王立文

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)與利用，我國(guó)露天礦山的開(kāi)采界限不斷擴(kuò)大，采掘深度不斷增加，已經(jīng)形成了大量的人工高陡邊坡。這些高陡邊坡的坡度較大，且長(zhǎng)時(shí)間暴露在外，受地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化剝蝕、工程活動(dòng)及地下水運(yùn)動(dòng)等影響，極易引起邊坡巖體應(yīng)力失衡，發(fā)生片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅露天礦山的正常生產(chǎn)［1-3］。為了確保邊坡的安全，除了對(duì)邊坡巖體進(jìn)行加固、維護(hù)外，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)是十分重要的。

近年來(lái)，國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)使我國(guó)測(cè)繪科學(xué)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，各種新型的監(jiān)測(cè)手段不斷涌現(xiàn)，各大露天礦山越來(lái)越傾向于采用高精度的智能化邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)。目前，我國(guó)主要應(yīng)用的邊破監(jiān)測(cè)裝備按技術(shù)結(jié)構(gòu)劃分為2類：點(diǎn)監(jiān)測(cè)和面監(jiān)測(cè)。點(diǎn)監(jiān)測(cè)的代表技術(shù)有GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、深部巖移—應(yīng)力監(jiān)測(cè)等；面監(jiān)測(cè)的代表技術(shù)有邊坡雷達(dá)、激光（棱鏡）監(jiān)測(cè)技術(shù)等［4］。其中GNSS 和邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)露天礦山得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)取得了一定性進(jìn)展，但對(duì)各應(yīng)用環(huán)境和適用范圍尚不明確，現(xiàn)階段這些技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中均表現(xiàn)出各自的適用性及局限性。為實(shí)現(xiàn)安全高效的邊坡?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè)，本研究將從GNSS 和邊坡雷達(dá)的原理出發(fā)，分析2種技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)體系中的運(yùn)行機(jī)制，為國(guó)內(nèi)各大露天礦山的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)研究提供一定參考。

1 GNSS邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

GNSS 的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），在露天礦山的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)體系中，是以美國(guó)GPS、俄羅斯Glonass、歐盟Galileo 和中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等為依托實(shí)現(xiàn)的邊坡地表位移監(jiān)測(cè)［5-6］。GNSS系統(tǒng)是一個(gè)集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，其基本原理是通過(guò)測(cè)量已知位置的衛(wèi)星到GNSS 接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)解析得到接收機(jī)的具體位置，進(jìn)而以Internet 技術(shù)傳輸?shù)椒?wù)端，最終獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并以時(shí)間序列為基礎(chǔ)記錄邊坡巖體的形變信息。

在構(gòu)建GNSS 系統(tǒng)過(guò)程中，露天礦山通常采用幾個(gè)或十幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成全礦的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，覆蓋大部分重點(diǎn)或具有潛在危險(xiǎn)的邊坡臺(tái)階表面，同時(shí)在生產(chǎn)調(diào)度指揮中心設(shè)置數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，通過(guò)4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并以WEB 或APP 的模式圖像化于顯示終端，如圖1所示。

1.2 工作模式

GNSS 邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，主要由接收機(jī)、天線、太陽(yáng)能板、蓄電池組、物聯(lián)網(wǎng)卡及服務(wù)器等硬件組成。整套系統(tǒng)可以為露天礦提供時(shí)間、速度、加速度、三維坐標(biāo)等邊坡形變信息，具有實(shí)時(shí)性、全球性及連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。

在實(shí)踐應(yīng)用中，GNSS 系統(tǒng)可以采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化信息，每天自動(dòng)整理歸集測(cè)量數(shù)據(jù)，并傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)終端。監(jiān)測(cè)分析軟件可以顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的表面位移，包括位移變化趨勢(shì)圖、斷面曲線圖、速度、加速度、數(shù)據(jù)列表、報(bào)警查詢、周/月報(bào)表、自定義時(shí)段對(duì)比報(bào)表及系統(tǒng)管理等信息。通過(guò)這些信息可以以測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為基礎(chǔ)，分析各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所代表邊坡巖體的變形演化規(guī)律，并清晰地顯示出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值及變形方向，最終通過(guò)設(shè)置報(bào)警閾值的方法進(jìn)行邊坡預(yù)警，為礦區(qū)作業(yè)人員及設(shè)備的安全撤離及避險(xiǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

