(1．馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司；2．煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司)
摘要：針對(duì)凹山采場(chǎng)殘礦回收形成的復(fù)雜邊坡，為避免滑坡使人員及設(shè)備受到威脅或造成嚴(yán)重事故，建立了MSR300邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的技術(shù)原理及特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)例討論了該系統(tǒng)的功能。研究表明：該系統(tǒng)可對(duì)凹山采場(chǎng)邊坡變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為確保該采場(chǎng)的安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障，對(duì)于類似金屬礦山邊坡變形監(jiān)測(cè)有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)，技術(shù)原理
凹山采場(chǎng)位于馬鞍山市雨山區(qū)向山鎮(zhèn)，交通較便利。該礦曾為全國(guó)八大黑色金屬露天采場(chǎng)之一，采用鐵路-汽車聯(lián)合開拓運(yùn)輸方式進(jìn)行露天開采。礦區(qū)工作面積約0.55km2，礦體出露最高處海拔175 m，向下延伸至-214 m，目前，已形成東西向長(zhǎng)1200m、南北向?qū)?80 m、垂深255 m的礦坑[1]。2011年5月，凹山采場(chǎng)步入地質(zhì)環(huán)境治理階段，礦產(chǎn)資源即將枯竭。為安全高效回收殘余鐵礦資源，南山礦業(yè)公司積極開展殘礦回收工作，以滿足強(qiáng)化回采需要[2-3]。殘礦回收過程中往往采用礦坑深陡邊坡設(shè)計(jì)，從而形成了凹山采場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境邊坡系統(tǒng)，對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)提出了更高的要求[4]。鑒于此，為對(duì)深部開采區(qū)域邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，避免人員與機(jī)械設(shè)備受到滑坡威脅，構(gòu)建了MSR300邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱邊坡雷達(dá)系統(tǒng))。本研究在分析該系統(tǒng)技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步討論該系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。
邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)雷達(dá)是一種用于露天礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性測(cè)量和監(jiān)測(cè)的設(shè)備。其主要作用是采集、計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至終端計(jì)算機(jī)，顯示變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，便于地質(zhì)工程師和礦區(qū)作業(yè)人員及時(shí)了解邊坡變形情況。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)雷達(dá)能夠?qū)ΦV山邊坡、山體、地表以及礦區(qū)建筑等易發(fā)生微小位移變化的物體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，整個(gè)設(shè)備無需安裝于巖壁表面，可進(jìn)行連續(xù)、次毫米級(jí)精度測(cè)量。此外，該系統(tǒng)測(cè)量幾乎不受雨水、灰塵或煙霧的影響[5-6]。
邊坡雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理是雷達(dá)發(fā)送高頻電磁波到目標(biāo)位置，通過接收目標(biāo)物反射的電磁波獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于邊坡雷達(dá)來講，目標(biāo)物即需監(jiān)測(cè)的邊坡，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為邊坡的距離(絕對(duì)距離)和位移(相對(duì)距離)變化值。
電磁波從發(fā)射器發(fā)射至目標(biāo)歷經(jīng)的時(shí)間為t，，被目標(biāo)反射至接收器歷經(jīng)的時(shí)間為t2，據(jù)此可計(jì)算出邊坡雷達(dá)至目標(biāo)物的距離為(t1+t2)c/2（c為光速)，該段距離即為絕對(duì)距離(圖1)。
圖1 絕對(duì)距離
相對(duì)距離(位移)可從雷達(dá)信號(hào)的相位變化信息得到。若目標(biāo)未發(fā)生移動(dòng)，返回信號(hào)的相位不產(chǎn)生變化；反之，返回信號(hào)的相位將產(chǎn)生變化。邊坡雷達(dá)可通過連續(xù)2次的測(cè)量數(shù)據(jù)獲取相位變化信息，并將其換算成相對(duì)距離(圖2)。
圖2 相對(duì)距離
邊坡雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)為：①可對(duì)邊坡表面的變形量進(jìn)行次毫米級(jí)精度的監(jiān)測(cè)；②可全天候運(yùn)行，無需近距離接近被測(cè)目標(biāo)區(qū)域，無需安裝反射器；③無人值守，快速布設(shè)(耗時(shí)一般為0.5 h)；④水平掃描210°(-105°～+105。)，垂直掃描90°(-35°～+55°)；⑤在任何氣候條件下均可操作(包括灰塵、雨雪和霧氣條件)。
