露天礦邊坡地基干涉雷達變形監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

樊 斌，李靜濤，郝燕奎

（1.山西潞安集團五陽煤礦，山西長治 046205；2.中煤平朔集團有限公司，山西朔州 036000；3.中煤地質(zhì)集團有限公司，北京 100040）

我國露天礦煤炭產(chǎn)量不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，相伴而來的是諸如片幫、崩塌、泥石流、地裂縫等露天礦邊坡地面災(zāi)害的頻繁發(fā)生，這些災(zāi)害不但影響了礦山的正常生產(chǎn)，而且對礦山工作人員安全構(gòu)成了嚴重的威脅。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國各類露天礦山中有40 %存在不同程度的邊坡安全隱患[1]。隨著露天礦開采深度的持續(xù)增加，邊坡角度不斷變陡，地應(yīng)力釋放不斷加大，露天礦邊坡安全形勢變得非常嚴峻，對其進行三維形變監(jiān)測是當(dāng)前的技術(shù)重點和難點[2]。然而，“智慧礦山”對露天礦邊坡地表三維形變監(jiān)測精度和時空分辨率的要求越來越高，常規(guī)的形變監(jiān)測技術(shù)無法滿足高精度、高時空分辨率的三維形變監(jiān)測需求，更無法實現(xiàn)露天礦邊坡地表三維形變信息的實時連續(xù)非接觸式測量[3]。

1 礦山概況

安家?guī)X露天礦位于山西省平朔露天煤礦，是中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司下屬的3 個大露天煤礦之一，礦田橫跨安家?guī)X和安太堡二號2 個勘探區(qū)。該礦田東西寬約7 842 m，南北長約6 556 m，面積28.883 2 km2，地理位置優(yōu)越，交通運輸便利。平朔礦區(qū)夏季降水量少且強度集中，全年75 %的降雨量均集中在夏季，晝夜溫差大，春季冬季大風(fēng)較多。該研究區(qū)域主要含水層有新近系和第四系松散巖類孔隙含水層、石炭-二疊系碎屑巖裂隙含水層及奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層，其補給源主要是大氣降水及地表河流水入滲補給。研究區(qū)內(nèi)多為黃土覆蓋，植被覆蓋稀少，溝谷發(fā)育。

2 地基干涉雷達變形監(jiān)測技術(shù)

2.1 地基干涉雷達變形監(jiān)測原理

用于現(xiàn)場露天礦邊坡變形監(jiān)測選取的儀器是意大利IDS 公司和佛羅倫薩大學(xué)共同研制的IBIS-M型地基干涉雷達系統(tǒng)。被廣泛應(yīng)用于邊坡、大壩、橋梁、高塔等地表和建筑物等的變形監(jiān)測工程中。

IBIS-M 型地基干涉雷達微小變形監(jiān)測系統(tǒng)將步進頻率連續(xù)波技術(shù)（SF-CW）、合成孔徑雷達技術(shù)（SAR）、差分相位干涉測量技術(shù)（DPIS）、永久散射體技術(shù)（PSI）4 項國際領(lǐng)先的技術(shù)相結(jié)合，專門用于礦山邊坡、礦區(qū)山體以及礦區(qū)建筑等微小位移變化的監(jiān)測[4-5]。步進頻率連續(xù)波技術(shù)能夠使得IBIS 系統(tǒng)得到1 個非常高的距離向分辨率，該系統(tǒng)的距離向分辨率可達0.5 m。合成孔徑雷達技術(shù)為設(shè)備提供了很高的角度向分辨率，就需要IBIS 主機在1 個滑軌上滑動，這就使得設(shè)備能夠分辨到雷達距離相等的點[6]。IBIS 系統(tǒng)使用2 m 長的滑軌，相當(dāng)于雷達的孔徑達到2 m，因此該系統(tǒng)能夠得到的角度向分辨率為4.5 mrad。干涉測量技術(shù)將在不同時間得到的被監(jiān)測目標(biāo)的相位信息的差異進行比較，從而計算獲取該時間段內(nèi)的位移變化量。永久散射體技術(shù)可以確保雷達系統(tǒng)獲得高質(zhì)量的像素點，從而保證監(jiān)測精度。通過永久散射體算法在整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)選擇一些高質(zhì)量像素點，并依據(jù)這些點來自動評估氣候的影響情況，之后再應(yīng)用于整個形變監(jiān)測區(qū)域[7]。此外，IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)有效監(jiān)測量程達4 km，實際監(jiān)測精度可達0.1 mm[8]。

