高寒地區(qū)露采高邊坡合成孔徑雷達(dá)在線監(jiān)測預(yù)警研究

唐維凱，王利崗，賴鵬輝，盧 堯，張旭峰，李垚萱，侯佩喜，李 坤

(1.黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司，黑龍江 黑河 161416；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；3.遼寧省本溪滿族自治縣應(yīng)急管理事務(wù)中心草河城鎮(zhèn)應(yīng)急服務(wù)站，遼寧 本溪 117109)

隨著我國金屬資源開發(fā)利用程度不斷加深，露天開采逐漸向深部挺進(jìn)，形成了大量超過200 m的高邊坡。邊坡穩(wěn)定性是露采礦山安全可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵，由于已揭露邊坡分布范圍大，不同位置水文地質(zhì)條件差異性明顯，且受外界降水、凍融等氣象條件作用下完整性和強(qiáng)度不斷下降，容易誘發(fā)邊坡滑塌事故，但露天邊坡的穩(wěn)定性長期以來無法得到全面準(zhǔn)確的持續(xù)跟蹤監(jiān)測，因此，確定一種能夠全面穩(wěn)定監(jiān)測大范圍邊坡穩(wěn)定性的在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)對露天礦山的持續(xù)穩(wěn)定安全生產(chǎn)具有重要意義。本文結(jié)合多寶山銅礦露采邊坡監(jiān)測的具體情況，研究了合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)在高寒地區(qū)露采高邊坡中的應(yīng)用與實(shí)踐效果。

1 監(jiān)測邊坡概況

多寶山銅礦采區(qū)位于黑龍江省黑河市嫩江縣北部多寶山鎮(zhèn)，地處小興安嶺山系西南坡，嫩江上游東岸低山丘陵地帶，區(qū)內(nèi)氣候嚴(yán)寒，為寒溫帶氣候，凍結(jié)期從每年九月上旬至翌年五月下旬。受寒冷氣候影響，融凍剝蝕作用比較強(qiáng)烈，冰緣地貌和相應(yīng)的物理地質(zhì)現(xiàn)象在區(qū)內(nèi)發(fā)育較為典型。根據(jù)前期多寶山銅礦露天采場邊坡穩(wěn)定性分析等研究成果，采場范圍內(nèi)無活動性大斷裂分布，但受礦區(qū)北西向構(gòu)造、北西向弧形構(gòu)造、北東向構(gòu)造影響，采區(qū)內(nèi)斷裂片理化帶、斷裂蝕變帶及次一級小斷裂、小蝕變帶比較發(fā)育。

截至目前，多寶山銅礦露天采場最低已經(jīng)開挖至+282 m標(biāo)高以深，最高標(biāo)高+567 m，形成的最高邊坡已超過285 m，且各方向上邊坡均超過200 m，根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，多寶山銅礦露天采場邊坡需進(jìn)行在線監(jiān)測。

2 邊坡監(jiān)測現(xiàn)狀

從前期穩(wěn)定性分析研究來看，多寶山銅礦邊坡無大型滑坡體分布，但存在較多的小范圍地質(zhì)構(gòu)造軟弱帶和裂隙發(fā)育帶，且位置分布較為分散，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段如分立式表面位移監(jiān)測(GNSS、全站儀型自動監(jiān)測機(jī)器人等)很難全面掌握邊坡各處發(fā)生的滑移前兆變形信息[1-5]，邊坡監(jiān)測雷達(dá)(合成孔徑雷達(dá)或真實(shí)孔徑雷達(dá))、三維激光掃描儀等面監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)正是為了解決全面監(jiān)測邊坡位移發(fā)展趨勢難題的新興技術(shù)，其中，合成孔徑雷達(dá)的干涉測量技術(shù)在大范圍邊坡面監(jiān)測方面有其獨(dú)到的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢[6-10]。合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)采用的是差分干涉測量法，采用一定散射角和特定頻率的雷達(dá)天線發(fā)射接收微波信號，通過脈沖壓縮技術(shù)達(dá)到很高的距離向分辨率，并利用雷達(dá)和目標(biāo)邊坡之間的相對位移形成合成孔徑，達(dá)到很高的方位分辨率，通過利用不同時間采集的高分辨率二維圖像的相位差反演得到亞毫米級精度的形變[11-12]。合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)通過對比一組已測圖像數(shù)據(jù)，使用軟件算法圈定目標(biāo)邊坡受氣象條件影響最小的區(qū)域，并利用其來建立氣候影響修正模型，還可輸入內(nèi)置氣象修正程序，基本能夠克服氣象條件影響，做到全天候不間斷精準(zhǔn)監(jiān)測。多次掃描疊加后形成的三維融合形變圖直觀呈現(xiàn)邊坡表面的位移情況，通過顏色的深淺來判斷位移發(fā)生的位置范圍與形變程度(表1)。

