樊 斌，李靜濤，郝燕奎

（1.山西潞安集團(tuán)五陽煤礦，山西長治 046205；2.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州 036000；3.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040）

我國露天礦煤炭產(chǎn)量不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，相伴而來的是諸如片幫、崩塌、泥石流、地裂縫等露天礦邊坡地面災(zāi)害的頻繁發(fā)生，這些災(zāi)害不但影響了礦山的正常生產(chǎn)，而且對(duì)礦山工作人員安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國各類露天礦山中有40 %存在不同程度的邊坡安全隱患[1]。隨著露天礦開采深度的持續(xù)增加，邊坡角度不斷變陡，地應(yīng)力釋放不斷加大，露天礦邊坡安全形勢(shì)變得非常嚴(yán)峻，對(duì)其進(jìn)行三維形變監(jiān)測(cè)是當(dāng)前的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。然而，“智慧礦山”對(duì)露天礦邊坡地表三維形變監(jiān)測(cè)精度和時(shí)空分辨率的要求越來越高，常規(guī)的形變監(jiān)測(cè)技術(shù)無法滿足高精度、高時(shí)空分辨率的三維形變監(jiān)測(cè)需求，更無法實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡地表三維形變信息的實(shí)時(shí)連續(xù)非接觸式測(cè)量[3]。

1 礦山概況

安家?guī)X露天礦位于山西省平朔露天煤礦，是中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司下屬的3 個(gè)大露天煤礦之一，礦田橫跨安家?guī)X和安太堡二號(hào)2 個(gè)勘探區(qū)。該礦田東西寬約7 842 m，南北長約6 556 m，面積28.883 2 km2，地理位置優(yōu)越，交通運(yùn)輸便利。平朔礦區(qū)夏季降水量少且強(qiáng)度集中，全年75 %的降雨量均集中在夏季，晝夜溫差大，春季冬季大風(fēng)較多。該研究區(qū)域主要含水層有新近系和第四系松散巖類孔隙含水層、石炭-二疊系碎屑巖裂隙含水層及奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層，其補(bǔ)給源主要是大氣降水及地表河流水入滲補(bǔ)給。研究區(qū)內(nèi)多為黃土覆蓋，植被覆蓋稀少，溝谷發(fā)育。

2 地基干涉雷達(dá)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 地基干涉雷達(dá)變形監(jiān)測(cè)原理

用于現(xiàn)場(chǎng)露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)選取的儀器是意大利IDS 公司和佛羅倫薩大學(xué)共同研制的IBIS-M型地基干涉雷達(dá)系統(tǒng)。被廣泛應(yīng)用于邊坡、大壩、橋梁、高塔等地表和建筑物等的變形監(jiān)測(cè)工程中。

IBIS-M 型地基干涉雷達(dá)微小變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)（SF-CW）、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（SAR）、差分相位干涉測(cè)量技術(shù)（DPIS）、永久散射體技術(shù)（PSI）4 項(xiàng)國際領(lǐng)先的技術(shù)相結(jié)合，專門用于礦山邊坡、礦區(qū)山體以及礦區(qū)建筑等微小位移變化的監(jiān)測(cè)[4-5]。步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)能夠使得IBIS 系統(tǒng)得到1 個(gè)非常高的距離向分辨率，該系統(tǒng)的距離向分辨率可達(dá)0.5 m。合成孔徑雷達(dá)技術(shù)為設(shè)備提供了很高的角度向分辨率，就需要IBIS 主機(jī)在1 個(gè)滑軌上滑動(dòng)，這就使得設(shè)備能夠分辨到雷達(dá)距離相等的點(diǎn)[6]。IBIS 系統(tǒng)使用2 m 長的滑軌，相當(dāng)于雷達(dá)的孔徑達(dá)到2 m，因此該系統(tǒng)能夠得到的角度向分辨率為4.5 mrad。干涉測(cè)量技術(shù)將在不同時(shí)間得到的被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的相位信息的差異進(jìn)行比較，從而計(jì)算獲取該時(shí)間段內(nèi)的位移變化量。永久散射體技術(shù)可以確保雷達(dá)系統(tǒng)獲得高質(zhì)量的像素點(diǎn)，從而保證監(jiān)測(cè)精度。通過永久散射體算法在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)選擇一些高質(zhì)量像素點(diǎn)，并依據(jù)這些點(diǎn)來自動(dòng)評(píng)估氣候的影響情況，之后再應(yīng)用于整個(gè)形變監(jiān)測(cè)區(qū)域[7]。此外，IBIS-M 型地基干涉雷達(dá)系統(tǒng)有效監(jiān)測(cè)量程達(dá)4 km，實(shí)際監(jiān)測(cè)精度可達(dá)0.1 mm[8]。

