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

吕 斌 于世杰 张洪宇 杨 刚 王月军

（河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司）

随着露天矿坑不断向下延伸，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。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。合成孔径雷达监测技术作为一种新型的智能在线监测和预警手段，可远程多方式智能操作、三维显示、大范围监测、0.1 mm级监测等，所以此技术可以应用在高陡露天矿山边坡智能化监测中。

为了更加准确地验证新型边坡雷达监测技术的精度，在司家营研山铁矿露天矿山采场东帮进行了监测预警试验和初步应用，有效地填补了司家营研山露天矿在智能化边坡监测上的不足。

1 工程概况

1.1 矿山基本情况

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150 m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为4.0 km（公路里程约为6.0 km），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-247 m水平。露天采场南北向长约1 660 m、东西向长约1 500 m，采场东边帮现状边坡最大长度约为1 015 m，现状边坡高度为204.39～246.29 m［1-2］。

1.2 矿山地质

东帮边坡顶部和上部为土质边坡，第四系表土冲积层较厚，为40～70 m，土层具一定层序性（层理近水平），主要由第四系粉土、粉质黏土、粉细砂、中砂和卵石层组成，砂、土互层特征明显。下部为倾向近似西的顺倾岩质边坡，岩体倾角为40°～60°，基岩岩性主要为石英砂岩、黑云变粒岩、混合岩化黑云变粒岩和白云母片岩。局部岩体风化破碎较严重，存在顺层层理面和垂直裂隙，且东边帮岩体普遍存在顺层层理结构，节理裂隙非常发育，局部风化严重，存在裂隙水发育情况，个别区段难以保证边坡稳定，从而严重影响采场作业人员和设备安全。且近几年来东帮发生较明显滑坡4次，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边帮存在滑坡或滑坡倾向时，将严重影响采场的生产和人身安全。基于以上原因，决定对采场东帮建立合成孔径雷达监测技术，并进一步应用［3］。

2 合成孔径雷达监测技术原理及主要装置

2.1 合成孔径雷达监测技术原理

HC-GBSAR合成孔径雷达监测技术原理是利用一种很小的实物天线的运动来等效构成一个长天线，这样就可以在雷达天线发射的运动方向上获得一个同等效果的大天线孔径（简称合成孔径）［4］，雷达通过这种方式运行，对目标的分辨率将有所提高。

2.2 合成孔径雷达监测工作原理

首先，通过相位差分干涉处理提取相位变化信息，实现形变反演。相邻2次形变点位的最大形变分辨能力是4.5 mm。然后利用PS点补偿环境误差和系统误差，实现长时间、高精度的连续形变测量。地基SAR不存在空间基线，差分干涉处理时，并不需要去平地效应和去地形。真实的雷达图像干涉结果包括了大气、轨道、噪声等误差。采用基于动态PS点的永久性散射体技术建模去除各项误差，获取高精度形变［5-6］。合成孔径雷达原理如图1所示。

2.3 合成孔径雷达设备构造

合成孔径雷达监测系统由雷达主机、固定雷达主机的底座、位移台、实时监测软件设备以及高集成度控制机柜构成（图2），其中雷达主机是此监测设备的主要采集装置，用于发射、回收雷达信号，具有防水功能；俯仰台是固定雷达主机的底座，可根据采场地质情况和被观测区域需求，随时调整角度采集数据；位移台是雷达主机监测边坡时的移动导轨，和链轨相连接，便捷易安装；实时监测设备通过雷达收集的信号，自主生成DEM模型数据，具有智能化预警分析、处理、展示功能；高集成度控制机柜存储采集数据，并将数据和分析结果等通过有线或无线传输到远程监视设备上。

