边坡雷达监测预警技术在抚顺西露天矿的应用_王立文.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 边坡雷达监测预警技术在抚顺西露天矿的应用 王立文 1,2 （1.煤科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） 摘要 为了保障抚顺西露天矿的安全生产， 避免片帮、 滑坡等地质灾害造成人员及设备损失， 采用边坡雷达监测预警技术进行实践应用研究。介绍了边坡雷达的技术原理、 技术优势及预警 原理， 并结合案例分析了滑坡演变过程中边坡岩体的变化规律。结果表明 该项技术在露天矿山 的滑坡预测预报方面具有可行性和有效性。 关键词 边坡雷达； 监测预警； 数据分析； 报警阈值； 滑坡 中图分类号 TD824.73文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0165-04 Application of Slope Radar Monitoring and Early Warning Technology in Fushun Western Open-pit Mine WANG Liwen1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In order to ensure the safe production of western Fushun Open-pit Mine and avoid the loss of personnel and equipment caused by geological disasters such as coal caving and landslides, slope radar monitoring and early warning technology is used for practical application research. The technical principles, technical advantages and early warning principles of slope radar are introduced, and the law of slope rock mass changes during the evolution of landslides is analyzed with cases. The results show that the technology is feasible and effective in predicting landslides in surface mines. Key words slope radar; monitoring and early warning; data analysis; alarm threshold; landslide 近些年随着采掘技术的蓬勃发展，抚顺西露天 矿的开采规模不断扩大，其浅部的易采资源已经日 渐枯竭， 整体向着纵深化、 凹陷化发展。这种模式形 成的高陡边坡受地质构造、爆破震动及大气降水等 因素影响会出现越来越多的边坡稳定性问题[1-2]。一 旦边坡失稳， 就有可能发生片帮、 滑坡等地质灾害， 严重威胁西露天矿的安全生产[3]。为了对高陡边坡 进行科学、有效的管控，十分有必要建立一套符合 自身实际情况的边坡稳定性监测预警系统。 目前国内各大露天矿山应用比较多的边坡监测 预警技术主要有边坡雷达、测量机器人、 GNSS 和 INSAR 等[4]， 其中边坡雷达以高精度、 大范围、 全天 候和非接触等优势已经在全国范围内获得了广泛认 可。为此，分析边坡雷达在西露天矿的实践应用案 例，验证边坡雷达监测预警技术在滑坡预测预报方 面的可行性和有效性。 1边坡雷达的技术原理 边坡雷达是针对露天矿、 排土场、 水电坝、 山体 护坡等高陡边坡进行监测预警的新型技术手段。边 坡雷达的原理主要是基于差值干涉测量法，其利用 发射的电磁能量（雷达波） 对露天矿山的边坡岩体 进行连续、反复的测量扫描，把相邻 2 次扫描的测 量数据进行比较，如果发生相位变化就说明边坡岩 体出现了位移变化[5-7]， 2 次扫描的相位变化如图 1。 在监测过程中，边坡雷达把监测区域平均划分 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.035 王立文.边坡雷达监测预警技术在抚顺西露天矿的应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 165-168. WANG Liwen. Application of Slope Radar Monitoring and Early Warning Technology in Fushun Western Open-pit Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 165-168. 