李千慧，丁 輝,3

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京 100083）

隨著露天礦山不斷地開采和剝離，原巖穩(wěn)定被破壞，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低，由此引發(fā)的露天礦山滑坡、坍塌、片幫等地質(zhì)災害嚴重影響了露天礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益和人員生命安全[1-2]。露天礦采場和排土場邊坡滑坡具有突發(fā)性強、災害性大、預測困難等特點[3-5]，因此，如何確定邊坡危險點位和異常區(qū)域，并動態(tài)關注其位移變化趨勢和變化數(shù)值顯得尤為重要。近年來，邊坡監(jiān)測技術不斷發(fā)展，應用全球地位系統(tǒng)的GNSS 監(jiān)測技術被廣泛應用到邊坡點位監(jiān)測，通過布置在監(jiān)測線上的若干監(jiān)測點，實時動態(tài)獲取點位的位移方向和大小，確定邊坡的潛在滑動方向。邊坡雷達技術[6-9]是近年來不斷發(fā)展起來的技術，其特點是全天候、大范圍和高精度監(jiān)測，能夠?qū)c和區(qū)域變化趨勢進行實時展示，并根據(jù)設定監(jiān)測預警閾值實現(xiàn)臨滑預警。對比2 種監(jiān)測設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)和特點，對于更好的應用2 種監(jiān)測設備實現(xiàn)對邊坡的監(jiān)測預警具有較高的研究價值和意義。

1 工程概況

扎哈淖爾露天煤礦[10]隸屬于國家電投集團內(nèi)蒙古能源有限公司下轄的扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司，位于扎魯特旗境內(nèi)扎哈淖爾開發(fā)區(qū)，屬于霍林河煤田的主要存量區(qū)域，煤田面積為30.52 km2，開采境界內(nèi)可采原煤儲量為945.06 Mt，核定煤礦生產(chǎn)能力18 Mt/a，主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)褐煤，可開采年限計劃57 年。

隨著采礦工程的正常發(fā)展，扎哈淖爾露天煤礦北幫東部逐步到達最終地表境界，初步設計北幫最終邊坡角為27°，隨著工作幫逐步推進，在北幫上部邊坡角為13°～15°時，由于北幫上部巖層巖性較差，目前已經(jīng)發(fā)生明顯的滑移跡象，需要密切監(jiān)視其變形動態(tài)?，F(xiàn)有主要監(jiān)測設備包括GNSS 監(jiān)測站和邊坡雷達。在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，GNSS 和邊坡雷達均能獲取監(jiān)測范圍內(nèi)點的位移變化數(shù)值，但由于其原理不同數(shù)值大小也不相同，分析其監(jiān)測原理異同點，獲取監(jiān)測數(shù)值大小之間的關系，能夠更好的為監(jiān)測人員提供監(jiān)測判據(jù)，實時關注并分析邊坡變形動態(tài)過程。

2 監(jiān)測原理

GNSS 點位移監(jiān)測是利用衛(wèi)星定位原理，實現(xiàn)點位移實時變化監(jiān)測記錄，可獲取北、東、高3 個方向位移變化值和真實矢量位移變化，是三維空間位移變化監(jiān)測。

合成孔徑雷達通常是通過向目標發(fā)射光波，并接收返回的信號，從而實現(xiàn)雷達到目標的距離測量。主要應用的技術包括步進頻率連續(xù)波技術、合成孔徑雷達技術和差分干涉技術。步進頻率連續(xù)波技術可以獲取窄脈沖信號，從而達到提高距離分辨率的目的，距離分辨率可達0.3 m[11]。合成孔徑雷達技術則是通過一個較小的真實天線沿長線陣運動，在不同位置上發(fā)射相關信號，接收回波信號并處理，實現(xiàn)等效的大孔徑天線作用，合成天線長約2 m，其角度向分辨率可達5.4 mrad。數(shù)據(jù)的處理流程為：原始影像獲?。劢钩上瘢c目標提?。辔唤饫@－大氣校正－干涉處理－變形分析等。

