雷达预警系统在猫儿沟露天矿的应用

徐玉龙

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

随着露天矿的快速发展，边坡安全早已成为人们研究的重点课题，滑坡、垮塌等地质灾害是露天矿山主要的事故类型。根据原国家安全生产监督管理总局（2001—2007）年的统计，露天矿山共发生1 951 起滑坡和垮塌事故，占事故总数的15%，其中排土场边坡事故占比11%[1-2]。由此可见，排土场边坡极易发生滑坡事故。通常排土场边坡发生滑坡时具有突发性强，变形面积大等特点，对人员生命安全、矿山经济、环境多样性等都带来重大破坏和威胁。排土场边坡发生破坏的原因有很多，比如排弃物料的先后岩性不同而导致内部应力分布不均、地表界未处理而使得内部存在弱层、露天矿的日常爆破震动、地下井工矿作业活动、边坡角度超设计排弃、降雨等等，在内外因素综合的影响下，极容易诱发滑坡事故。因此，采取有效手段加强对排土场边坡稳定性的监测成为露天矿山安全生产的重要议题[2-5]。

基于此，以山西省猫儿沟露天矿为例，研究由地下井采区作业活动引起的上部排土场出现沉降的监测技术。对于沉降的监测，以往主要是通过GPS、GNSS 及岩移观测仪等边坡监测技术来获取数据，跟踪监测边坡岩体的变形趋势；由于监测技术和监测装备相对落后，对于临滑预警仍表现出一定的局限性，数据的获取会根据通信信号的强弱出现一定的滞后性，其技术模式属于单点式监测，只能对边坡重点区域的特征点进行局部监测，监测范围小，难以对整体边坡区域进行实时监测，存在较大的安全漏洞，同时设备往往部署在边坡表面，容易受到施工震动而影响数据的准确性[6-8]。由此，应用MSR400 边坡雷达新技术对沉降进行实时监测，实现监测手段和监测技术的创新，目的是准确获取实时变形数据，提高精准临滑预警能力。

1 工程概况

山西省猫儿沟露天矿位于山西河东煤田北部，总体为单斜构造，地质构造简单。矿区煤层煤类单一，为长焰煤，层位厚度稳定，平均总厚度为29.65 m。矿田主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。开采方式为露天开采，设有1 个排土场，位于矿区北部，紧邻煤田采区北帮界约300 m处，排土场原地表地形复杂，风化严重，地表冲沟发育，沟谷地貌，排土场基底以粉土、粉质黏土为主，排弃物料主要以黄土、黄黏土、碎石等，排土前未进行基底勘察，未勘察邻矿有采掘工作面进入排土场影响范围，井工矿采区13102＃工作面正在回采，推进长度1 600 m，工作面宽度190 m，工作面高度14 m，井工矿的作业扰动将引起排土场坡面出现凹陷，极易印发滑坡事故，存在较大的安全问题。再加上北外排土场下部毗邻黄河，并且下部沿河岸线设有铁路、公路等基础设施，若排土场发生滑坡危险，将直接威胁公路安全及黄河生态领域，造成不可预估的损失[9].

由于北外排土场原地表构造复杂，排弃物料混杂无序，利用极限平衡法与数值模拟技术已经无法真实地对排土场的稳定进行计算分析，为避免事故的出现，按国家行业相关标准要求，该露天矿建立边坡雷达监测体系，完善监测装备和技术的不足，针对北外排土场北侧不稳定边坡，要求进行24 h 实时监测，实时监控边坡变形动态，科学研究边坡变形机理，掌握边坡变形规律，为排土场的边坡监测提供稳定实时数据。并根据实时数据分析的结果，采取有效的应对措施。

2 MSR400 边坡雷达技术及预警案例

2.1 边坡雷达的基本原理及技术优势

雷达的基本原理是雷达发送高频电磁波到目标位置，通过接收目标物反射的电磁波，获取监测数据。对于边坡雷达系统来说，目标物即需要监测的边坡，监测数据为边坡的距离（绝对距离）和位移（相对距离）变化值。

