于世杰 吕斌 杨志彬 羿立涛

(河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司  河北 唐山 063700)

摘  要：PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达边坡监测技术对高陡露天矿山靠界边坡进行监测，是当今世界上针对边坡监测的新型技术。与其他监测手段或传统轨道式雷达监测技术相比具备更加先进的技术优势，如监测数据更新率更快、监测范围更广、监测数据更精准、安装简单、对环境抗干扰强等优点。在当前国内严峻的露天矿山安全形势下，为了保障采场安全稳定可持续生产、提前预警露天矿山边坡变化，特引进了该项技术。经过在露天矿山的试验及应用验证：该监测系统采集、分析频率更高，每3分钟可上传一组数据；监测数据准确、成功预警露天采场边坡位移情况1次；并准确验证雷达监测数据与边坡实际位移量比值，为后续露天采场边坡稳定性提前预判提供依据。验证该监测系统可以对露天矿山边坡发生的微观变化进行精准监测，并作出提前预警，减少边坡滑坡引起的次生灾害。

关键词：圆弧雷达；边坡；露天矿山；智能化监测；速率；超前预警

0  引  言

随着露天矿坑不断向下开采，边坡体逐渐高陡，滑坡风险日益增大。当受降雨或地表水浸润，更易发生滑坡、泥石流等灾害，对人员、设备及矿山安全生产存在重大威胁。

对边坡稳定性进行及时监测及建立预警机制是避免产生滑坡事故的重要举措，纵观当前人工监测、GNSS自动化监测和光纤监测等传统边坡监测方法，智能化程度较低，一定程度上不能全面监测并反映露天采场边坡的实时变化，且达不到超前预警治理的目的。而地基合成孔径圆弧雷达监测技术作为一种新型的智能在线监测和预警手段，是当前国内外露天矿山边坡遥感监测两大核心技术之一。国外较早实现地基雷达商业化应用，建立了露天矿边坡雷达标准化监测体系；多用于矿区大范围长期形变调查，但受地表失相干制约，难以实现生产边坡实时预警。国内近十年实现设备国产化，已广泛应用于金属、煤炭露天矿山高陡边坡在线监测、排土场长期蠕变监测与灾害回溯，当前工程应用主流模式为全域风险筛查+地基重点区域实时预警。^[1]而该圆弧雷达监测技术可实现远程多方式智能操作、三维显示、大范围监测、0.1mm级监测、超前预警等，所以将此技术应用在高陡露天矿山边坡监测智能化当中。通过对露天矿山采场东帮的监测试验和初步应用，发现与传统的边坡监测手段相比，合成孔径雷达监测技术具有其本质的智能化特性同时无需对边坡进行接触式测量减少了在被监测边坡上安装设备的步骤，安全性相对较高；能够能够有效的填补司家营研山露天矿在智能化边坡监测及超前预警上的不足，同时可以为其他矿山智能化边坡在线监测的应用提供参考价值。

1  工程背景

司家营研山铁矿隶属河钢集团矿业公司，位于河北省唐山市滦州市响嘡街道东侧约150m处的构造剥蚀残丘与滦河山前冲洪积扇倾斜平原交界部位，司家营研山铁矿露天采场西北距离滦州市区直线距离约4.0km（公路里程约6.0km），露天采场采用由上向下的多台阶方式逐层开采，矿山属大型凹陷露天矿，采场设计封闭圈为+30 m水平，目前采场已开采至-232 m水平。露天采场南北向长约1660m、东西向长约1500m，采场现状边坡长度、边坡高度及整体边坡角大致为：东边帮现状边坡最大长度约1015m、现状边坡高度约204.39～246.29m；^[2]由于采场边坡地质条件复杂，尤其是东边帮岩层倾向与边坡坡面一致，节理裂隙非常发育，局部风化严重，个别区域存在裂隙水发育情况，难以保证边坡稳定。且近几年来发东帮发生多次较明显边坡滑移情况，而采场之前的边坡监测手段较单一，且监测区域面积较小等，如若在现有盲区区段出现边坡滑坡、滑坡倾向时，将严重影响采场的正常生产和人身经济安全。基于以上几个方面原因考虑决定对采场东帮建立合成孔径雷达监测系统并进一步实验应用。

