MSR边坡稳定性雷达在凹山铁矿的应用*

王立文　刘文胜　揣　新

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司)



MSR边坡稳定性雷达在凹山铁矿的应用*

王立文1刘文胜2揣新2

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司)

摘要MSR(Movement and surveying radar)边坡稳定性雷达是一套从南非REUTECH雷达系统有限公司引进的新型边坡稳定性监测系统，并在马钢集团凹山采场得到了成功应用。介绍了该监测系统的工作原理、系统组成、技术参数以及应用成果，为国内大中型露天矿进一步完善边坡稳定性监测系统提供了一种新的技术模式。

关键词露天矿MSR边坡稳定性雷达监测系统

近年来，随着我国采掘技术的快速发展，露天矿的开采规模不断扩大，开采深度不断下降，逐步形成了凹陷采场或深凹采场，客观造成了我国各大露天矿形成了越来越多的长边坡、高边坡[1]。露天矿的边坡受自身地质条件变动、采掘活动和天气变化等因素的影响可能使边坡原本的稳定性出现潜在的不确定性。据不完全统计，我国不稳定边坡或具有滑坡危险的潜在不稳定边坡占边坡总长度的15%～20%，个别露天矿甚至高达30%以上。边坡稳定性雷达可对边坡进行全面的数据分析，在边坡出现失稳预兆时进行有效预警，最大限度地降低露天矿发生滑坡灾害事故所造成的损失。在露天矿开采过程中，边坡稳定性雷达还可对存在边坡稳定性隐患的区域进行24h实时监测，在不影响边坡稳定的基础上进行合理开采，实现生产效益最大化。MSR边坡稳定性雷达是一套用于露天矿的边坡稳定性测量和监测的技术装备，不受雨雪、灰尘、雾霾等天气的干扰，无需与监测区域的边坡岩体发生任何接触，可以次毫米级精度对整个边坡岩体表面进行24h实时监测，能够实现快速预警，减小滑坡灾害事故导致的损失，确保露天矿安全生产。

1MSR边坡稳定性雷达

1.1工作原理

MSR边坡稳定性雷达的基本原理是首先将高频电磁能量(无线电波)发送至目标方向，然后接收从目标物反射回的电波，其中目标物的信息可在返回的电波中得到。在MSR边坡稳定性雷达的实际监测过程中，目标物即为监测区域内的边坡岩体，测量得到的数据为边坡岩体的绝对位移和相对位移。

1.1.1绝对位移

绝对位移是指从雷达天线收发器到监测区域边坡岩体的距离。图1展示了从雷达天线收发器发出无线电波传输至目标物(该段时间用t1表示)，其中一些无线电波被目标物反射回且被雷达天线收发器接收(该段时间用t2表示)的情况。在该过程中，MSR边坡稳定性雷达通过精确测量无线电波发射和反射回的时间和(t1+t2)，可计算出边坡岩体的绝对位移。对雷达而言，无线电波的速度为光速。通过MSR边坡稳定性雷达计算出的绝对位移可精确至0.1m，一般用于在实时监测及数据分析软件MSRHMI中生成监测区域边坡岩体的三维立体模型，也可完全用于建立整个露天矿边坡的三维地质模型。

图1　雷达信号绝对位移的测量原理

1.1.2相对位移

相对位移是指监测区域边坡岩体的位移变化量，可从返回信号的相位变化量得到。MSR边坡稳定性雷达可通过测量目标物移动前后2次雷达信号的相位移动，将其转换为相对位移的变化量。在监测过程中，MSR边坡稳定性雷达可自动测量监测区域内所有边坡岩体的微小相对位移变化，并通过实时监测及数据分析软件MSRHMI，反映出监测区域边坡岩体的运动变化情况(图2)。

图2　雷达信号相对位移测量

1.2系统组成

MSR边坡稳定性雷达系统主要分为硬件和软件2个部分，硬件包括：①拖车，伸缩支架、托钩、导轮、停车制动；②电子附件，系统数字处理器和人机接触面HMI、天线指向装置电子附件、气象站、通信模块、警示灯 、紧急停止装置和工具箱；③电力供应系统，柴油发电机、带电池的供电装置、供电系统顶盖装置、控制面板、油箱；④雷达系统，雷达天线雷达、无线收发器、天线定位装置。MSR边坡稳定性雷达如图3所示。

图3　MSR边坡稳定性雷达

MSR边坡稳定性雷达软件主要包括实时监测及数据分析软件MSRHMI(图4)、数据传输软件WinSCP、雷达电脑内置Linux操作系统。

图4　实时监测及数据分析软件MSR HMI界面

1.3技术特点

MSR边坡稳定性雷达技术特点为：①测量精度达到±0.2mm，监测距离达2 500m；②无需与监测区域边坡岩体发生任何接触，保障监测人员和设备的安全；③实现24h连续监测，便于监测人员实时掌握边坡岩体的变化情况；④自动生成边坡的三维立体模型，可直观反映岩体的运动情况；⑤自带拖车，可移动，布置快捷；⑥独立工作，自备动力，无需外接电源；⑦在任何气候条件下均可操作(不受雨雪、灰尘、雾霾等干扰)，其环境条件见表1。

表1　MSR雷达工作的环境条件

2应用成果

在未引进MSR边坡稳定性雷达之前，马钢集团凹山采场的边坡稳定性监测主要通过在出现裂缝的边坡台阶表面布置若干监测点，人工巡视并测量边坡岩体的变化情况[1]。该方式缺点有：①监测点少、精度低、人为误差大，仅可测量边坡台阶表面的裂缝变化情况，无法监测整个监测区域边坡岩体的运动情况；②测量活动受环境变化的影响较大，无法实现24h实时监测；③测量人员在边坡台阶进行现场测量，工作量大且存在安全隐患。

2012年，为合理利用凹山采场资源，提出了残矿回收方案，需对东帮、南帮局部进行了扩帮作业。在扩帮过程中，受自身地质条件、雨雪和爆破作业等因素的影响，而边坡极易发生滑坡灾害。为此，对该矿现有的边坡稳定性监测系统进行了升级，采用MSR边坡稳定性雷达对上述区域进行监测和预警。自2012年从南非REUTECH雷达系统有限公司引进以来，MSR边坡稳定性雷达已在凹山采场监测了5a。该期间内除了对MSR边坡稳定性雷达进行必要的保养和日常维护外，未出现任何故障，达到了24h实时监测的目的。在长时间的监测过程中，MSR边坡稳定性雷达收集了大量的监测数据并建立了大数据库，为进一步研究凹山铁矿边坡稳定性规律提供了丰富的数据资源。

3结语

对马钢集团凹山铁矿MSR边坡稳定性雷达的原理、技术参数、系统构成进行了详细分析，并对该系统的应用成果进行了介绍，对于确保该矿安全生产有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]孙厚广，李世海，冯春，等.露天矿边坡安全管理SEA模式及其应用研究[J].金属矿山，2016(3)：151-155.

[2]程斌，刘文胜，陈能革.凹山采场边坡稳定性监测监控系统[J].现代矿业，2013(10)：142-143.

(收稿日期2016-03-28)

*国家自然科学基金面上项目(编号：51274122)；国家自然科学基金煤炭联合基金项目(编号：U1361211)。

王立文(1989—)，男，助理工程师，113000 辽宁省抚顺市经济开发区滨河路11号。