2 邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

邊坡雷達(dá)的全稱是邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)雷達(dá)（Slope Stability Monitoring Radar），在露天礦山的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)體系中以RAR真實(shí)孔徑雷達(dá)和SAR合成孔徑雷達(dá)2類邊坡雷達(dá)為主要技術(shù)分支，其技術(shù)原理是基于差值干涉測(cè)量法［7-9］。通過(guò)電磁波從發(fā)射器發(fā)射至目標(biāo)的時(shí)間為T1，被目標(biāo)反射至接收器的時(shí)間為T2，因此可以計(jì)算出雷達(dá)至目標(biāo)的距離為

式中，S為雷達(dá)至目標(biāo)的距離，m；C為光的速度，m/s。

當(dāng)目標(biāo)發(fā)生形變時(shí)，電磁波的相位將產(chǎn)生一定差值，因此通過(guò)雷達(dá)對(duì)同一位置的連續(xù)測(cè)量可以獲取目標(biāo)的相對(duì)位移量，進(jìn)而記錄邊坡巖體時(shí)間序列上的形變信息，如圖2所示。

RAR 真實(shí)孔徑雷達(dá)（Real Aperture Radar）通過(guò)巨大的碟形天線發(fā)射電磁波對(duì)露天礦的邊坡地表進(jìn)行連續(xù)、反復(fù)的覆蓋式測(cè)量，從而獲得時(shí)間序列上的位移、速度變化信息，再經(jīng)過(guò)處理器的解析計(jì)算，即可圖像化于顯示終端，最終生成位移跟蹤曲線、速度跟蹤曲線及趨勢(shì)云圖。

SAR 合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar）通過(guò)雷達(dá)與邊坡地表的相對(duì)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成為較大的等效天線孔徑，從而獲得時(shí)間序列上的距離向及方位向數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)處理器計(jì)算出位移變化信息，最終生成邊坡的位移跟蹤曲線、速度跟蹤曲線及趨勢(shì)云圖。

2 種邊坡雷達(dá)均能以次毫米級(jí)精度進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性測(cè)量，可以直觀、快速地識(shí)別異常變形區(qū)域，有針對(duì)性地統(tǒng)計(jì)歸集這一區(qū)域時(shí)間序列上的位移、速度變化信息，并對(duì)邊坡巖體發(fā)生形變的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)，達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的目的，保障露天礦的安全生產(chǎn)。

2.2 工作模式

邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)由數(shù)據(jù)采集單元、無(wú)線通信單元、電力供應(yīng)單元、移動(dòng)運(yùn)輸單元四大部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)雷達(dá)發(fā)射、接收電磁波獲得邊坡的形變信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理解析，再通過(guò)無(wú)線通信單元傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)終端，最終由技術(shù)人員進(jìn)行露天礦邊坡穩(wěn)定性分析及安全評(píng)價(jià)。

邊坡雷達(dá)的電力供應(yīng)單元主要采用220 V 外接電源，并配置UPS 后備電源、柴油發(fā)電機(jī)組和太陽(yáng)能板等輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)24 h 連續(xù)供電。由于露天礦的片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性，因此邊坡雷達(dá)往往需要進(jìn)行應(yīng)急救援、快速移設(shè)、緊急監(jiān)測(cè)等工作任務(wù)，其通常配備移動(dòng)拖拽裝置或集裝箱吊裝裝置，可以全面融入露天礦山的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)體系。

在實(shí)踐應(yīng)用中，邊坡雷達(dá)一般布置在被測(cè)邊坡對(duì)面，通過(guò)天線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)被測(cè)邊坡進(jìn)行覆蓋式測(cè)量，并根據(jù)監(jiān)測(cè)角度、距離及面積的不同將被測(cè)邊坡劃分為無(wú)數(shù)個(gè)像素點(diǎn)，其中每個(gè)像素點(diǎn)分別代表相應(yīng)坐標(biāo)位置的邊坡巖體，可以反映此區(qū)域邊坡巖體的實(shí)時(shí)形變信息，如圖3所示。

