合成孔径边坡雷达在南露天煤矿的应用

丁 辉 李千慧 孙有刚

（1.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院；2.煤矿安全技术国家重点实验室；3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；4.内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司南露天煤矿）

露天矿山采场和排土场边坡稳定性问题，一直是专家学者研究的重点课题［1-3］，边坡岩土体在爆破、地震、降雨和人工活动影响下，很容易发生滑坡，加强大范围边坡表面位移的监测并及时预警至关重要，众多学者对边坡滑坡预警进行了深入研究［4-7］。2000 年，意大利研究小组首次应用合成孔径边坡雷达监测边坡表面位移。经过多年的不断实践和发展，现国外合成孔径边坡雷达主要有意大利IDS公司研发的IBIS（Image by Interferometric Survey）雷达和欧洲委员会联合研究中心研发的Linear SAR雷达等，国内主要有中国安全生产科学研究院研发的矿山边坡合成孔径雷达监测预警系统和内蒙古方向图科技有限公司研发的微变监测合成孔径雷达。

南露天煤矿位于内蒙古自治区通辽市霍林郭勒市境内，始建于1981年6月，核定年生产能力为1 800万t。露天矿边坡地质构造复杂，有多个断层，岩性变化较大，软弱结构面发育，且与地表水联系密切。该矿采矿作业强度高，是典型的多采场、多排土场的露天矿，随着不断地开采作业和内排，西帮边坡的高度差不断加大，导致西帮边坡面临滑坡失稳风险，迫切需要对西帮边坡进行全面实时监测。传统的GNSS监测等手段是点位移监测，不能满足大范围边坡实时监测需求。合成孔径边坡雷达是一种高分辨率成像雷达，分辨率强、精度高、扫描范围大，全天候扫描，不受雨雪等恶劣天气的影响，以矿山地质图作为底图，能够非常清晰地监测边坡表面位移变化情况，在露天矿边坡监测中广泛应用［8-11］。在南露天矿应用合成孔径边坡雷达技术，通过对西帮边坡位移变化情况实时监控，为矿山提供监测数据，提前预报预警可能的滑坡灾害。

1 工程概况

南露天矿西帮处于向斜构造之上，地势西南高、东北低，富含多个断层构造，地质构造复杂。岩性整体较弱，受冻融影响、人工采矿活动和内排土场的不断加高等影响，边坡稳定性较差。由于不稳定边坡范围较大，传统的监测方式很难整体上监控西帮边坡变形情况，而合成孔径雷达技术完全符合矿山西帮边坡监测的需求。

合成孔径雷达布置于东帮，扫描西帮二号检修地、西二排复合边坡和南区西端帮等重点区域，如图1所示。

2 合成孔径边坡雷达

2.1 雷达监测原理

合成孔径雷达向边坡目标发射电磁波，通过接收回波信号提取数据，获取雷达到监测目标的距离。应用步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术和差分干涉技术，分别获得最小分辨单元的距离向分辨率、方位向分辨率和位移变化值。

步进频率连续波技术是指雷达的工作频率会随着时间而发生周期性的变化，一般都以均匀步长进行线性变化，每个频率点持续的时间相同。步进频率连续波技术可以获取窄脉冲信号，提高距离分辨率。南露天矿合成孔径雷达电磁波带宽为0.5 GHz，距离分辨率可达0.3 m。

其距离向分辨率公式为

式中，R为距离向分辨率，m；c为光速，m/s；B为电磁波带宽，Hz。

合成孔径雷达技术是指应用一个较小的真实天线沿长线阵运动，在不同位置上发射相参信号，并接收回波信号，对回波信号进行处理，合成一个等效的大孔径天线信号，提高方位向分辨率。矿山应用的合成孔径雷达方位向分辨率可达5.4 mrad。

