间序列上的位移数据和速度数据，随着监测周期的延续可以逐渐构建出每个像素点的位移变化曲线和速度变化曲线，最终由点到面的生成可以反映所有边坡岩体实时变形情况的三维云图。

真实孔径雷达的优势在于无需布置在被测边坡表面进行接触式测量，即能以亚毫米的精度对整个边坡进行监测预警。通过快速识别潜在的失稳边坡，可以提前数小时乃至数天预测预报边坡崩塌的发生概率，最大限度地减少滑坡灾害引起的损失，有效保障作业人员与车辆的安全，还可以对露天煤矿存在安全隐患的采场边坡进行动态监测，实现安全生产效率最大化。

3 边坡滑坡预警机制

3.1 预警原理

滑坡是一种危害性较大的地质灾害，一旦发生将会给露天煤矿的生产和安全带来严重影响，甚至造成巨大的生命财产损失。露天煤矿的软岩边坡在形成过程中，由于受坡体内软弱夹层的流变特性控制，其边坡岩体普遍具有蠕动变形的特性，极易演化为片帮、滑坡等地质灾害。通过大量的滑坡案例可以发现，位移变形是软岩边坡发生失稳破坏前最明显、最直观、最容易捕捉的外在表现。经过长时间研究滑坡过程中边坡岩体的位移变化数据。典型滑坡位移-时间序列变化曲线模型如图1。

图1 典型滑坡位移-时间序列变化曲线图

由图1 的典型滑坡位移-时间序列变化曲线可以看出，软岩边坡在滑坡演变过程中具有3 个阶段的变形特征：即初始变形阶段、匀速变形阶段和加速变形阶段；其中加速变形阶段还可以细分为加速变形初期、加速变形中期和加速变形后期。一旦进入加速变形后期，就预示着软岩边坡已经进入临滑阶段，边坡岩体随时都会发生失稳破坏，即发生滑坡。因此，利用一定的技术手段准确掌握、判断边坡的变形演化规律是进行边坡稳定性监测预警的基础[8-9]。

1）初始变形阶段表现为减速变化的特点。一般发生在边坡形成的早期，其临空自由面出现一定程度的位移变形，该阶段存在时间较短，危险性较低。

2）匀速变形阶段表现为等速变化的特点。为边坡长期保持的状态，其滑坡位移-时间序列变化曲线呈现斜率恒定的直线形态，即位移变形较小，该阶段存在时间最长。

3）加速变形阶段表现为加速变化的特点。为边坡出现稳定性失衡的状态，其滑坡时位移-时间序列变化曲线呈现斜率不断增大的抛物线形态，即位移变形逐渐增大。当边坡内部的应力达到一定的临界值后会集中释放，最终导致滑坡的发生。

3.2 预警级别

真实孔径雷达对软岩边坡进行稳定性监测预警的工作模式是通过实时掌握边坡岩体的位移数据和速度数据，快速识别潜在的失稳区域，再依据典型滑坡位移-时间序列变化曲线与雷达的位移、速度变化曲线进行拟合对比，判断当前软岩边坡所处的变形阶段，并有针对性的制定预警级别[10]。

根据以往软岩边坡的滑坡监测资料，可以在加速变形阶段的3 个阶段分别设置三级预警，其警报形式和预警阈值见表1。

表1 三级预警表

当触发三级预警阈值时，应对预警信息进行险情识别和危险性评估，其监测数据应符合下列规定：①位移、速度变化曲线呈现加速趋势；②预警区域无外部影响因素；③预警区域面积大于100 m2。

符合上述条件后，应启动相应级别的应急响应预案，其汇报程序如下：

1）当变形速度达到8 mm/h 时，触发Ⅲ级黄色预警，应立即将预警区域的位置、面积及影响范围汇报给生产调度指挥中心，并将此区域划分为重点监测区域。

2）当变形速度达到15 mm/h 时，触发Ⅱ级橙色预警，应建议生产调度指挥中心撤离此区域的作业人员及设备；

3）当变形速度达到30 mm/h 时，触发Ⅰ级红色预警，应立即发布临滑预警指令，并通知全矿人员及设备撤离该区域。

4 监测应用

4.1 监测过程

2020 年11 月22 日19:00，真实孔径雷达的三维云图显示内蒙古霍林河北露天煤矿出现1 处异常变形区域，其位于西坑北帮824～890 m 水平区域，变形面积为120 m×70 m，变形速度为8 mm/h，累积位移为127 mm，同时该区域的位移、速度曲线呈现加速变化的趋势，触发了Ⅲ级黄色预警。在启动应急响应预案的同时将相应的监测情况汇报给生产调度指挥中心，在得到加强监测的指示后将此区域划分为重点监测区域，并实行24 h 实时跟踪监测。随着时间的推移，三维云图显示异常变形区域的位移、速度曲线呈现进一步加速的趋势，至2020 年11 月22 日23:00 异常变形区域的变形速度达到15 mm/h，累积位移达到176 mm，触发了Ⅱ级橙色预警，根据应急响应预案相关规定建议生产调度指挥中心撤离此区域的作业人员及车辆。至2020 年11 月23 日10：00异常变形区域的变形速度达到30 mm/h，累积位移达到461 mm，并呈现非常明显的加速趋势，触发了Ⅰ级红色预警，立即发布了临滑预警指令，通知全矿人员及设备撤离该区域。

在临滑预警指令发出12 h 后，即2020 年11 月23 日22:00 异常变形区域变形速度达到85 mm/h，累积位移达到1 077 mm，其上部890 m 水平平台的裂隙逐渐加大加深，同时发生明显的台阶沉降，最终形成1 次缓慢的蠕动型滑坡。位移曲线如图2，异常变形区域的速度曲线如图3。

图2 累积位移曲线图

图3 变形速度曲线图