2.2 地基干涉雷達(dá)技術(shù)與傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

由于邊坡體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器的安裝和布設(shè)極易破壞邊坡地表，因此在露天礦邊坡內(nèi)部安裝埋設(shè)形變監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)方案較少。然而，目前傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)精度、時(shí)空分辨率以及監(jiān)測(cè)成本等方面還存在很大的提升空間[9]。

GPS 技術(shù)在監(jiān)測(cè)單點(diǎn)三維空間形變方面有較高的監(jiān)測(cè)精度，但其空間分辨率受GPS 接收機(jī)個(gè)數(shù)的限制[10]；測(cè)量機(jī)器人在水平和垂直方向均有較高的監(jiān)測(cè)精度，但其空間分辨率同樣受到棱鏡點(diǎn)個(gè)數(shù)的限制[11]。最重要的是，以上2 種傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)僅能監(jiān)測(cè)覆蓋露天礦邊坡區(qū)域中監(jiān)測(cè)人員認(rèn)為的不穩(wěn)定區(qū)域，但有很多人難以到達(dá)以及無法安裝接收機(jī)天線和棱鏡點(diǎn)的區(qū)域是無法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的。In－SAR 技術(shù)在LOS 方向有較高的監(jiān)測(cè)精度，但其時(shí)間分辨率受衛(wèi)星回訪周期的限制，且其監(jiān)測(cè)成本較高[12]。

2.3 IBIS-M 型地基雷達(dá)系統(tǒng)簡介

IBIS-M 型地基干涉雷達(dá)系統(tǒng)可采集獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，并應(yīng)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件Guardian 對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，最終可以根據(jù)監(jiān)測(cè)人員需求進(jìn)行單點(diǎn)、區(qū)域的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化顯示、分析以及預(yù)警等功能[13]。

1）變形數(shù)據(jù)。IBIS-M 型地基干涉雷達(dá)系統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊，可以采集獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形量數(shù)據(jù)、變形速率數(shù)據(jù)、變形速率倒數(shù)數(shù)據(jù)以及振幅數(shù)據(jù)等變形信息。IBIS-M 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件Guardian 既可以選擇采集、處理以及可視化單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的以上4 種變形數(shù)據(jù)信息，也可以選擇重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行以上信息的采集和可視化[14]。

2）氣象數(shù)據(jù)。IBIS-M 型地基干涉雷達(dá)系統(tǒng)配套安裝的Vantage Pro2 型氣象站可以堅(jiān)持獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域的降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間、濕度以及溫度等影響邊坡變形因素的信息。Vantage Pro2 型氣象站采集獲取的折射率、溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象信息還可以作為SAR 數(shù)據(jù)大氣校正模型的校正參數(shù)[15]。

3）預(yù)警功能。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)概況和大量監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)人員可根據(jù)礦區(qū)被監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)嶋H情況設(shè)置相適應(yīng)的預(yù)警閾值，如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)超過對(duì)應(yīng)級(jí)別的預(yù)警閾值，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)級(jí)別的報(bào)警，從而提示監(jiān)測(cè)人員采取相應(yīng)的預(yù)防措施[16]。

3 地基干涉雷達(dá)技術(shù)在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 邊坡變形監(jiān)測(cè)方案

此次監(jiān)測(cè)應(yīng)用選取安家?guī)X露天礦北幫邊坡作為被監(jiān)測(cè)區(qū)域，選取南幫邊坡上1 處穩(wěn)定基巖布設(shè)IBIS-M 型地基干涉雷達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)量勘察，該基巖區(qū)域較為穩(wěn)定，且距離被監(jiān)測(cè)區(qū)域北幫邊坡最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離為2.6 km，該距離在4 km 測(cè)量量程范圍內(nèi)。為了保證IBIS-M 系統(tǒng)精密采集模塊免受降雨、大風(fēng)以及礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)灰塵的影響，制作了活動(dòng)房并將IBIS-M 系統(tǒng)放置其中。

根據(jù)研究區(qū)域大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)，最終選定變形速率作為系統(tǒng)預(yù)警的主要參數(shù)，并對(duì)各預(yù)警級(jí)別閾值進(jìn)行了設(shè)置，預(yù)警預(yù)報(bào)級(jí)別和閾值見表1。