2.2 地基干涉雷達技術(shù)與傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)對比

由于邊坡體內(nèi)部變形監(jiān)測儀器的安裝和布設(shè)極易破壞邊坡地表，因此在露天礦邊坡內(nèi)部安裝埋設(shè)形變監(jiān)測儀器的設(shè)計方案較少。然而，目前傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)在監(jiān)測精度、時空分辨率以及監(jiān)測成本等方面還存在很大的提升空間[9]。

GPS 技術(shù)在監(jiān)測單點三維空間形變方面有較高的監(jiān)測精度，但其空間分辨率受GPS 接收機個數(shù)的限制[10]；測量機器人在水平和垂直方向均有較高的監(jiān)測精度，但其空間分辨率同樣受到棱鏡點個數(shù)的限制[11]。最重要的是，以上2 種傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)僅能監(jiān)測覆蓋露天礦邊坡區(qū)域中監(jiān)測人員認為的不穩(wěn)定區(qū)域，但有很多人難以到達以及無法安裝接收機天線和棱鏡點的區(qū)域是無法進行變形監(jiān)測的。In－SAR 技術(shù)在LOS 方向有較高的監(jiān)測精度，但其時間分辨率受衛(wèi)星回訪周期的限制，且其監(jiān)測成本較高[12]。

2.3 IBIS-M 型地基雷達系統(tǒng)簡介

IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)可采集獲取被監(jiān)測區(qū)域的變形數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，并應(yīng)用實時數(shù)據(jù)處理軟件Guardian 對其進行實時處理和分析，最終可以根據(jù)監(jiān)測人員需求進行單點、區(qū)域的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化顯示、分析以及預(yù)警等功能[13]。

1）變形數(shù)據(jù)。IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊，可以采集獲取被監(jiān)測區(qū)域的變形量數(shù)據(jù)、變形速率數(shù)據(jù)、變形速率倒數(shù)數(shù)據(jù)以及振幅數(shù)據(jù)等變形信息。IBIS-M 實時數(shù)據(jù)處理軟件Guardian 既可以選擇采集、處理以及可視化單個監(jiān)測點的以上4 種變形數(shù)據(jù)信息，也可以選擇重點監(jiān)測區(qū)域進行以上信息的采集和可視化[14]。

2）氣象數(shù)據(jù)。IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)配套安裝的Vantage Pro2 型氣象站可以堅持獲取被監(jiān)測區(qū)域的降雨量、降雨持續(xù)時間、濕度以及溫度等影響邊坡變形因素的信息。Vantage Pro2 型氣象站采集獲取的折射率、溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象信息還可以作為SAR 數(shù)據(jù)大氣校正模型的校正參數(shù)[15]。

3）預(yù)警功能。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)概況和大量監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測人員可根據(jù)礦區(qū)被監(jiān)測區(qū)域?qū)嶋H情況設(shè)置相適應(yīng)的預(yù)警閾值，如果系統(tǒng)監(jiān)測變形數(shù)據(jù)超過對應(yīng)級別的預(yù)警閾值，會自動進行相應(yīng)級別的報警，從而提示監(jiān)測人員采取相應(yīng)的預(yù)防措施[16]。

3 地基干涉雷達技術(shù)在露天礦邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 邊坡變形監(jiān)測方案

此次監(jiān)測應(yīng)用選取安家?guī)X露天礦北幫邊坡作為被監(jiān)測區(qū)域，選取南幫邊坡上1 處穩(wěn)定基巖布設(shè)IBIS-M 型地基干涉雷達系統(tǒng)，經(jīng)測量勘察，該基巖區(qū)域較為穩(wěn)定，且距離被監(jiān)測區(qū)域北幫邊坡最遠監(jiān)測距離為2.6 km，該距離在4 km 測量量程范圍內(nèi)。為了保證IBIS-M 系統(tǒng)精密采集模塊免受降雨、大風(fēng)以及礦區(qū)現(xiàn)場灰塵的影響，制作了活動房并將IBIS-M 系統(tǒng)放置其中。

根據(jù)研究區(qū)域大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和試驗，最終選定變形速率作為系統(tǒng)預(yù)警的主要參數(shù)，并對各預(yù)警級別閾值進行了設(shè)置，預(yù)警預(yù)報級別和閾值見表1。