3 技術(shù)差異

3.1 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

目前，GNSS和邊坡雷達(dá)的生產(chǎn)廠商眾多，其技術(shù)不斷更新迭代、產(chǎn)品功能不斷升級(jí)，導(dǎo)致同類設(shè)備之間的性能差異較大，難以區(qū)分辨別［10］。本組的技術(shù)參數(shù)取自于國(guó)內(nèi)主流的邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備，僅作為對(duì)比參考，但基本能夠表現(xiàn)2 種監(jiān)測(cè)技術(shù)的不同之處，具體參數(shù)如表1所示。

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3.2 GNSS技術(shù)特征

3.2.1 優(yōu) 點(diǎn)

GNSS 邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，相對(duì)于RTK 人工監(jiān)測(cè)，極大地減輕了戶外測(cè)量的工作強(qiáng)度，其具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）全自動(dòng)測(cè)量。通過(guò)高精度接收機(jī)、4G/5G 通信網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)分析軟件等，能夠完成自動(dòng)化的采集、傳輸、解算與分析等功能，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守監(jiān)測(cè)。

（2）全天候監(jiān)測(cè)。適應(yīng)各種氣候條件，能夠長(zhǎng)期在戶外環(huán)境中使用，具有防雨、防雪、防風(fēng)、防寒、防震及防雷電等性能。

（3）定位精度高。采用2～3 顆衛(wèi)星定位，可以同時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移，其精度為毫米級(jí)。

（4）距離不受限制。采用衛(wèi)星定位，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置沒(méi)有限制，可以任意布置到露天礦的各邊坡臺(tái)階表面。

（5）電源供應(yīng)不受限制。采用太陽(yáng)能板供電，能耗較小。

3.2.2 局限性

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，GNSS 受自身技術(shù)特點(diǎn)影響會(huì)產(chǎn)生一定的局限性。

（1）布設(shè)較難。主機(jī)為箱式結(jié)構(gòu)，整體較重，只能布置于車輛能夠到達(dá)的邊坡臺(tái)階表面，無(wú)法放置于傾角較大或曲面弧度偏大的高陡邊坡，對(duì)監(jiān)測(cè)邊坡的適應(yīng)性較差。

（2）監(jiān)測(cè)范圍小。單點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力較小，僅能覆蓋周邊一定面積的邊坡，需多機(jī)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)效果和布設(shè)密度有關(guān)。

（3）誤差源較多。容易受衛(wèi)星鐘差、通信延遲、接收機(jī)誤差及數(shù)據(jù)處理誤差等影響。

（4）供電方式單一。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布較廣，不利于外接電纜供電，大多采用太陽(yáng)能板進(jìn)行供電。在我國(guó)緯度較高、冬季溫度較低的露天礦，光照強(qiáng)弱和環(huán)境溫度對(duì)蓄電池的儲(chǔ)能水平影響很大，同時(shí)太陽(yáng)能板上的積雪或灰塵需要及時(shí)清理，否則會(huì)降低蓄電池的供電能力，造成設(shè)備損壞、測(cè)量失效及通信中斷等故障。

3.3 邊坡雷達(dá)技術(shù)特征

3.3.1 優(yōu) 點(diǎn)

目前，世界上已經(jīng)有十幾個(gè)國(guó)家使用200多套邊坡雷達(dá)進(jìn)行露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作。作為一種非常先進(jìn)的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)，邊坡雷達(dá)可以對(duì)片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確率的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，已經(jīng)在我國(guó)各大露天礦山得到了廣泛應(yīng)用。其與原有的人工監(jiān)測(cè)及安裝傳感器等常規(guī)邊坡監(jiān)測(cè)方法相比，具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）可全天24 h連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。