3 合成孔径雷达监测技术的试验与应用

3.1 监测点选择

合成孔雷达监测在应用时最重要的就是对雷达监测点的布置选址。一般情况下应选择在完成永久靠界的某个区域上方，同时该区域的地质条件比较稳定，能够长期用于监测点的布设。

雷达监测应用的初衷是加强对东帮采场的监测预警，要保障雷达布置位置场地的安全性、稳定性，保障雷达监测系统布置后可以长期稳定运行。所以，选择采场西帮临近变电站的位置进行观测，同时解决了雷达房的电源问题，有效保障了电力的持续供应。观测点距采场各位置的信息见表1。

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3.2 精度测试

为了验证合成孔径雷达监测精度是否符合设计的0.1 mm监测数值，利用千分尺，每次移动1 mm；分别在0，1，2 mm位置各测试15轨数据；目标距离约30 m。测量结果如图3所示。

为更加精准地验证雷达监测的精度，分别以3次数据的平均值和每次移动的距离即表2的真值相比较，并通过均方根值和真值验证其误差值。从数据（表2）可以看出，通过简单的试验模拟分析，合成孔径雷达监测技术的精确值远优于0.1 mm，确定该边坡雷达监测技术适用于露天矿山边坡情况的精准监测。

3.3 智能化预警

（1）合成孔径雷达监测技术预警方式分为监测全局预警和局部点位预警。这2种预警方式分别可以根据监测边坡地质、地貌条件的不同设置警戒值，通过分析一段时间的监测数据，设置合理的预警值；局部点位预警相对于全局预警更加灵活、直观，该预警方式可随时选择监测点位，便于技术人员针对采场变化而调整局部监测位置。

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（2）该监测模式有多种针对边坡变化的智能化报警模式，如声音报警、颜色报警、发送信息报警等方式，这几种方式可以同时报警，及时有效地对监测人员发出警戒。

3.4 监测结果与分析

合成孔径雷达监测技术对露天矿山的监测预警分析主要分为全局分析预警和局部分析预警。本研究主要分析雷达监测的局部分析预警，即雷达监测某一点位的分析预警情况。在此仅选取6个位移变化较明显的点位进行分析，如图4、图5所示。

通过近几个月对合成孔径雷达成像数据的观察，6个局部监测点位都存在一定量的位移变化，但总体稳定。在监测过程中，专业技术人员对上述几个区域进行了3次现场实际考察，结合监测数据变化位移图分析得出：点1位于采场-6 m水平，现场未出现边坡裂隙或位移情况，该位置正是边坡护坡施工现场，排除该位置警戒危险；点2位于采场-67 m水平，从成像图和变化图看，该区域在监测过程中发生负向位移，表明该区域的形变朝着远离雷达方向发展，且形变位移量最大，累计形变量达23.37 mm，第一时间对点2周边进行勘察，发现该点位置出现明显位移变化，现场有一长42 m、宽130 mm的裂隙；点3位于采场-127 m水平，该区域在监测过程中总体稳定，仅表现出微小位移；点4位于采场-6 m水平，是采场第四系表土层分布的位置，受多雨季节影响，该部位土层出现明显沉降并发生局部小范围滑坡，在点4发生滑坡的同时，雷达监测报警系统发出了警报，采场人员第一时间撤离现场，避免发生不必要的次生危险；点5位于采场-42 m水平，现场未出现边坡裂隙或位移情况，该位置同样是边坡护坡施工现场，排除该位置警戒危险；点6位于采场-97 m水平，该区域在监测过程中总体稳定，仅表现出微小位移。

此次雷达监测效果达到预期，效果较为理想。2021年8、9月份采场共降雨201.6 mm，是历年来降雨最多的一年。受多次雨水冲刷，采场各处边坡的潜在隐患增加。结合图5，几处监测点位移浮动较大，而在9月末雨季基本结束时，边坡位移变化又趋于稳定。

4 结 论

合成孔径雷达监测技术是一种新型的边坡监测预警技术，基于雷达微波信号，通过相位差分干涉处理提取边坡相位变化信息，有安全、智能预警、全天候、高精度、全覆盖、机械化操作简单等诸多优点，能够实时监测采场边坡变形，准确预警边坡灾害。