移动扫码阅读 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目（2017YFC1503103， 2016YFC0801602） 165 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2典型滑坡累积位移-时间变化曲线 Fig.2Cumulative displacement-time curve of typical landslide 为一个个像素点，其中每一个像素点都可以反应相 应区域内边坡岩体的位移变化。 随着时间的推移,监 测软件会对监测区域内所有像素点的测量数据进行 解析，计算出相应的位移值，逐步构建成一个由大 量位移值组成的数据库，最终生成一个可以反应所 有像素点位移变化的位移云图。 在监测区域内选取 1 个或者多个像素点，监测 软件会自动计算出相应区域的位移值，把每个时间 点的位移值相连接就会形成 1 条位移曲线。同时依 据数据库可计算出每个时间点相应的速度值，依次 把每个速度值相连接就会形成 1 条速度曲线。通过 分析位移、 速度曲线的变化规律， 可预测未来一段时 间内边坡岩体的变形趋势， 达到提前预警的目的。 2边坡雷达的技术优势 相比其他传统的监测技术[8]， 边坡雷达有以下 优势 ①监测精度高， 可以达到0.2 mm 的高精度测 量；②监测面积广，扫描范围可以达到水平方向 210， 垂直方向 90； ③监测距离远， 可以达到 4 000 m； ④采样间隔短， 数据采集周期只有 2～10 min； ⑤ 连续运行， 可以 24 h 不间断工作， 实时掌握边坡岩 体的变形情况； ⑥布置方便， 自带拖车可移动， 无须 布置在危险边坡， 保障设备安全； ⑦操作简单， 可以 远程控制， 无须进入矿区现场， 保障人员安全； ⑧在 任何气候条件下均可操作 （不受低温、 雨雪、 雾霾等 干扰） 。 3边坡雷达的预警原理 现有的研究成果表明，边坡岩体的稳定性与其 变形规律有着直接的联系，准确掌握边坡岩体的实 时变形情况是进行滑坡预警的基础。大量的滑坡资 料表明，边坡岩体从开始变形到最终崩塌可分为 3 个阶段 减速变形阶段、 匀速变形阶段、 加速变形阶 段， 典型滑坡累积位移-时间变化曲线[9]如图 2。 在露天矿山的实践应用中，边坡雷达一般采取 24 h 不间断运行，每 2～10 min 采集 1 次监测数据， 然后通过无线通信系统传输到调度室的终端计算 机， 最终利用监测软件计算出边坡岩体的位移值、 速 度值， 生成相应的位移云图、 位移曲线及速度曲线。 通过观察位移云图和分析位移、速度曲线的变化规 律，能够直观、快速的掌握监测区域内边坡岩体的 变形情况， 及早的发现潜在的危险区域， 从而有针对 性的编制边坡雷达监测预警方案，为露天矿山的突 发地质灾害应急预案提供技术依据。 边坡雷达拥有一套可靠、 有效的应急响应机制， 可以提前发出滑坡预警，使坑下人员及设备有充足 的时间撤离到安全区域。其预警原理是边坡雷达通 过计算得到边坡岩体的位移值、 速度值， 同时根据边 坡岩体的岩性特征和历史经验设置一定范围的报警 值，即临界阈值。当边坡岩体的变形达到预先设定 的报警值时， 就会触发临滑警报， 通过分析位移、 速 度曲线是否符合典型滑坡累积位移-时间变化曲线 的相关特征， 确认临滑警报的真实性， 确认后应立即 启动边坡雷达的应急响应机制， 发布临滑预警指令。 4边坡雷达的应用案例 4.1边坡雷达预警过程 2019 年 5 月 3 日上午抚顺西露天矿北帮电铲 平盘进行施工作业时发现路面出现多条横向裂隙， 并呈现加宽加大的趋势，判断此区域的边坡岩体已 经形成了一定程度的变形，存在发生片帮、滑坡等 地质灾害的风险。为准确掌握这一区域边坡岩体的 实时变形情况， 做到提前预警， 达到及时撤离坑下人 员及设备的目的。西露天矿对多种监测预警技术进 行比较研究，发现只有边坡雷达可以完全满足当前 现场的实际需要，随即决定采用这种技术建立 1 套 图 12 次扫描的相位变化 Fig.1Phase change of two scans 166 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 边坡稳定性监测预警系统。 5 月 3 日下午接到西露天矿的边坡监测预警任 务后， 立即启动了边坡雷达的紧急布署预案。5 月 4 日上午经过现场实地勘察后，选取了西露天矿南 帮-70 m 平台作为边坡雷达的布置地点。经过多次 转运，于 5 月 4 日下午运输设备抵达现场，通过快 速、简便的检测调试后，立即启动了西露天矿北帮 的边坡稳定性监测预警系统。 边坡雷达正常运行后，通过位移云图发现北帮 电铲平台及其上部边坡已经出现了 1 个明显的异常 变形区域。随着监测时间的推移，异常变形区域的 范围不断扩大， 边界逐渐清晰， 其位移、 速度曲线均 出现持续上升的趋势。 5 月 5 日上午 6 40， 异常变形 区域的速度值达到了 12 mm/h， 触发了报警阈值。 通 过技术分析排除了其它影响因素，确认此区域的边 坡变形是真实的，最终预测未来几个小时内有极大 的概率发生片帮、 滑坡等地质灾害， 随即发出了临滑 预警指令，并通过调度室通知坑下人员及设备进行 紧急撤离，同时向应急指挥监控中心汇报了边坡雷 达的监测预警情况， 包括异常变形区域的位置、 范围 及边界等信息。 