边坡雷达在露天矿山高陡边坡监测预警中的应用

邓绍刚，王少杰

（ 1.攀钢集团矿业有限公司，四川 攀枝花 617000；2.中国矿业大学（北京），北京 100083 ）

0 引言

在矿产资源开采中，露天矿山边坡在露天矿采场或其周边，因采矿作业形成的人工边坡和对矿山安全有影响的自然边坡[1]。随着矿山开采活动向深部推进，矿山总边坡高度逐年增加，在形成永久靠帮边坡后，裸露边坡受物理、化学、生物风化等外力作用下，边坡原有的岩体结构经年累月受到侵蚀、应力重构，形成新的稳定体[2]。尤其是大型露天矿山服务年限长，开采强度大、受爆破震动影响更频繁、烈度更大，风化程度更为严重，而且边坡下方作业设备、人员密集[3]。一旦发生滑坡，将直接威胁生产人员的安全，对人民财产造成极大损失。

因此，对露天矿山高陡边坡稳定性的关键可测参数进行在线监测，对重点区域进行日变形量、时变形量、时变形速率等分析，及时研判边坡变形趋势，分析边坡稳定性情况，对边坡垮塌、滑坡进行预警预报，防止出现人员伤亡和严重经济损失的情况。目前，边坡的稳定性监测已成为露天矿山边坡管理的重要内容。

1 边坡雷达基本原理及预警方法

1.1 边坡雷达基本原理

边坡雷达是基于地基的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)监测技术，是20 世纪60 年代末发展起来的先进探测系统，可实现全天时、全天候的实时在线监测，具有远距离、高分辨率成像功能[4]。SAR 通过脉冲压缩技术来获得高的距离向分辨率，利用雷达和观测目标间的相对运动形成合成孔径，获得方位高分辨率，并将同一目标区域，不同时间获取的序列二维高分辨率图像结合起来，利用图像中各像素点的相位差反演，以此获得被测区域的高精度形变信息。

1.2 预警方法和思路

基于边坡雷达的基本原理，将合成孔径雷达监测技术用于矿山边坡的监测和预警，可以获得被测边坡全表面的整体变形发展规律，可以为分析研究边坡稳定性，及时进行滑坡预警提供先进的技术手段[5]。对于实际滑坡灾害事故防治工作来说，只有形成一定规模的局部或整体性边坡破坏，才是边坡动力灾害或事故防范的重点，也就是在实际工程应用意义上，只有超过一定范围的边坡变形区域，才可能是滑坡事故或灾害的关键变形区域。

图1 边坡雷达监测位移云图

基于边坡雷达监测的基本原理，边坡雷达获得的监测结果是覆盖范围内边坡表面的变形发展情况，如图1 所示。通过记录边坡变形的发展变化信息，为分析稳定区域的发展变化，确定不稳定区域的规模等提供了可测可析的数据支持。在关键变形信息的分析中，将变形面积作为预警的指标之一，用以反映边坡不稳定区域的规模。

由于雷达监测的点数量在百万级，存在个别杂点属于数据异常值的可能，仅仅设置变形速度阈值，有可能因为这些异常值而产生误报。采用面积加速率的双指标滑坡预警的解决方法，通过设置面积阈值，结合变形速率进行滑坡的预警预报，在其实际意义和准确性上，更具有实用价值。

2 工程基本情况

朱家包包铁矿采场位于四川省西北高原南缘，金沙江北岸，是攀钢矿石原料主要供应基地，自1971 年建成投产以来已有40 余年的开采历史。作为年产铁矿石1 500 万t 的特大型露天开采矿山，朱家包包铁矿边坡具有边坡高度高、长度大、暴露时间长、岩石风化强烈、岩性复杂、断层、节理发育等特点。