2  PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达监测系统

2.1  PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达

 PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达监测系统是一款可最大测量范围达360°全方位扫描边坡雷达，该监测系统采用云服务器结算处理技术。用于监测露天矿边坡滑坡整体位移变化量，并及时发出预警处置信息，为提前应急处置提供重要信息，保障露天矿山的安全生产。^[3]

2.2  PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达原理及参数

 （1）基本原理：便携式合成孔径圆弧雷达监测系统，用一个绕轴心旋转的转臂带动转臂顶端的宽波束天线扫过目标，目标在天线波束范围内的时间段中，天线相位中心形成圆弧轨迹，利用改进的圆弧合成孔径原理算法即差分干涉测量算法，通过该轨迹进行圆弧合成孔径成像，在数字域合成高分辨率成像波束，即可获得目标的高分辨率图像。实现对监测区域360°全方位遥感监测，达到亚毫米级精度监测结果。^[4]

图1 PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达成像原理

（2）基本参数：

表1 监测雷达设备基本

2.3 PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达设备组成

图2  PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达

（1）定向天线：室调节雷达监测方位的装置，调节雷达波监测的俯仰角等方位，便于系统基线解算的时候同定位天线形成一条基线，与GPS或者北斗卫星解算位姿信息。

（2）雷达天线：发射和接收雷达天线波信息，获取测量物体的位置变化信息数据。

（3）转    台：雷达主机对接装置和固定底盘相连接，便捷易安装。

（4）固定底盘：固定雷达主机装置，通过底座下方水平调整装置使主机处于水平姿态。

（5）雷达转臂：链接雷达和定位天线的链接装置。

（6）定位天线：可在室内或室外主动获取自己的位姿信息，便于系统基线解算的时候同定向天线形成一条基线，与GPS或者北斗卫星解算位姿信息。^[5]

2.4 PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达监测系统同其他监测手段的区别

表2 各类监测手段性能表

从上表2可以看出弧形边坡雷达监测系统在各方面都具备监测优势，尤其是在监测采集、分析频次，监测范围、监测精度、监测距离上更具备应用优势。

3.PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达安装与应用

3.1合成孔径弧形雷达安装

开展现场勘察工作以确定地基合成孔径雷达最优架设点位，点位选取原则为监测视场通视、基础场地稳定，优先具备供电与通信条件。为保障雷达监测精度，设备安装需满足如下条件：

①、雷达架设方位应使雷达波束主射向对准待监测边坡扫描区域，雷达探测前方不得存在乔木、灌木丛等障碍物，规避视线遮挡引发的监测数据缺失与信号干扰；

②、架设场地要求地面坚实、地形平整，便于雷达主机安置与水平校准。基座施工先铺设石渣垫层并压实，再开展地面硬化处理，有效抑制后期地基不均匀沉降，保证长期监测的数据稳定性；

③、安装位置通电、联网方便。优先利用矿区既有供电线路与有线网络，保障设备不间断工作与监测数据实时传输。在布线困难的偏远区域，采用物联网无线通信方案实现监测数据远程上传；

④、安装角反标靶点装置，选取雷达监测面前方重点位置，用于后期对雷达准确性及数值的长期校准。（角反标靶架设在重点滑坡区域，用于强散射重点关注（可多个）；将反射标靶插入岩土层，减小浮土层及其表面植被对形变测量的影响；表面有石头、混凝土、金属等自然强散射点的坡体，根据实测可不需角反靶点）