（2）精度高，達(dá)到次毫米級(jí)（±0.2 mm）。

（3）監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)30～4 000 m的有效測(cè)量。

（4）可以覆蓋大面積的邊坡表面，生成三維趨勢(shì)云圖。

（5）在野外環(huán)境中工作，不受雨雪、風(fēng)沙、低溫及霧霾等氣候影響，適應(yīng)性強(qiáng)。

（6）具備拖拽裝置，可以快速布設(shè)，提高設(shè)備的機(jī)動(dòng)性和靈活性。

（7）布置在穩(wěn)定區(qū)域，保障人員與設(shè)備的安全。

3.3.2 局限性

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，邊坡雷達(dá)受自身技術(shù)特點(diǎn)影響會(huì)產(chǎn)生一定的局限性。

（1）硬件系統(tǒng)復(fù)雜。邊坡雷達(dá)的硬件設(shè)備涉及電磁波收發(fā)裝置、機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置、電子控制裝置、信息處理裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置及電力供應(yīng)裝置等，其在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生硬件故障的概率較高，維護(hù)維修難度較大。

（2）供電要求較高。邊坡雷達(dá)的能耗較高，一般采用外接電纜或臨時(shí)發(fā)電機(jī)供電，同時(shí)因礦用電壓波動(dòng)過(guò)大，現(xiàn)場(chǎng)停電時(shí)間較多，需要配置穩(wěn)壓裝置及戶外UPS設(shè)備，對(duì)供電等級(jí)要求較高。

4 應(yīng)用案例

某露天礦位于內(nèi)蒙古東部，礦區(qū)地層由晚侏羅世興安嶺群火山巖系、晚侏羅—早白堊世霍林河群含煤巖系和新生界新近系、第四系組成，各幫邊坡巖性較差，屬于典型的軟巖邊坡。邊坡巖體受地質(zhì)構(gòu)造、水文條件及工程作業(yè)等因素影響，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重威脅露天礦的正常生產(chǎn)。為此，露天礦山?jīng)Q定構(gòu)建一套邊坡穩(wěn)定性綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，同時(shí)采用GNSS和邊坡雷達(dá)2種技術(shù)進(jìn)行邊坡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，最大限度地降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減少地質(zhì)災(zāi)害隱患，如圖4所示。

在實(shí)施過(guò)程中，面對(duì)北幫邊坡長(zhǎng)期反復(fù)出現(xiàn)蠕動(dòng)變形的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)高精度、高準(zhǔn)度的智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警，特別進(jìn)行了以下幾方面工作。

（1）對(duì)全礦開(kāi)展地質(zhì)勘查，確定需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的邊坡區(qū)域。

（2）編制邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，確定GNSS 和邊坡雷達(dá)的布設(shè)位置。

（3）增加GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)在北幫邊坡的布設(shè)密度。

（4）擴(kuò)大雷達(dá)掃描范圍至北幫邊坡，并劃分重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

（5）每日統(tǒng)計(jì)GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變信息及雷達(dá)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的位移、速度變化信息。

（6）結(jié)合GNSS 和邊坡雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合分析北幫邊坡的變形趨勢(shì)，達(dá)到提前預(yù)警的目的。

5 結(jié) 論

（1）GNSS 和邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)是露天礦山進(jìn)行邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)管控的實(shí)用技術(shù)，具有高精度、高準(zhǔn)度、全天候等特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡的穩(wěn)定性情況，達(dá)到預(yù)警片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的目的，是露天礦山智能化邊坡監(jiān)測(cè)及防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)的有效途徑。

（2）根據(jù)2 種邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，GNSS 是單點(diǎn)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，需要布設(shè)到被測(cè)邊坡臺(tái)階表面，比較適用于傾角較小或臺(tái)階寬度偏大的平緩邊坡，邊坡雷達(dá)是范圍監(jiān)測(cè)，需要面對(duì)被測(cè)邊坡，比較適用于傾角較大或曲面弧度偏大的高陡邊坡。

（3）在露天礦的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)體系中，可以應(yīng)用邊坡雷達(dá)對(duì)邊坡巖體進(jìn)行大范圍覆蓋式的測(cè)量，同時(shí)應(yīng)用GNSS 在雷達(dá)無(wú)法覆蓋的區(qū)域或邊坡重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，使2 種技術(shù)起到相互補(bǔ)充、協(xié)同監(jiān)測(cè)的作用，更好地保障露天礦山的安全生產(chǎn)。