其方位向分辨率为

式中，α为方位向分辨率，rad；λ为波长，m；L为雷达轨道长度，m。

合成孔径雷达距离向和方位向分辨率示意图如图2所示。边坡目标被分割成若干小单元。

差分干涉技术是指合成孔径雷达在完成2次或2次以上扫描时，通过对比每个单元格中2次或者多次回波信息的相位差，获取单元格的形变位移值，精度可达0.1 mm。

数据的处理流程：原始影像获取—聚焦成像—点目标提取—相位解绕—大气校正—干涉处理—变形分析等。

将每个单元格的位移—时间变化结合起来即可获得监测范围内的位移云图，再结合矿山地质底图，可直观地实时监控边坡位移—时间变化情况，如图3所示。

2.2 预警设置

受到重力影响，斜坡岩土体位移—时间曲线具有初始变形—匀速变形—加速变形三阶段演化特征。初始变形阶段，边坡体产生微裂隙，位移变形曲线表现为较大的斜率，变形速度较大，随着时间的推移，变形速度逐渐减缓趋于正常状态。匀速变形阶段，变形曲线斜率近乎不变，位移变化近似于匀速变化。在加速变形阶段，当变形达到一定程度，位移曲线斜率表现为不断加大、变形速度不断增长趋势，直至滑坡失稳。加速阶段一般又分为初加速阶段、中加速阶段和临滑阶段。

合成孔径雷达根据在南露天矿的实际应用，设置蓝、黄、橙、红四级预警阈值，为确保可能的滑坡不漏报，特将四级预警阈值设置相对较小值。如表1所示，当变形速度达到0.5 mm/h 时，边坡对应位置可能有裂缝开裂或裂缝已经开裂，此时为蓝色预警，需要加强现场巡视；当变形速度达到1 mm/h 时，裂缝可能已经扩展甚至贯通，此时为黄色预警，需增加现场巡视的频率；当变形速度达到1.5 mm/h 时，裂缝可能已经贯通甚至迅速变化拉开，此时为橙色预警，必要时停止作业；当变形速度达到2 mm/h 时，裂缝可能已经拉开甚至发生下错，此时为红色预警，需停止作业，及时撤离人员设备并拉起警戒线。

2.3 雷达组成

南露天煤矿采用内蒙古方向图科技有限公司研发的微变监测雷达对采场边坡监测。主要包括导轨系统、雷达收发系统和总控系统，如图4 所示。雷达收发系统主要功能是发射和接收电磁波，收发系统在导轨上水平运动，总控系统控制收发系统的移动并接收采集的信号数据。

安装时首先固定好导轨系统并调平，组装总控系统并安装控制软件，安装总控和导轨系统连接线，启动总控软件开始扫描。收发系统将沿着导轨系统单向运动，发射电磁波并接收回波，完成一次扫描后，收发系统将自动回归原位并进行下一次扫描。扫描的原始数据存储在总控电脑硬盘，通过4G 物流卡网络上传数据至总部数据库，通过网页端查看解析的边坡位移云图数据。

3 数据分析

南露天矿西帮二号检修地860 m 平盘于2021 年4 月7 日发生小规模片帮，长度约40 m，高度约20 m。经现场勘查，860 m 平台东侧裂缝贯通，整体往836 m平台错动，如图5所示。

二号检修地片帮区域选取边坡雷达监测特征点，变形位移和速度曲线如图6 所示。4 月7 日14 时变形速度为1.8 mm/h，触发橙色预警，启动应急预案，通知现场作业车辆人员避开该区域，并组织人员现场查看，发现有裂缝产生并不断扩展。至16 时速度有所减慢，并减小至0.8 mm/h，16～22 时，变形速度不断加大，从0.8 mm/h 增大至4 mm/h，触发红色报警，夜间禁止车辆从报警区域经过。22时至次日0时，变形速度达到最大值10 mm/h，发生滑坡。直至8 日1时左右，速度逐渐减小并稳定在1 mm/h 以下，滑坡趋于稳定。从7 日16—20 时为匀速变形阶段，位移不断增大，变形速度几乎匀速，裂缝不断增长。7 日20时—8日0时为加速变形阶段，速度急速增长，裂缝贯通，滑体失稳发生片帮，从匀速变形至滑坡历时8 h。

合成孔径雷达在西帮二号检修地位移监测过程中，预警位移曲线变化与实际片帮灾害过程相符，成功预测本次片帮灾害，给矿方管理人员充足时间启动应急预案，及时撤离人员和设备，避免造成更大的经济损失和人员伤亡。

4 结论

（1）本次滑坡实例表明，在边坡滑坡临滑前，匀速变形阶段和加速变形阶段雷达监测位移变化明显，在边坡雷达监测数据中注重变形阶段判断，对准确预报预警滑坡灾害具有重要意义。

（2）合成孔径雷达其远距离、无接触、全天候、大范围、高精度监测等特点，适用于地质条件复杂的露天矿边坡监测，操作简单，监测数据精确，在滑坡短期临滑预报的应用中，能够较好地监测滑坡过程，对及时预警灾害提供数据支撑，避免造成严重的设备损坏和经济损失，保障人员安全。