表1 結(jié)合礦山邊坡形變速率設(shè)定的預(yù)警預(yù)報級別和閾值

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在2011 年5 月11 日，監(jiān)測區(qū)域的中部發(fā)生了邊坡片幫，但由于IBIS-M 系統(tǒng)監(jiān)測在早期就識別到了該變形異常區(qū)域并作出及時預(yù)警和處理，及時采取了相應(yīng)處理措施，未造成任何人員和財產(chǎn)的損失。為了在將來更好的應(yīng)用地基干涉雷達技術(shù)對邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害進行預(yù)警，將這次變形異常區(qū)域的全程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理和分析，從中探索和分析應(yīng)用地基干涉雷達采集獲取的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的片幫特征演變規(guī)律。

為了方便區(qū)分邊坡變形程度，根據(jù)IBIS-M 型地基雷達系統(tǒng)監(jiān)測獲取的變形量數(shù)據(jù)將邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的演變過程劃分為穩(wěn)定、初始變形、裂縫、塌陷以及失穩(wěn)等5 個階段，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)對每個階段的變形特征進行了分析，為后續(xù)從地基干涉雷達采集的變形數(shù)據(jù)角度識別判斷邊坡的災(zāi)害階段提供依據(jù)。形變時間序列如圖1。

圖1 露天礦邊坡地表變形演化過程形變時間序列

1）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有零星的少數(shù)變形點，且變形點具有變形程度偏低以及無聚集現(xiàn)象，將此階段稱之為“穩(wěn)定階段”。

2）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表明顯出現(xiàn)變形異常點增多的現(xiàn)象，且變形點較為集中，將該階段稱之為“初始變形階段”，有變形但未發(fā)生破壞的邊坡都處在這個階段。

3）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表明顯出現(xiàn)變形異常點更為集中，且變形程度持續(xù)增大的現(xiàn)象，變形異常點集中區(qū)域呈現(xiàn)“長條狀”，將該階段稱之為“裂縫階段”。

4）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表明顯出現(xiàn)變形異常點集中和變形程度增大繼續(xù)加劇的現(xiàn)象，變形異常點集中區(qū)域由上一階段的“長條狀”發(fā)展為“片狀”，將此階段稱之為“塌陷階段”。

5）中邊坡重點監(jiān)測區(qū)域地表變形異常點的變形量參數(shù)、變形速率參數(shù)以及變形加速度參數(shù)均急劇增大，變形異常區(qū)域在空間形式上呈現(xiàn)快速擴張趨勢，將該階段稱之為“失穩(wěn)階段”。在該演變過程中，最大變形量設(shè)置為160 mm，通過各階段的累計變形量來判斷邊坡的變形破壞演變程度。

在日常的監(jiān)測中，除了應(yīng)用IBIS 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析以外，還要結(jié)合現(xiàn)場以及天氣情況綜合進行分析。當(dāng)在雷達圖上發(fā)現(xiàn)有位移情況的發(fā)生時，需到現(xiàn)場進行對照勘察。礦區(qū)邊坡現(xiàn)場的裂縫以及積水情況都會成為邊坡失穩(wěn)的誘因。此外，降雨也是造成邊坡失穩(wěn)的一個重要誘發(fā)因素，在降雨后的幾天，需要密切關(guān)注礦區(qū)邊坡現(xiàn)場以及相應(yīng)的IBIS 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

針對平朔安家?guī)X露天礦邊坡地質(zhì)概況和巖土體地質(zhì)特征，為確保礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性，采用IBIS-M 型地基雷達微小變形監(jiān)測系統(tǒng)對北幫邊坡進行實時監(jiān)測。根據(jù)以往該礦成功監(jiān)測、獲取并預(yù)警處理的一起邊坡變形異常事件監(jiān)測數(shù)據(jù)回顧，通過對該事件全過程變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的演變特征分析，根據(jù)IBIS-M型地基雷達系統(tǒng)監(jiān)測獲取的變形量數(shù)據(jù)將邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的演變過程劃分為完好、變形、裂縫、塌陷以及失穩(wěn)等5 個階段，并對各個階段的變形特征和地基干涉雷達數(shù)據(jù)影像進行了特征分析，為今后地基干涉雷達技術(shù)在露天礦邊坡的監(jiān)測應(yīng)用提供了依據(jù)和參考。