采场长约4 000 m，宽约1 100 m，面积约4.4 km2。台阶宽约3.5 ～48 m、高度约12 ～46 m 之间；最高边坡达637 m，最终边坡角达44.5。。岩性主要分布有粗粒辉长岩组(ω4)、细粒辉长岩组(ω3+5)和铁矿体（Fe）。

矿区监测区域主要为多级台阶构成的人工边坡，目前台阶宽约3.5 ～48 m 之间、高度约12 ～46 m 之间；1 505 m 以下为人工边坡，1 505 m 以上为自然边坡，根据矿山开采设计，采场最终露天底为1 000 m，采场边坡最终将形成超过500 m 的超高人工边坡。矿区地势整体由北西向南东倾斜，西北高而东南低，最高处为大黑山，最低处为金沙江，高差近1 600 m，地形地貌受岩性及构造控制，山脉多呈NE ～SW 向展布，高山峻岭、冲沟发育、谷坡陡峻，属于构造断块剥蚀高、中山区地貌。目前矿山已进入深凹露采阶段，高陡的边坡制约着采场的生产能力，威胁着人员设备的安全。

目前，矿山在采矿区范围已经形成一个长约4 000 m、宽约850 m 的露天采场。其中，最高边坡为营盘山边坡，已达到607 m（最高标高为1 862 m，目前该区1 255 m 台阶已靠帮），最低边坡为1 290 m 矿仓正下方边坡，目前边坡高度95 m（最高标高为1 290 m，目前该区1 195 m 台阶已靠帮）。

自建矿以来，朱家包包铁矿边坡曾多次发生过滑坡，仅2015 年朱家包包铁矿边坡就发生了6 处滑坡，2017—2018 年监测区域东山头处发生2 次滑坡。位于朱矿采场东山头1 225 ～1 460 m，构成本段边坡的地层，如图2 所示。

2015 年8 月采场边坡发生滑动，破坏了红旗坡1 360 m 公路以及采场中部排洪系统东山头1 330 m 平台的截洪沟，同时导致滑体下方的二氧化钛（TiO2）品位较低的矿石无法开采（产品为钒钛磁铁矿，下一步工序要产出钛和钒，滑坡会导致想采的矿无法采，继而影响配矿），不能参与配矿，为降钛稳钛增加了难度。因此，开展边坡的监测和预警工作对于保证矿山安全开采和稳定生产具有重要意义。

图2 朱家包包铁矿东山头滑坡区域示意图

3 监测设计及数据分析

为防范滑坡造成生命财产和经济损失，企业引进雷达在线监测系统，通过对滑坡灾害高发区域进行在线实时监测，提前预警预报，为安全生产工作提供决策依据。

3.1 雷达布置

采场边坡布设的雷达型号为S-SAR-I 长轨道雷达，雷达正对不稳定边坡，距离约为1 500 m，横向覆盖角度为28。，覆盖范围宽度约为747 m；纵向覆盖角度为18。，覆盖范围高度约为474 m。根据以上计算结果将雷达参数设置如下：观测近距为300 m，观测远距为2 200 m，雷达运行间隔30 min，监测精度为0.1 mm，现已实现对重点监测区域全部覆盖。雷达监测变形的正负代表变形的方向，雷达监测点位选址示意图如图3所示。

3.2 雷达技术参数

雷达距离待测边坡距离约为1 500 m，雷达横向覆盖角度为28。，经过初步测算，横向可覆盖范围宽度约为747 m；纵向覆盖角度为18。，经过初步测算纵向可覆盖范围高度约为474 m。已将重点监测区域全部覆盖。表1 为部署的边坡雷达的主要技术参数。

3.3 预警值设计

在预警值的设计上，以上述面积加速率的双指标进行预警。其中，面积预警值应于实际工程可以接受的变形面积进行设置，本项目设置为20 m2，速率预警值以历史监测数据进行设置并随时进行优化。