表1 邊坡表面位移監(jiān)測技術(shù)比較Table 1 Comparison of slope surface displacement monitoring techniques

通過對比可以總結(jié)得到，合成孔徑邊坡雷達(dá)的監(jiān)測精度高、測距量程大(監(jiān)測范圍更大)、受雨霧雪天氣影響小等特點(diǎn)，相較于真實(shí)孔徑雷達(dá)，合成孔徑雷達(dá)還具有同等距離上監(jiān)測單元更小、掃描速度更快等優(yōu)勢。

3 原方案模擬分析

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)前期邊坡穩(wěn)定性分析研究成果，多寶山銅礦露天采場受北西向構(gòu)造、北西向弧形構(gòu)造、北東向構(gòu)造影響，北西向、北東向邊坡范圍內(nèi)斷裂片理化帶、斷裂蝕變帶比較發(fā)育，因此，將合成孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測站布置于采場東南側(cè)穩(wěn)定區(qū)域，雷達(dá)監(jiān)測范圍可覆蓋西側(cè)北側(cè)邊坡(圖1)。采用交流工業(yè)電源并配備UPS不間斷電源為雷達(dá)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電，同時，在現(xiàn)場雷達(dá)監(jiān)測站設(shè)工業(yè)級無線網(wǎng)橋，將雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至采坑西北側(cè)境界邊緣的露采指揮中心調(diào)度室，雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)與位移趨勢分析結(jié)果可實(shí)時在調(diào)度室大屏顯示，供邊坡安全管理人員參考與決策。

圖1 雷達(dá)監(jiān)測站布置圖Fig.1 Layout of radar monitoring station

合成孔徑邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)安裝于方艙監(jiān)測站內(nèi)，方艙面向采場目標(biāo)邊坡一側(cè)開設(shè)透波窗，如圖2所示。該系統(tǒng)具有現(xiàn)場觸屏圖形化操控界面系統(tǒng)、一體化后備供電系統(tǒng)、高帶寬綜合數(shù)字通信系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，且配有室內(nèi)設(shè)備看護(hù)視頻以及室外目標(biāo)邊坡巡視視頻，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和監(jiān)測目標(biāo)邊坡區(qū)域同步圖像瀏覽功能。

圖2 合成孔徑雷達(dá)安裝圖Fig.2 Synthetic aperture radar installation

監(jiān)測系統(tǒng)通過位移點(diǎn)云的顏色來直觀表征邊坡形變的位置與形變程度，由綠黃轉(zhuǎn)為紅色表示發(fā)生接近雷達(dá)方向的位移且越來越大，由綠青轉(zhuǎn)為深藍(lán)表示發(fā)生遠(yuǎn)離雷達(dá)方向的位移且越來越大，淺顏色表示位移較小，相對安全，深顏色表示位移較大，危險程度增加。繪制選定區(qū)域的量化位移變化趨勢，根據(jù)形變趨勢結(jié)合預(yù)警閾值，可以準(zhǔn)確捕捉邊坡滑移發(fā)生的前兆信息。邊坡滑移的預(yù)警指標(biāo)包括累積位移、位移速度和位移加速度，需綜合3種預(yù)警指標(biāo)來判斷邊坡是否具有滑移危險，設(shè)置了一級、二級、三級共三級預(yù)警。

3.2 預(yù)警過程分析

多寶山銅礦露天采場邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)自2020年11月初投入使用以來運(yùn)行穩(wěn)定，獲取了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文選取2021年4月和5月的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警分析。