5 月 5 日 10 15 即发出临滑预警指令后，异常 变形区域陆续发生了几次小范围片帮， 最终在 1130 出现 1 次较大规模的滑坡后趋于稳定，当速度值下 降到小于报警阈值后，于 14 00 解除了临滑预警指 令， 宣告本次滑坡预警正式结束。 4.2边坡雷达预警分析 边坡雷达对西露天矿北帮进行监测预警的过程 中，利用位移云图可以直观的发现异常变形区域的 位置、 范围及边界， 采取多点对比、 区域对比等方法 可以快速的掌握边坡岩体的变形情况，再通过分析 位移曲线、 速度曲线的变化规律， 可以预测未来一段 时间内异常变形区域的演变趋势[10]， 位移云图随时 间的演变过程如图 3。 在滑坡的演变过程中可以清晰地看出，随着时 间的推移， 异常变形区域内边坡岩体的位移、 速度曲 线均呈现加速趋势。依据典型滑坡累积位移-时间 变化曲线， 可以划分为匀速变形阶段、 加速变形阶段 及滑坡后的沉降整理阶段，异常变形区域的位移曲 线、 速度曲线如图 4。 通过对图 4 中异常变形区域内边坡岩体的位移 曲线、 速度曲线进行分析， 可以看出此次滑坡的演变 过程分为 3 个阶段 1） 第 1 阶段。5 月 4 日 20 00 至 5 月 5 日 4 00 （持续 8 h） ， 该异常变形区域的位移曲线、 速度曲线 呈现缓慢增加趋势，位移值为 60 mm，速度值从 4 mm/h 缓慢增大到 10 mm/h， 此段时间属于匀速变形 阶段。 2） 第 2 阶段。5 月 5 日 4 00 至 5 月 5 日 11 30 （持续 7.5 h） ， 该异常变形区域的位移曲线、 速度曲 线呈现快速增加趋势， 位移值为 180 mm， 速度值从 10 mm/h 迅速增大到 50 mm/h（在达到 12 mm/h 时 触发报警阈值， 发出临滑预警指令） ， 最终在 11 30 发生了滑坡， 此段时间属于加速变形阶段。 图 4异常变形区域的位移曲线、 速度曲线 Fig.4Displacement curve and velocity curve of abnormal deation area 图 3位移云图随时间的演变过程 Fig.3The evolution process of displacement cloud map with time 167 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 3） 第 3 阶段。 5 月 5 日 11 30 至 5 月 5 日 14 00 （持续 2.5 h） ， 该异常变形区域的位移曲线呈现平稳 震荡趋势，速度曲线呈现快速降低趋势，位移值不 变不大，一直保持在 180 mm 左右，速度值从 50 mm/h 迅速下降到 0 mm/h，此段时间属于异常变形 区域发生滑坡后的沉降整理阶段。 5结语 1 ） 通过抚顺西露天矿滑坡案例可以看出， 边坡 雷达在监测预警过程中应该重点观察位移云图中潜 在的异常变形区域，跟踪掌握位移、速度曲线的变 化趋势， 依据典型滑坡累积位移-时间变化曲线， 划 分边坡岩体的变形阶段，当触发报警阈值时，及时 进行技术分析，确认是真实的边坡变形后应立即发 出临滑预警指令， 撤离坑下人员及设备。 2 ） 边坡雷达利用自身特点， 可快速布置且即时 启动监测预警工作， 能够准确、 直观、 持续的掌握边 坡岩体的变形情况，通过技术分析可以预测未来一 段时间内发生片帮、滑坡等地质灾害的概率，达到 提前预警的目的， 保障露天矿山的安全生产。 参考文献 ［1］ 朱新平， 郭昭华， 韦忠跟， 等.黑岱沟露天矿边坡动态 实时监控预警技术 ［J］ .露天采矿技术， 2010 （3） 1-3. ［2］ 吴星辉， 璩世杰， 马海涛， 等.边坡雷达系统在露天矿 边坡监测中的应用 ［J］ .金属矿山， 2018 （2） 188-191. ［3］ 闫国斌， 陶志刚， 孙光林， 等.边坡雷达在矿区边坡监 测区域的应用分析 ［J］ .工业安全与环保， 2015， 41 （10） 57-60. ［4］ 李明.雷达监测在滑坡信息化防治技术中的应用 ［J］ . 煤矿安全， 2019， 50 （7） 198-204. ［5］ 刘章， 曾伟， 郑确， 等.雷达技术在露天矿边坡稳定性 监测中的应用 ［J］ .露天采矿技术， 2013 （4） 45-47. ［6］ 王立文， 刘文胜， 揣新.MSR 边坡稳定性雷达在凹山铁 矿的应用 ［J］ .现代矿业， 2016 （6） 289-290. ［7］ 王维勤， 韦忠跟.MSR300 边坡雷达监测预警系统在凹 山采场的应用 ［J］ .现代矿业， 2017 （1） 174-176. ［8］ 徐钟馗， 王桂林.SSR 在露天矿高台阶变形监测中的 应用 ［J］ .露天采矿技术， 2010 （6） 1-3. ［9］ 韦忠跟.边坡雷达监测预警机制及应用实例分析 ［J］ . 煤矿安全， 2017， 48 （5） 221-223. ［10］ 韦忠跟.边坡雷达技术在露天矿滑坡预测预报中的 应用 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （1） 77-80. 作者简介 王立文 （1989） ， 辽宁抚顺人， 工程师， 学 士， 2012 年毕业于辽宁石油化工大学,主要从事露天矿边坡 监测预警方面的研究工作。 （收稿日期 2020-02-07； 责任编辑 李力欣） 168