“现场＋远程”边坡雷达监测预警系统应用于山西省猫儿沟露天矿，远程实时监测监控高陡边坡片帮、滑坡等地质灾害的目标。该系统由边坡雷达、数据采集系统、无线通讯系统、电力供应系统、移动运输系统等组成，可针对不同地区工程地质条件，能够快速创立超高台阶边坡、软岩蠕动边坡、金属矿山硬岩边坡及排土场边坡监测预警模型，可在煤尘、雨雪和雾霾等恶劣气候条件下完成监测操作，安全监管部门足不出户即可实时掌握边坡动态变化，对潜在的失稳边坡进行事前预警，最大限度地避免或减轻滑坡灾害造成的损失，保障露天矿山生产安全。

与以往的边坡监测技术装备相比，边坡雷达监测预警系统，通过“五大绝招”展现出显著技术优势：①“次毫米级”精度高：能以次毫米级精度对边坡进行大范围的快速扫描；②“空间分辨”能力强：分辨率极高，采样间隔短，有效解决了数据不连续、数据丢失的关键问题；③“走位选址”变化多：监测位置选取机动灵活，无需在边坡稳定性隐患区域布设固定的监测设备，能够超远距离对隐患区域进行扫描监测；④“持久续航”工作稳：可以对边坡事故进行全程连续监测，并能在事故后期对事故区域继续进行监测、评估；⑤“兼收并蓄”性能好：系统可获得测区DEM（数字地理模型）或读取已有DEM，三维显示监测结果，能与多种GIS（地理信息系统）软件相兼容。

2.2 预警案例

2022 年12 月25 日7：00 时，边坡雷达监测数据显示排水站北侧960 m 水平平台出现变形情况，变形速度为12 mm/h，变形范围长度约30 m，高度约25 m；12 月25 日9：00 时，该区域速度进一步达到20 mm/h，随后通知附近排土作业设备及人员停止作业活动，撤出危险区域进行避让；截至上午10：10 时，速度达到32 mm/h。现场勘察发现960 m 水平平台出现长度约20 m 范围的单台阶下沉滑动，截至中午11：00 时，速度达到峰值65 mm/h，随后开始下降回调；截至12 月25 日12：00 时，速度下降至3 mm/h，此时边坡已经滑动结束并逐渐趋于稳定，随后解除报警，累计位移量达到约200 mm。

根据数据及现场情况，此次小面积滑动变形，主要外部原因是12 月23 日，矿区出现降雨，雨水从960 m 水平平台早期存在的裂缝渗入内部，在重力作用下引起坡体沿着弱层滑动。主要内因是井工矿工作面正采掘至此处正下方，工作面采煤放顶震动引起该区域地表坡面发生局部形变，从而出现小面积垮塌情况。后期应加强监测及巡查，以保证发现异常及时做出临滑预警。此次精准的预测预报，成功保障了猫儿沟露天矿安全生产，提高了煤矿边坡稳定性治理的应急管理能力。

3 监测区域数据分析及计算

3.1 雷达数据分析

雷达部署在北外排土场北侧955 m 水平平台区域，主要扫描排土场北部边坡，总结30 周的监测数据可以发现，主要变形区域集中在980 m 水平平台、960 m 水平平台、940 m 水平平台3 个台阶区域，单日蠕动速率较大的时间段发生在0：00—6：00，该时间段与井工矿作业时间相吻合，说明该区域的蠕动属于井工矿作业震动影响，使得960 m 水平台阶整体下沉最为明显，雷达数据显示，自2022 年7 月20日至2023 年1 月20 日，监测区域北外排土场北侧边坡出现的最大沉降区域集中在960 m 水平平台，累积最大变形量为971 mm。变形趋势与井工矿采掘工作面推进方向一致，沿着边坡横向平台由西南侧向东北方向逐渐沉陷。