表1 結(jié)合礦山邊坡形變速率設(shè)定的預(yù)警預(yù)報(bào)級(jí)別和閾值

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在2011 年5 月11 日，監(jiān)測(cè)區(qū)域的中部發(fā)生了邊坡片幫，但由于IBIS-M 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)在早期就識(shí)別到了該變形異常區(qū)域并作出及時(shí)預(yù)警和處理，及時(shí)采取了相應(yīng)處理措施，未造成任何人員和財(cái)產(chǎn)的損失。為了在將來更好的應(yīng)用地基干涉雷達(dá)技術(shù)對(duì)邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，將這次變形異常區(qū)域的全程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，從中探索和分析應(yīng)用地基干涉雷達(dá)采集獲取的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的片幫特征演變規(guī)律。

為了方便區(qū)分邊坡變形程度，根據(jù)IBIS-M 型地基雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲取的變形量數(shù)據(jù)將邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的演變過程劃分為穩(wěn)定、初始變形、裂縫、塌陷以及失穩(wěn)等5 個(gè)階段，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)階段的變形特征進(jìn)行了分析，為后續(xù)從地基干涉雷達(dá)采集的變形數(shù)據(jù)角度識(shí)別判斷邊坡的災(zāi)害階段提供依據(jù)。形變時(shí)間序列如圖1。

圖1 露天礦邊坡地表變形演化過程形變時(shí)間序列

1）中邊坡重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有零星的少數(shù)變形點(diǎn)，且變形點(diǎn)具有變形程度偏低以及無聚集現(xiàn)象，將此階段稱之為“穩(wěn)定階段”。

2）中邊坡重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表明顯出現(xiàn)變形異常點(diǎn)增多的現(xiàn)象，且變形點(diǎn)較為集中，將該階段稱之為“初始變形階段”，有變形但未發(fā)生破壞的邊坡都處在這個(gè)階段。

3）中邊坡重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表明顯出現(xiàn)變形異常點(diǎn)更為集中，且變形程度持續(xù)增大的現(xiàn)象，變形異常點(diǎn)集中區(qū)域呈現(xiàn)“長條狀”，將該階段稱之為“裂縫階段”。

4）中邊坡重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表明顯出現(xiàn)變形異常點(diǎn)集中和變形程度增大繼續(xù)加劇的現(xiàn)象，變形異常點(diǎn)集中區(qū)域由上一階段的“長條狀”發(fā)展為“片狀”，將此階段稱之為“塌陷階段”。

5）中邊坡重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表變形異常點(diǎn)的變形量參數(shù)、變形速率參數(shù)以及變形加速度參數(shù)均急劇增大，變形異常區(qū)域在空間形式上呈現(xiàn)快速擴(kuò)張趨勢(shì)，將該階段稱之為“失穩(wěn)階段”。在該演變過程中，最大變形量設(shè)置為160 mm，通過各階段的累計(jì)變形量來判斷邊坡的變形破壞演變程度。

在日常的監(jiān)測(cè)中，除了應(yīng)用IBIS 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以外，還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)以及天氣情況綜合進(jìn)行分析。當(dāng)在雷達(dá)圖上發(fā)現(xiàn)有位移情況的發(fā)生時(shí)，需到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)照勘察。礦區(qū)邊坡現(xiàn)場(chǎng)的裂縫以及積水情況都會(huì)成為邊坡失穩(wěn)的誘因。此外，降雨也是造成邊坡失穩(wěn)的一個(gè)重要誘發(fā)因素，在降雨后的幾天，需要密切關(guān)注礦區(qū)邊坡現(xiàn)場(chǎng)以及相應(yīng)的IBIS 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

針對(duì)平朔安家?guī)X露天礦邊坡地質(zhì)概況和巖土體地質(zhì)特征，為確保礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性，采用IBIS-M 型地基雷達(dá)微小變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)北幫邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)以往該礦成功監(jiān)測(cè)、獲取并預(yù)警處理的一起邊坡變形異常事件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回顧，通過對(duì)該事件全過程變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的演變特征分析，根據(jù)IBIS-M型地基雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲取的變形量數(shù)據(jù)將邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的演變過程劃分為完好、變形、裂縫、塌陷以及失穩(wěn)等5 個(gè)階段，并對(duì)各個(gè)階段的變形特征和地基干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)影像進(jìn)行了特征分析，為今后地基干涉雷達(dá)技術(shù)在露天礦邊坡的監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了依據(jù)和參考。