边坡雷达在露天矿滑坡灾害预警中的应用

丁 辉

（1.煤矿安全技术国家重点实验室；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；3.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院）

滑坡是一种常见的地质类灾害，滑坡体主要受重力作用控制，另外在地震、暴雨、人类作业活动的影响下也可能引发。据国家安全生产监督管理总局2015年对125座露天矿山的信息统计［1］，500 m以上边坡占比14%，300～500 m边坡占比35%，300 m以下边坡占比51%。随着矿坑采矿和剥离活动的不断推进，在采场和排土场形成高陡边坡，在爆破、采矿作业、强降雨等因素影响下，极易引发边坡滑坡。滑坡灾害具有突发性强、危险性大、后期治理困难等特点，据2006和2007年一季度统计，由滑坡坍塌灾害引起的重大特大事故占比17%以上，其中2006年边坡滑坡坍塌事故22起，死亡99人。露天矿山滑坡灾害严重制约矿山安全和经济效益，安全形势仍然严峻。露天矿滑坡地质灾害的监测预警成为广大专家学者的重要关注课题［2］。

随着科学技术水平的不断发展，边坡监测预警手段不断推陈出新，包括经验估算、人工监测线、全站仪、GNSS站点、无人机测绘、雷达监测等。近年来，雷达技术在露天矿山边坡监测中的应用也不断发展，边坡雷达能够24 h对目标边坡进行扫描，对雨、雾、尘等恶劣环境因素的适应性强，扫描速度快且监测范围广。随着边坡雷达监测技术的不断成熟，边坡雷达监测预警在国内外众多露天矿山应用，成功预报多次滑坡灾害［3］。

1 预警原理与流程

1.1 预警原理

露天矿山边坡采场和排土场滑坡存在一定的规律，大量滑坡案例的监测数据表明：滑坡灾害的发生会经历从异常变形到最终失稳破坏滑坡的过程。边坡岩土体受重力作用影响，在外部因素的诱发下，其累积位移和时间演化呈现三阶段规律：初始应变阶段—等速应变阶段—加速应变阶段。边坡滑坡三阶段演化规律如图1所示。

阶段一为边坡处在变形的初期，边坡体产生微小裂缝开裂，曲线斜率较大，但随着时间的发展，曲线斜率逐渐减小。

阶段二为等速应变阶段，受重力作用影响，应变曲线斜率呈现近似的直线，变形速度有微小波动，但整体上基本保持不变，裂缝不断扩展。

阶段三为加速应变阶段，通常分为初加速阶段、中加速阶段和临滑阶段。该阶段应变速率呈现不断增大趋势，裂缝贯通并迅速拉开直至错开，边坡失稳滑坡。

边坡雷达预警原理就是在把握上述变形规律的基础上，根据各露天矿地质条件不同，设置不同的变形速度预警阈值。当边坡变形速度达到预警阈值时，雷达系统发出预警提示，提醒防范滑坡灾害发生的风险，及时采取应对措施。

1.2 预警流程

预警系统通常包含预警等级、应急小组、应急预案。

（1）预警等级一般划分为4级，用蓝黄橙红4个颜色表示。蓝色为Ⅳ级，表示低风险，风险发生的概率较小，无需采取进一步管控措施；黄色为Ⅲ级，表示一般风险，风险较小，需加强现场巡检，矿山现场一线人员和技术人员需要提高警惕；橙色为Ⅱ级，表示较大风险，需要采取相应措施，预防可能的灾害发生；红色为Ⅰ级，表示重大风险，可能已经发生部分灾害，需要立即停产采取管控措施，调配人员设备预防和处理灾害影响。

（2）应急小组一般由矿山管理层领导任组长，生产技术部、调度中心、监控中心、各生产部门等负责人和专家组员，负责滑坡灾害事前预防、事中应对、事后处理等任务。

（3）应急预案是根据预警等级的不同，制定详细的应急处置流程和方案，从组织和管理方面减轻灾害造成的损失。

随着边坡雷达监测技术在露天矿山的成熟应用，逐渐建立起以边坡雷达监测预警为发起点的流程。通过边坡雷达实时监测关注边坡变形趋势，当速度值达到设置的预警等级阈值时，由应急小组启动对应的应急预案，采取相关应对措施。

2 雷达技术参数对比

边坡监测雷达根据工作原理不同分为真实孔径雷达和合成孔径雷达。其中应用较广泛的边坡雷达包括南非Reutech公司研发的MSR（Movement and Suvery Radar）雷达、意大利IDS公司研发的IBIS（Image by Interferometric Survey）雷达、澳大利亚Ground Probe公司研发的SSR（Slope Stability Radar）雷达、中国安全生产科学研究院研发的矿山边坡合成孔径雷达监测预警系统S-SAR（Slope-Synethetic Aperature Radar）和内蒙古方向图科技有限公司研发的微变监测雷达（Microdeformation Monitoring Radar）等。几种雷达的技术参数对比见表1。

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3 工程应用案例

3.1 A露天矿滑坡灾害雷达监测预警应用

A露天矿东西长6.6 km，南北宽2.2 km，垂直深度为420 m（海拔-357 m），面积为10.87 km2的矿坑。北帮受断层、西露天向斜、北帮褶曲作用，北帮地层倒转，岩层倾向与边坡倾向相反，为典型的逆向坡，边坡稳定性较差。

