MSR300边坡雷达监测预警系统在凹山采场的应用

发布时间：

2024-07-29 11:20

来源：

王维勤[1]，韦忠跟[2]

(1．马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司；2．煤科集团沈阳研究院有限公司)

摘要：针对凹山采场残矿回收形成的复杂边坡，为避免滑坡使人员及设备受到威胁或造成严重事故，建立了MSR300边坡雷达监测预警系统。详细分析了该系统的技术原理及特点，并结合实例讨论了该系统的功能。研究表明：该系统可对凹山采场边坡变形进行准确预测，为确保该采场的安全生产提供了强大的技术保障，对于类似金属矿山边坡变形监测有一定的参考价值。

关键词：边坡稳定性，监测雷达预警系统，技术原理

凹山采场位于马鞍山市雨山区向山镇，交通较便利。该矿曾为全国八大黑色金属露天采场之一，采用铁路-汽车联合开拓运输方式进行露天开采。矿区工作面积约0.55km2，矿体出露最高处海拔175 m，向下延伸至-214 m，目前，已形成东西向长1200m、南北向宽980 m、垂深255 m的矿坑[1]。2011年5月，凹山采场步入地质环境治理阶段，矿产资源即将枯竭。为安全高效回收残余铁矿资源，南山矿业公司积极开展残矿回收工作，以满足强化回采需要[2-3]。残矿回收过程中往往采用矿坑深陡边坡设计，从而形成了凹山采场复杂的环境边坡系统，对边坡监测提出了更高的要求[4]。鉴于此，为对深部开采区域边坡进行实时监测、预警，避免人员与机械设备受到滑坡威胁，构建了MSR300边坡雷达监测预警系统(以下简称边坡雷达系统)。本研究在分析该系统技术原理的基础上，结合实例进一步讨论该系统的功能特点。

一、边坡雷达系统概述

边坡稳定性监测雷达是一种用于露天矿区边坡稳定性测量和监测的设备。其主要作用是采集、计算和存储数据，通过无线网络系统将数据传输至终端计算机，显示变形监测数据，便于地质工程师和矿区作业人员及时了解边坡变形情况。边坡稳定性监测雷达能够对矿山边坡、山体、地表以及矿区建筑等易发生微小位移变化的物体进行远程监测，整个设备无需安装于岩壁表面，可进行连续、次毫米级精度测量。此外，该系统测量几乎不受雨水、灰尘或烟雾的影响[5-6]。

1.1 技术原理

边坡雷达系统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。对于边坡雷达来讲，目标物即需监测的边坡，监测数据为边坡的距离(绝对距离)和位移(相对距离)变化值。

1.1.1 绝对距离

电磁波从发射器发射至目标历经的时间为t，，被目标反射至接收器历经的时间为t2，据此可计算出边坡雷达至目标物的距离为(t1+t2)c/2（c为光速)，该段距离即为绝对距离(图1)。

图1 绝对距离

1.1.2 相对距离

相对距离(位移)可从雷达信号的相位变化信息得到。若目标未发生移动，返回信号的相位不产生变化；反之，返回信号的相位将产生变化。边坡雷达可通过连续2次的测量数据获取相位变化信息，并将其换算成相对距离(图2)。

图2 相对距离

1.2 技术特点

边坡雷达系统的技术特点为：①可对边坡表面的变形量进行次毫米级精度的监测；②可全天候运行，无需近距离接近被测目标区域，无需安装反射器；③无人值守，快速布设(耗时一般为0.5 h)；④水平扫描210°(-105°～+105。)，垂直扫描90°(-35°～+55°)；⑤在任何气候条件下均可操作(包括灰尘、雨雪和雾气条件)。

二、边坡雷达系统概述

根据凹山采场边坡变形监测要求，将边坡雷达系统布设于南帮边坡对面(图3)，位置较原地表低3～4个台阶，其平面坐标为(10112m，3409m)。该系统供电采用220V外接电源，设备外部设有防风、防雨保护装置。