根據(jù)系統(tǒng)于2021年4月初—5月初的累積形變數(shù)據(jù)(圖3)，可發(fā)現(xiàn)采場東北側(cè)475～490 m平臺附近有兩塊明顯形變區(qū)域，一塊大致呈圓斑形，位于475～490 m平臺之間的臺階坡面，一塊呈不規(guī)則條帶狀，沿475 m平臺走向分布。圈定這兩個分析區(qū)域(區(qū)域27和區(qū)域33)后，可發(fā)現(xiàn)左側(cè)圓斑狀變形區(qū)域27最大變形300 mm左右(曲線1)，平均變形也達(dá)到了120 mm左右；而條帶狀變形區(qū)域33平均變形約70 mm左右，最大變形約100 mm(曲線2)。

圖3 雷達(dá)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)分析Fig.3 Analysis of historical radar monitoring data

圓斑狀變形區(qū)域在2021年4月10日—12日、2021年4月16日—21日有2段比較明顯的變形增大趨勢段，4月22日后逐漸趨于平緩；條帶狀變形區(qū)域4月23日前變形比較緩慢，4月23日—5月10日間的變形相對發(fā)展，沒有比較明顯的加速變形趨勢。觀察位移速度曲線和位移加速度曲線，與累積位移變化趨勢對應(yīng)，加速度不明顯，整體無明顯失穩(wěn)跡象(圖4)。

檢測系統(tǒng)于2021年5月13日連續(xù)發(fā)出預(yù)警信息，提示多寶山采場區(qū)域27(圖4中曲線3和曲線4)觸發(fā)一級預(yù)警(24小時內(nèi)累積變形超過12 mm)。如圖5所示為現(xiàn)場開裂情況。多寶山銅礦露天采場現(xiàn)場邊坡安全管理人員迅速協(xié)調(diào)現(xiàn)場采取應(yīng)對措施。經(jīng)采礦工程師現(xiàn)場踏勘并結(jié)合該區(qū)域水文、工程地質(zhì)資料，該區(qū)域巖石相對破碎，前期雨雪天氣及周邊爆破震動影響造成該區(qū)域發(fā)生明顯變形現(xiàn)象，但經(jīng)歷了階段不均勻變形后，變形曲線整體趨向平緩，說明該區(qū)域位移仍處于階段穩(wěn)定狀態(tài)，暫時沒有發(fā)生大面積滑坡的風(fēng)險。

圖4 報(bào)警區(qū)域細(xì)節(jié)Fig.4 Alarm area details

圖5 現(xiàn)場開裂情況Fig.5 Site cracking

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，春季降水/雪對多寶山銅礦露天邊坡穩(wěn)定性的影響比較明顯，部分降水或雪融水通過邊坡裂隙和土體吸水等方式深入邊坡內(nèi)部，在反復(fù)凍融作用下，對淺表裂隙巖體的穩(wěn)定性造成較大影響，導(dǎo)致裂隙持續(xù)發(fā)展。合成孔徑邊坡雷達(dá)的高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直觀地發(fā)現(xiàn)凍融與春季降水作用下采場邊坡軟弱區(qū)域的滑移早期征兆，有效避免突發(fā)邊坡滑塌造成危險事故。

4 結(jié) 論

1) 合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)在高寒地區(qū)露采高邊坡進(jìn)行了有效的應(yīng)用，對多寶山銅礦露天采場的西幫邊坡、北幫邊坡進(jìn)行了全天候、不間斷持續(xù)監(jiān)測，準(zhǔn)確識別出邊坡滑移的重點(diǎn)區(qū)域，基本掌握了邊坡形變規(guī)律，為保障礦山安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用。

2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，邊坡總體位移情況呈緩慢上升態(tài)勢，局部有散發(fā)的顯著位移變化區(qū)域，但不足以引發(fā)邊坡大規(guī)?；?，現(xiàn)階段邊坡整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，散發(fā)的顯著位移區(qū)域形變發(fā)展受凍融作用及春季降水進(jìn)程影響明顯。

3) 合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達(dá)應(yīng)用于滑坡預(yù)警需不斷根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場復(fù)查情況進(jìn)行預(yù)警值修正，需研究結(jié)合累積位移、位移速度、位移加速度的綜合預(yù)警算法，提高臨滑預(yù)警的準(zhǔn)確性。