3.3.1.坚硬岩

图3 边坡雷达选址示意图

表1 边坡雷达主要技术参数

露天采场东帮南部边坡滑坡严重，S-SAR 雷达布置在采坑西帮对东帮区域进行监测。在监测到第6 天时边坡的变形速度达到6.5 mm/h，随后边坡发生滑坡。据此将边坡变形的红色预警值初步设置为6.5 mm/h，黄色预警值较红色预警值小2 mm/h，为4.5 mm/h，确保变形达到垮塌前能有一定的安全储备。

3.3.2.松散岩

为了及时预报极端降雨天气条件下的软基移动，采用S-SAR 雷达对松散岩体进行了为期1 年的监测。红色预警值设置为位移量9 mm/h。2017 年5 月上旬发布红色预警信息后3 天，发生局部滑塌，滑体体积约2 000 m3。

雷达监测采场区域为矿区采场的东部边坡，该区域岩体表面有一定程度的风化，但风化程度不高。另外，雷达监测区域的老滑坡位置正对雷达的监测方向，坡面与雷达监测方向基本成90。角相交。该边坡整体上介于坚硬岩和松散岩之间，预警值设置为：

（1）黄色预警值：位移量每小时不超过6 mm；每天不超过72 mm；每周不超过252 mm。

（2）红色预警值：位移量每小时不超过8 mm；每天不超过96 mm；每周不超过336 mm。

3.4 在线监测数据分析

2018 年5 月24 日，雷达监测范围内发现地面出现较大裂缝，裂缝沿坡面走向延展，长度为几米到十几米不等，裂缝宽度主要集中在3 cm 以下。5 月25 日，预警软件发出声光报警、短信报警。边坡于5 月27 日上午2 时左右台阶1 225-1 285 发生滑坡。如图4 所示为5月24 日观测到的现场裂缝照片。

分析雷达的在线监测数据，在触发滑坡预警区域内的形变曲线来研究监测区域内坡体的变形特征。如图5所示为重点监测区域雷达形变分析图，通过分析可直接获得该区域的变形—时间曲线。

图4 现场裂缝

图5 重点监测区域

从边坡雷达监测曲线成果图中，获取触发预警前的监测数据曲线图，可发现坡体上所选标识点的曲线随时间的增加变形量不断增加，说明坡体加速变形。将速度倒数法[6]应用于雷达监测数据加速变形阶段的数据分析，分析临滑阶段数据并用直线进行拟合，令，则。拟合后的直线如图6 所示。

图6 拟合后的直线

根据速度倒数法的物理意义，临滑阶段速度急速增加，当滑前瞬间速度趋近于无限大，速度倒数快速趋近于零，此时，直线与时间轴的交点即为滑坡时间。通过上述拟合公式分析知，预测滑坡时间为5 月27 日0 时41 分，实际滑坡时间为5 月27 日01 时54 分，前后相差1 时13 分。

4 结论

在我国矿山安全生产工作中，露天矿山边坡失稳已经是影响矿山安全生产的关键环节，近年来，地基合成孔径雷达已广泛应用于地表微变形监测领域和矿山滑坡预警，并取得显著成效，本文基于地基合成孔径雷达在露天矿山的应用研究，得出以下结论：

（1）边坡雷达是与传统点接触式监测手段不同的遥感监测手段，可以通过远距离无接触的方式获取被测目标的变形和规模发展变化等关键信息，是适用于矿山边坡工程的监测手段。

（2）对于边坡雷达监测数据，采用面积加速率的双指标的预警方法，对于减少预警误报，提高预警的准确性和实用性，具有重要的作用。

（3）对于发出预警的危险区域，通过分析该区域的形变—时间或速度—时间曲线，并采用速度倒数法，可以较为准确地预测滑坡发生的时间。

（4）有关边坡的监测预警值设定，主要与边坡岩性特征、坡度、高度有关。边坡的岩性越好预警值越小，边坡的坡度越大预警值越小。预警值设置应科学合理，能有效预警预报，为决策提供依据。