图3  雷达监测角反标靶校准示意图

综合司家营研山铁矿露天采场现场工程地质条件，以最大化实现东帮边坡有效监测覆盖范围为布设目标，兼顾雷达架设场地安全性、地基稳定性，保障监测系统长期连续运行。经多方案勘察对比，选定采场西帮临近变电站区域作为雷达观测站点。该点位不仅拥有良好观测视野，同时可就近接引变电站供电，妥善解决雷达机房供电难题，满足设备全天候长期监测运行要求。

3.2 合成孔径弧形雷达监测在研山铁矿的应用

3.2.1监测测试应用背景

研山露天采场南北最长可达1.68km，东西宽 1.6k m，地表封闭圈最高标高为+35m，采场设计开采最低标高为-487 米，自上而下逐层开采，开采台阶高度一般为 12-15m，永久平台宽度6-15m，目前已经开采到-307 米水平。

根据司家营研山铁矿露天采场实际需求，主要监测露天采场东帮风险区域边坡，监测区域如下图4所示。在监测边坡对面的露天采场+30米建立边坡雷达监测室，PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达监测系统的数据由4G网络无线传输至主中控调度室，实现了对靠界边坡智能化、无人化的远程监控。

图4：圆弧合成孔径雷达监测区域示意图

3.2.2合成孔径雷达监测内容

（1）监测边坡的表面位移：合成孔径弧形边坡雷达对照射区域边坡进行不间断扫描，能够得到对应边坡区域整体趋势位移数据情况，并结合无人机对监测区域的三维勘测形成三维立体化监测画面。三维监测面信息包括对监测数据位移量采用不同颜色区分，使用者可以直观地从三维监测图中查找出监测边坡存在的已经位移或者潜在风险区域。并根据数据显示准确找到采场对应监测区域重点观测，对存在潜在滑移风险的可超前治理或制定对应措施。

（2）关键点、关键面位移：对形成的整体三维监测面区域可根据雷达监测面颜色变化较深（如上图3绿色区域变红）或采场人工监测巡查发现的潜在风险区域，建立对应监测点或监测面重点观测其数据变化及位移趋势，便于日常对监测区域观测、分析。

（3）风险区域位移的时间、速率、加速度：可以通过对监测点、面等选取查看其发生位移的时间、速率、加速度等如下图4所示，综合分析边坡存在的潜在滑移风险，对潜在风险区域提前避让或治理。

图5：监测区域关键数据示意图

（4）生产区域屏蔽：在雷达实时监测过程中因是进行全域地形监测，无法直接区分靠界边坡区域和生产作业区域。需对生产区域数据在预警上加以屏蔽，避免因生产区域发生的铲装、爆破等行为产生误报警。

（5）潜在风险面的超前预警。通过合成孔径弧形边坡雷达的24小时实时监测，结合研山铁矿被监测区域的水文地质条件、岩石性质（包含硬度、风化、节理等）等、并同监测区域近半年的边坡监测数据变化峰值相结合设置不同的预警阈值。根据相关国家规范设置红、橙、黄、蓝四级预警参数，和其相对应的声光、短信预警，确保相关人员可第一时间接到预警消息赶赴现场进行处置。避免人员、设备的二次损失。^[6]

3.2.3合成孔径弧形雷达监测成功预警案例分析

合成孔径弧形雷达监测系统最重要的作用是利用其快速扫描、24小时全地形监测和3分钟更新数据频率的优点对潜在风险边坡发出超前预警，本文对雷达监测监测过程中一处局部区域的成功预警案例进行分析研究，为后续预警值调整提供依据。2026年1月露天采场东帮-157米至-187米N22至N24勘探线区域在雷达监测三维地形图上出现小范围地形颜色变化情况。1月25日22时55分，雷达监测系统发出黄色预警声光和短信预警，监测雷达形变预警区域如下图6所示：