图3 边坡雷达布设

2.1 边坡稳定性监测内容

2.1.1 位移云图及累计位移曲线

边坡雷达系统可获得监测区域的整体位移分布信息，即位移云图(深色代表位移较大的潜在危险区域，浅色代表位移较小的安全区域)。该功能使监测人员能够直观了解监测区域内存在的潜在危险区域，从而有针对性地制订采矿方案，并为制定滑坡应急预案提供依据。在边坡变形监测中，边坡位移量和位移曲线形态是滑坡预测的重要判断标准。因此，累积位移曲线为判断滑坡进入临滑阶段最直接、有效的依据。若滑坡进入临滑阶段，位移曲线的特点是随着时间的增加，每次扫描得到的位移量持续增大，位移曲线呈现下凹的抛物线形态(边坡雷达系统以向下为正)，由此可判断边坡变形已进入临滑阶段。

凹山采场东南帮边坡在某次爆破影响下的位移云图及累积位移曲线见图4。由图4可知：位移云图中出现了潜在危险区域，通过选取该区域观察累计位移曲线，虽然位移量持续增大，但位移曲线却未呈现下凹的加速趋势，由此判断边坡变形未进入临滑阶段，而仅为累积位移曲线中出现的一个阶跃现象。该次爆破对东南帮潜在的危险区域仅形成了瞬时影响，并未对边坡稳定造成较大威胁。

图4 位移云图及累计位移曲线

2.1.2 速度曲线

相较于累积位移曲线，速度曲线可更明确地表示潜在危险区域的运动状态，据此可确定边坡变形处于减速、等速或加速状态。因此，速度曲线成为划分滑坡临滑阶段的重要依据。在滑坡临滑阶段，速度曲线的特点是随着时间的增加，每次扫描得到的速度量持续增大，速度曲线呈下凹的抛物线形态(边坡雷达系统以向下为正)，结合矿区以往滑坡经验及具体速度值，可判断边坡变形处于临滑阶段的程度。

2.1.3 实时预警

边坡雷达系统具有滑坡报警功能，报警功能可由用户自定义设置。边坡稳定性监测过程中可设置多级报警模式，用不同颜色代表不同的报警级别，当触发报警时，系统会自动弹出相应的报警提示信息(包括红色报警、黄色报警等)。由于凹山采场监测区域为硬岩边坡，借鉴以往的滑坡位移曲线，本研究设定的速度报警阀值分别为：①潜在危险区域的黄色报警位移阈值为20mm，速度阈值为1.8mm/h；②红色报警位移阈值为30mm，速度阈值为3.5mm/h。自凹山采场使用边坡雷达系统以来，发生多次黄色报警，但未发生红色报警。黄色报警均由降雨、爆破等外界因素引起，随着该类因素的消失，报警即被解除，同时边坡变形也恢复至之前的稳定状态。

2.2 监测预警实例

2016年7月1日，在暴雨发生后，凹山采场边坡雷达系统监测到潜在危险区域，通过位移云图可清晰地观察到该区域由于暴雨的影响，位移变化十分明显。在该潜在危险区域，选取若干点位观察累积位移和速度曲线，发现位移量持续增大，位移曲线未呈下凹的加速趋势，由此判断边坡变形出现阶跃现象，而非进入临滑阶段。通过速度曲线的观察，可清晰地看到速度经历了等速一加速一减速一等速的变化过程(图5)。该过程说明加速变化主要由暴雨引起，随着降雨的减弱和消失，危险区域的速度不断减小，最终趋于平衡且维持在0左右。在暴雨引起的加速过程中，边坡变形达到了报警阀值1.8mm/h，并触发了黄色报警。但随着降雨的减弱，速度量未继续扩大，也未触发红色报警。由于该次降雨量大，持续时间长，故矿方在黄色警报的情况下立即安排坑下作业人员及设备撤离，以确保安全。