根據(jù)凹山采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)要求，將邊坡雷達(dá)系統(tǒng)布設(shè)于南幫邊坡對(duì)面(圖3)，位置較原地表低3～4個(gè)臺(tái)階，其平面坐標(biāo)為(10112m，3409m)。該系統(tǒng)供電采用220V外接電源，設(shè)備外部設(shè)有防風(fēng)、防雨保護(hù)裝置。
圖3 邊坡雷達(dá)布設(shè)
2.1 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)內(nèi)容
邊坡雷達(dá)系統(tǒng)可獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域的整體位移分布信息，即位移云圖(深色代表位移較大的潛在危險(xiǎn)區(qū)域，淺色代表位移較小的安全區(qū)域)。該功能使監(jiān)測(cè)人員能夠直觀了解監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)存在的潛在危險(xiǎn)區(qū)域，從而有針對(duì)性地制訂采礦方案，并為制定滑坡應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。在邊坡變形監(jiān)測(cè)中，邊坡位移量和位移曲線形態(tài)是滑坡預(yù)測(cè)的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，累積位移曲線為判斷滑坡進(jìn)入臨滑階段最直接、有效的依據(jù)。若滑坡進(jìn)入臨滑階段，位移曲線的特點(diǎn)是隨著時(shí)間的增加，每次掃描得到的位移量持續(xù)增大，位移曲線呈現(xiàn)下凹的拋物線形態(tài)(邊坡雷達(dá)系統(tǒng)以向下為正)，由此可判斷邊坡變形已進(jìn)入臨滑階段。
凹山采場(chǎng)東南幫邊坡在某次爆破影響下的位移云圖及累積位移曲線見圖4。由圖4可知：位移云圖中出現(xiàn)了潛在危險(xiǎn)區(qū)域，通過選取該區(qū)域觀察累計(jì)位移曲線，雖然位移量持續(xù)增大，但位移曲線卻未呈現(xiàn)下凹的加速趨勢(shì)，由此判斷邊坡變形未進(jìn)入臨滑階段，而僅為累積位移曲線中出現(xiàn)的一個(gè)階躍現(xiàn)象。該次爆破對(duì)東南幫潛在的危險(xiǎn)區(qū)域僅形成了瞬時(shí)影響，并未對(duì)邊坡穩(wěn)定造成較大威脅。
圖4 位移云圖及累計(jì)位移曲線
相較于累積位移曲線，速度曲線可更明確地表示潛在危險(xiǎn)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，據(jù)此可確定邊坡變形處于減速、等速或加速狀態(tài)。因此，速度曲線成為劃分滑坡臨滑階段的重要依據(jù)。在滑坡臨滑階段，速度曲線的特點(diǎn)是隨著時(shí)間的增加，每次掃描得到的速度量持續(xù)增大，速度曲線呈下凹的拋物線形態(tài)(邊坡雷達(dá)系統(tǒng)以向下為正)，結(jié)合礦區(qū)以往滑坡經(jīng)驗(yàn)及具體速度值，可判斷邊坡變形處于臨滑階段的程度。
邊坡雷達(dá)系統(tǒng)具有滑坡報(bào)警功能，報(bào)警功能可由用戶自定義設(shè)置。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)過程中可設(shè)置多級(jí)報(bào)警模式，用不同顏色代表不同的報(bào)警級(jí)別，當(dāng)觸發(fā)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出相應(yīng)的報(bào)警提示信息(包括紅色報(bào)警、黃色報(bào)警等)。由于凹山采場(chǎng)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)橛矌r邊坡，借鑒以往的滑坡位移曲線，本研究設(shè)定的速度報(bào)警閥值分別為：①潛在危險(xiǎn)區(qū)域的黃色報(bào)警位移閾值為20mm，速度閾值為1.8mm/h；②紅色報(bào)警位移閾值為30mm，速度閾值為3.5mm/h。自凹山采場(chǎng)使用邊坡雷達(dá)系統(tǒng)以來，發(fā)生多次黃色報(bào)警，但未發(fā)生紅色報(bào)警。黃色報(bào)警均由降雨、爆破等外界因素引起，隨著該類因素的消失，報(bào)警即被解除，同時(shí)邊坡變形也恢復(fù)至之前的穩(wěn)定狀態(tài)。
2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)例
2016年7月1日，在暴雨發(fā)生后，凹山采場(chǎng)邊坡雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到潛在危險(xiǎn)區(qū)域，通過位移云圖可清晰地觀察到該區(qū)域由于暴雨的影響，位移變化十分明顯。在該潛在危險(xiǎn)區(qū)域，選取若干點(diǎn)位觀察累積位移和速度曲線，發(fā)現(xiàn)位移量持續(xù)增大，位移曲線未呈下凹的加速趨勢(shì)，由此判斷邊坡變形出現(xiàn)階躍現(xiàn)象，而非進(jìn)入臨滑階段。通過速度曲線的觀察，可清晰地看到速度經(jīng)歷了等速一加速一減速一等速的變化過程(圖5)。該過程說明加速變化主要由暴雨引起，隨著降雨的減弱和消失，危險(xiǎn)區(qū)域的速度不斷減小，最終趨于平衡且維持在0左右。在暴雨引起的加速過程中，邊坡變形達(dá)到了報(bào)警閥值1.8mm/h，并觸發(fā)了黃色報(bào)警。但隨著降雨的減弱，速度量未繼續(xù)擴(kuò)大，也未觸發(fā)紅色報(bào)警。由于該次降雨量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，故礦方在黃色警報(bào)的情況下立即安排坑下作業(yè)人員及設(shè)備撤離，以確保安全。
圖5 暴雨影響下的累計(jì)位移和速度曲線
針對(duì)凹山采場(chǎng)殘礦回收形成的復(fù)雜邊坡，構(gòu)建了MsR300邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可對(duì)凹山采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，可為類似礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)提供參考。
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（《現(xiàn)代礦業(yè)》總第573期，收稿日期2016-09-27）