2022 年12 月02 日23：00 时雷达云图如图1。

图1 雷达云图

由雷达位移云图可以清晰看出：中间蓝色区域出现垂直沉降，周边黄色区域向坡底方向滑动，最大速度接近30 mm/h，图中出现2 种明显差异变形区，二者表示的蠕动变形方向不一致，黄色表示靠近雷达方向，边坡朝坡底方向滑移；蓝色表示远离雷达方向，边坡朝向坡体内部垂直下沉滑动，此时整体变形区域呈现大面积滑移和沉降；经过现场勘查，980 m水平平台、960 m 水平平台、940 m 水平平台3 个台阶坡面出现明显沉降。

沉降区和下滑区变形方向不同，下滑区域靠近雷达方向，沉降区远离雷达方向，根据30 周数据发现：沉降区位移量较大，下滑区平均位移量为＋180 mm，沉降区平均位移量为－390 mm。沉降区位移曲线图如图2，下滑区位移曲线图如图3，负号位移值表示远离雷达方向，正号位移值表示靠近雷达方向。

图2 沉降区位移曲线图

图3 下滑区位移曲线图

由于前期变形导致监测区内存在大量裂缝贯穿，极易形成二次滑坡。根据雷达数据，蠕动变形区域主要集中在960～940 m 水平台阶区间，北外排土场边坡自2023 年3 月已趋于稳定。

3.2 稳定性计算

根据雷达监测到的变形区域和监测结果，并结合现场踏勘成果，结合裂缝分布位置、底鼓位置及地形条件，选取了北外排2 个典型剖面进行研究。剖面位置如图4。

图4 剖面线分布位置

本次计算所采用的岩土体物理力学参数由于没有以往资料进行直接使用，只能采用类比法稳定计算。通过计算可知：XNP1 剖面基底所在位置为顺倾，结合现场已有裂缝情况、底鼓情况综合分析，确定了整体边坡稳定系数为1.216，低于安全储备系数1.30；XNP2 剖面基底为小角度反倾，但单台阶角度较大，结合现场裂缝及底鼓情况分析、计算，得到XNP2 剖面稳定系数为1.126，低于安全储备系数1.30，整体稳定系1.308.满足安全储备系数要求，XNP2 发生整体滑动可能性小。

4 应对措施

根据雷达监测分析情况，制定以下应对措施：

1）对北外排土场增设至少2 条GNSS 自动监测线，监测点间距应小于100 m，每条监测线不得低于3 个自动监测点，每天记录监测点变形数据情况。

2）对于变形产生的新的裂缝及严重塌陷区，包括塌陷形成新的较陡坡面，应及时进行物料回填，并做好防排水工作，以防止边坡失去支撑而引起上部台阶出现牵引式滑移。

3）排土场浸水后容易发生滑坡、泥石流等地质灾害，建议减少台阶耕地区域绿化灌溉，优化疏干排水系统，查清现场排水汇流方向，完善纵向排水设施，避免渗入到边坡内部，影响边坡稳定性。

4）目前存在的各个台阶均超过设计高度，920 m水平单台阶高度接近50 m，存在严重安全隐患。松软黄土台阶设计高度一般不超过15 m，整体帮坡角超过设计角度，应采取削坡压脚等措施，建议将帮坡角调整至18°以下。

5）应按设计要求增设挡土墙，可采用支挡结构物如木笼块石墙、钢筋石笼挡墙、被动抗滑桩、原地浇筑混凝土连续墙、坡面柔性防护结构、坡面生态护坡系统等来对边坡进行整治，是滑坡治理中较常用的手段。

5 结语

对于边坡存在垂直沉降的区域，雷达显示出与以往不同的颜色警示区，得出MSR400 边坡雷达技术对于垂直沉降区域能够获取沉降的变形数据，并且能够起到预警的作用；根据雷达监测数据的科学性和稳定性计算分析制定相应的应对措施，对于加强边坡稳定性是极为有效的手段之一，MSR400 边坡雷达技术的应用可以为露天矿的发展有着重要的促进作用。