GNSS 測量的是點的三維真實位移，設定為邊坡點實際位移方向，則雷達監(jiān)測點位移和實際位移的關系如圖1。

圖1 雷達監(jiān)測點位移和實際位移的關系示意圖

3 數(shù)據(jù)對比分析

3.1 監(jiān)測作用對比

GNSS 與合成孔徑邊坡雷達2 種設備，由于其設備構(gòu)成、監(jiān)測原理、監(jiān)測側(cè)重點等不同，在采場和排土場邊坡監(jiān)測中的作用有較大區(qū)別，GNSS 和合成孔徑雷達監(jiān)測對比見表1。

表1 GNSS 和合成孔徑雷達監(jiān)測對比

3.2 位移量對比

選取近期（2021 年12 月10 日—2021 年12 月21 日）雷達監(jiān)測與GNSS 重合的3 個監(jiān)測點（JCD－11、JCD－13、JCD－15），進行監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，監(jiān)測點位移量統(tǒng)計見表2。

表2 監(jiān)測點位移量統(tǒng)計

根據(jù)GNSS 和雷達監(jiān)測的原理，雷達測量的點位移是真實空間位移在雷達方向上的分量。在同一監(jiān)測點位處，GNSS 和雷達監(jiān)測位移比值反應了真實位移與雷達方向位移的比值，GNSS 和雷達監(jiān)測位移比值關系圖如圖2～圖4，從圖中可以看出雷達監(jiān)測位移值比GNSS 監(jiān)測位移值偏小，符合2 種設備的監(jiān)測原理，且比值范圍1.5～2.5，平均約為2，說明在這幾個點位處，真實三維位移方向與雷達方向的夾角約為60°。

圖2 JCD－11GNSS 和雷達監(jiān)測位移比值關系圖

圖3 JCD－13GNSS 和雷達監(jiān)測位移比值關系圖

圖4 JCD－15GNSS 和雷達監(jiān)測位移比值關系圖

綜上，在礦山實際應用2 種設備對邊坡重點區(qū)域和點位監(jiān)測時，雷達監(jiān)測的位移值是真實位移的分量，其數(shù)值通常也要偏小于真實位移值，且這3 個點位處的實際位移值與雷達方向的夾角約為60°，便于監(jiān)測人員了解2 種設備監(jiān)測數(shù)值偏差的原因，更好的把握邊坡的變形情況，科學的分析邊坡動態(tài)變形情況，及時作出預警預報。

3.3 位移變化趨勢對比

JCD－11、JCD－13、JCD－15 監(jiān)測點GNSS 和雷達監(jiān)測位移趨勢圖如圖5～圖7。從圖中可以看出，2021年12 月13—14 日，2 種監(jiān)測方式獲取的數(shù)據(jù)都有增大趨勢，位移量增加。其他日期GNSS 監(jiān)測與雷達監(jiān)測位移變化趨勢也基本相同，均能反應邊坡的真實變化趨勢。

圖5 JCD－11GNSS 和雷達監(jiān)測位移趨勢圖

圖6 JCD－13GNSS 和雷達監(jiān)測位移趨勢圖

圖7 JCD－15GNSS 和雷達監(jiān)測位移趨勢圖

4 結(jié)語

1）雷達監(jiān)測獲取的點位移是真實三維位移在雷達方向上的分量，其數(shù)據(jù)比真實位移數(shù)據(jù)偏小。

2）雷達監(jiān)測點的實際位移方向和雷達方向的夾角大小不同，其分量變化比率也有一定的差異。

3）GNSS 監(jiān)測與雷達監(jiān)測位移變化趨勢相同，均能反應邊坡的真實變化趨勢。

4）雷達側(cè)重于區(qū)域的位移和速度變化趨勢監(jiān)測，通過多個點組合的變化趨勢，確定邊坡滑動的危險區(qū)域，而GNSS 側(cè)重于點位的三維矢量變化，確定邊坡上點的滑動方向和大小。