应用边坡雷达对北帮边坡不间断扫描监测，并针对雷达位移变形速度设置2级报警，分别为橙色报警（5 mm/h）和红色报警（10 mm/h）。2020年8月20日0时开始，为边坡变形初始阶段，变形速度不断增大。2020年8月20日4时开始进入等速加速阶段，速度变形值在5～10 mm/h波动。边坡雷达监测软件的三维位移、速度云图显示西露天矿北帮重点监测区域（E2350）出现一处异常区域，该区域的位移曲线、速度曲线均出现持续增大趋势。异常区域范围为宽65 m、高160 m，该处的异常区域是硬岩变形，有发生中大型滑坡的可能性，会对坑下作业人员及设备的安全产生威胁，应急小组立即启动了应急响应预案。随着时间推移，边坡雷达监测软件显示异常区域的变形位移和速度在不断变大。2020年8月20日17时开始进入加速变形阶段，变形速度迅速增加，变形速度超过10 mm/h，触发了边坡雷达的红色报警阀值，随即通过矿调度室发布了临滑预警指令，通知全矿人员及设备撤离该区域。8月21日2时，最大变形速度达到45 mm/h，之后变形速度逐渐缩小至0，滑坡过程完成，滑坡现场如图2所示。该区域发生滑坡过程的位移曲线、速度曲线如图3所示。

3.2 B露天矿滑坡灾害雷达监测预警应用

B露天矿西帮处于向斜构造之上，地势西南高、东北低，富含多个断层构造，地质构造复杂［4］。岩性整体较弱，受冻融、人工采矿活动和内排土场的不断加高等影响，边坡稳定性较差。

应用边坡雷达对西帮二号检修地进行重点监测，并针对变形速度设置橙红2级预警，分别为2和42 mm/h。西帮二号检修地836～860 m平盘于2021年4月7日发生小规模片帮，长度约为40 m，高度约为20 m，经现场勘查，860 m平台东侧裂缝贯通，受力平衡状态失稳，整体往836 m平台错动，如图4所示。二号检修地片帮区域选取边坡雷达监测特征点，变形位移和速度曲线如图5所示。4月7日14时变形速率达到2 mm/h，触发橙色预警，启动应急预案通知现场作业车辆人员避开该区域，并组织人员现场查看，发现有裂缝产生并不断扩展。至16时速度减小至0.8 mm/h，16—22时，变形速度不断加大，从0.8 mm/h增大至4 mm/h，触发红色报警，应急小组下达指令，夜间禁止车辆从报警区域经过。22时至次日0时，变形速度达到最大值10 mm/h，发生滑坡。直至8日1时左右速度逐渐减小并稳定在1 mm/h以下，滑坡趋于稳定。7日16—20时为匀速变形阶段，位移不断增大，变形速度几乎匀速，裂缝不断增长。7日20时至8日0时为加速变形阶段，速度急速增长，裂缝贯通，受力平衡破坏，滑体失稳发生片帮，从匀速变形至滑坡历时8 h。

3.3 C露天矿滑坡灾害雷达监测预警应用

C露天煤矿地处内蒙古自治区通辽市西北部，矿区内地质构造以断裂构造为主，褶曲不太发育［5］。随着露天煤矿剥采工程的推进，边坡稳定性问题愈来愈突出。采场北帮由于多年的内外排土堆积，形成岩性松软的排土场边坡，其稳定性较差。边坡雷达对北帮边坡监测，对速度变形值设置2级报警，分别为橙色报警（10 mm/h）和红色报警（15 mm/h）。

2020年11月22日北帮824～890 m平盘边坡体蠕动变形速率开始增加，边坡雷达监测位移和速度不断增加，监控人员将监测数据上报给技术人员并通知现场巡检，发现异常裂缝区域。22日14时边坡雷达监测异常变形区域内平均位移速度达到10 mm/h，触发橙色报警，变形进入加速阶段。专家组分析后认为发生滑坡的概率极高。管理决策人员下达命令，暂停该区域附近的一切作业活动，撤出作业区内人员和设备，禁止车辆进出该区域，做好应急准备。命令由调度室通知各作业区的各部门相关作业人员，严格执行。

变形区域变形位移不断增长，且变形速度直线上升，很快触发红色报警并持续发展。此时，该区域各项作业已停止，设备和人员也撤离完毕。至23日22时，最大速度达到120 mm/h，坡顶有较大裂缝，下部有剪出滑动。直至24日2时滑坡完成，监测区域速度逐渐减小恢复正常，滑坡现场如图6所示。边坡雷达重点监测区域位移和速度变化曲线如图7所示。24日白天，经现场巡检和边坡雷达持续监测，发现该区域变形无继续发展趋势，报警解除。

4 结 论

（1）亚毫米精度的边坡监测雷达能够有效监测边坡的微小位移变化，其监测范围广，受恶劣气候天气的影响小，对露天矿山整体变形趋势有较好的监测效果。

（2）边坡雷达能够较好地监测滑坡过程中的初始应变、等速变形阶段、加速阶段，根据速度变化值设置合理的预警阈值后，边坡雷达能够准确发出预警提醒，为矿山管理人员及时做出科学判断提供数据支撑。准确的预警和及时的应急响应措施，为露天矿山的边坡安全提供了保障，避免了人员生命安全和经济效益受到威胁。