图6 雷达监测预警区域三维形变示意图

本次预警区域最大累计形变位移量为134.5mm，最大形变速率为34.5mm/h。预警最大面积为454.8m²，上下台阶高约45m、长约30m。从上图可以看出在重点监测区域建立的1、2、3、4、5号监测点均在滑坡区域以内，在上述测点内选取图中 3个具有变形特征的监测点1、2、5进行预警数据分析，得到位移变形量、速率与时间的曲线变化图，如下图7所示：

a  雷达预警区域累计形变位移图

b  雷达预警区域速率瞬时变化图

图7 预警区域监测点形变位移和速率图

结合露天采场东帮边坡发生滑移前正下方发生过4次爆破作业，从上图5可以看出滑坡区域正上方有一台爆破震动监测10#点设备，通过查看该设备爆破震动历史数据（见下表3），结合前文内容可知自23日开始边坡内部已经出现变化，从图7、图8和表3纵向分析可以明显看出四次爆破震动的z方向即边坡上下振速峰值最大，且23日的振速达到1.283cm/s，同时和边坡变化情况形成正比。从爆破作业现场来看爆破区域距离滑坡约50m，说明在该类地质条件下该参数下产生的爆破振动速度对边坡存在一定破坏性。后续对相同地质条件且爆破距离相近区域适当调整爆破参数、减少装药量。

图8 爆破监测点曲线图

表3 爆破震动10#点监测数据

在雷达监测系统发出预警后一小时立即组织技术人员对现场查看，结合监测数据变化图7综合分析得出：通过现场人员观测和测量实际发生位移区域、形状同雷达三维地形显示一致，表明雷达监测数据反馈形成的三维形变地形图可以真实反映边坡在微观上的动态变化；通过对现场形变的沉降垂直数据为0.5m-1.3m，而雷达监测系统预警时采集到的数据为97mm-135mm，从数据上表面雷达监测采集数据和现场实际位移数据成正比，一般为5-10倍，在后续监测系统观察使用过程中可以通过该正比倍数第一时间对边坡现场实际位移情况做出初步判断。如下图9所示：

图9 预警区域滑坡现场局部示意图

通过对露天采场预警边坡的实际核查，确定该雷达监测系统在监测中的准确性；达到对雷达监测系统超前预警的目的，同时本次监测系统的成功预警所采集的数据参数如累计位移134.5mm，最大形变速率34.5mm/h可以为每年的在线监测雷达预警值调整提供借鉴，进一步缩小预警值使其更加接近边坡位移前的临界值，从而达到雷达监测系统超前预警的目的，减少人员、设备损失。

4.结论

PS-SAR地基合成孔径圆弧雷达监测技术是一种新型的在线边坡监测预警技术，同传统早期雷达监测技术相比有数据采集频率更快、范围更广、设备安装更简单等优点，可更加准确的对采场边坡位移情况进行实时监测，并发出超前预警信息和声光报警。本次对露天采场边坡的成功超前预警，结合监测位移数据确定监测数据和实际形变存在5-10倍的形变比例，为监测预警风险等级判定提供依据；同时为今后对雷达预警参数调整、优化提供了一定的借鉴意义；对同类型相似露天矿山边坡灾害防控预警具有重要指导意义。

参考文献

[1]  张慧敏,邹进,李洪彦,等.基于轨道雷达在某露天-地下联合开采边坡监测中的应用[J].矿产勘查, 2024, 15(S01):256-263.

[2]  吕斌等. "HC-GBSAR合成孔径雷达边坡监测系统在研山铁矿高陡露天边坡的应用." 现代矿业 (2021).

[3]  丁晓利,陈永奇.合成孔径雷达干涉技术及其在地表形变监测中的应用[J].紫金山天文台台刊, 2000.

[4]  李振韬,王国强,杨晓琳,等.合成孔径雷达监测技术在黄河拉西瓦水电站果卜岸坡的应用[J].中国安全生产科学技术, 2022(S1):116-121.

[5]  赵东寅,申其鸿,马海涛,杨晓琳. 国产地基合成孔径雷达监测预警系统在紫金山金铜矿露天采场边坡位移监测的应用[J]：中国安全生产科学技术. 2015(04).