0 引言

随着露天矿山开采规模的不断增大，极易诱发边坡变形、开裂甚至滑坡，在生产过程中，露天矿山采场边坡长期受到风化剥蚀和采空区塌陷的影响，导致采场坡面完整性受到不同程度的破坏（马海涛等，2008），近年来，露天矿山边坡滑坡事故日益增多，如“2·22”内蒙古新井煤业（马飞等，2023）、“1· 3”贵州毕节滑坡事故（李长冬等，2023）、“12·20”深圳滑坡（孙玉进和宋二祥，2018）等，严重威胁周边居民生命财产安全，因此，研究露天矿山边坡监测预警技术具有重要意义。

近年来，随着科技日益创新发展，边坡监测预警手段不断发展，包括全站仪监测（张昕，2022）、 GNSS监测（王立文，2022）和边坡雷达监测（党海波等，2022）等，虽然全站仪具有测量精度高、成本低、不需要卫信号等优点，但由于全站仪具有测量距离短、需手动测量等缺点；GNSS监测具有不需要人工监测、定位精度高、观测时间短、操作时间短等优点，但存在受信号影响严重、无法在大雾及夜间进行稳定性工作等缺点。由于边坡雷达具有全天候、大范围、非接触、高精度、高频率、远距离、适应大雾等恶劣天气强以及可对大范围边坡进行定点连续监测等特点（尼尔·哈里斯，2009；苏晨，2014；赵东寅等，2015；韦忠跟，2017），已在国内外众多露天矿山广泛应用（吴星辉等，2018；吴星辉等，2019；张亦海等，2022；尹永明等，2023）。

为实时了解多雾条件下露天矿山边坡位移变化情况，本文利用中国安全生产科学研究院自主研制的合成孔径雷达 S-SAR Ⅲ对遂川县坚基矿业车元坳矿区进行实时在线监测（杨晓琳等，2015），为分析大雾条件下边坡雷达在露天矿山的适用性。

1 边坡雷达监测系统

1.1 边坡雷达基本原理

边坡雷达，是一种高分辨率、可在大雾、能见度极低等恶劣气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像的合成孔径雷达（SAR），通过固定摆放于雷达监测房的固定轨道内，不断地发射和接收电磁波信号，经过聚焦处理后形成极坐标形式的二维 SAR 影像（图1）。在二维影像像素单元内，距离向分辨率保持不变，而方位向分辨率与像元夹角及目标距离有关，将距离向与方位向进行融合，监测区域被分为若干个二维像素单元，雷达摆放位置越远 （监测距离越远），方位向分辨率越低（黄其欢等， 2016；李翔宇等，2020）。

边坡雷达（SAR）工作原理是基于差值干涉测量法实现，使其在轨道上实现高精度往复运动从而形成合成孔径，将同一区域在不同时间（t₁、t₂）序列上获取的图像结合，进行相位相减（图2），获取亚毫米级精度的边坡相对位移信息，雷达预警平台最终计算并记录边坡在不同时刻的形变位移，并生成位移曲线、速度曲线及加速度曲线等，能快速、直观地识别边坡的形变位移区域，针对该区域进行实时监测、预警，以保障矿山周边居民的生命财产安全。

1.2 边坡变形破坏“三阶段”理论

露天矿山边坡体滑坡前坡体演化一般分为3个阶段（图3），即初始变形阶段、等速变形阶段以及加速变形阶段（秦宏楠等，2020）。初始变形阶段以减速变形或间歇性短小变相为主，切线曲率逐渐变小；等速变形时间和位移的切线曲率基本呈线性关系；加速变形阶段形变速度、加速度和切线曲率都在持续增加。边坡雷达的优势在于可以通过预警平台对边坡进行直观、快速、准确地判定矿山边坡活跃区域。

1.3 预警流程

边坡雷达监测系统通常包含预警等级、应急小组及应急处置预案。

（1）预警等级：边坡雷达监测预警系统采用“速度—面积—持续时间”三参数预警模型，在线监测系统预警分为 4 个等级，按预警严重程度划分为红色预警、橙色预警、黄色预警和蓝色预警，蓝色为Ⅳ 级预警，表示低风险，表明边坡出现较小区域、较小幅度变形，无需采取进一步管控措施；黄色为Ⅲ级预警，表示一般风险，表明边坡局部区域变形速度较大，需要加强矿山现场巡查；橙色为Ⅱ级预警，表示较大风险，表明边坡局部短时间内滑坡可能性较大，需要采取相对应措施，预防可能发生的灾害；红色为Ⅰ级预警，表示重大风险，表明边坡局部区域持续较大程度变形甚至呈现滑坡征兆，需要立即采取措施，撤离人员和设备。

（2）应急小组一般由矿山管理层，如矿长等领导任组长，各部门负责人和专家担任组员，负责滑坡灾害事前预防、事中应对、事后处理等任务。

（3）应急处置预案是根据边坡监测预警等级的不同，矿方制定详细的应急处置流程和方案，从人员管理和组织协调方面减轻灾害造成的损失。

2 矿区基本概况

2.1 矿山基本情况

江西省遂川县车元坳玻璃用石英岩矿位于遂川县城区 270°方位直距约 60 km 处，行政区划属遂川县大汾镇管辖。矿区中心点地理坐标：东经 114°06′26″，北纬 26°19′48″。矿区有约 2 km 简易公路至S322省级公路相连，距遂川县城约60 km，交通较为便利。

开采矿种为玻璃用石英岩，矿区面积：1. 0682 km²，开采深度自+1142 m至+425 m标高。开采方式露天开采，台阶高度为 12 m。矿区采场开采至今，已在车元坳矿区内自上而下依次形成了+1095~+918 m共 15个平台，其中+1095~+1002 m平台已进行治理，挂网、多层客土喷播、覆盖绿网等生态修复工作，+1002~+930 m 平台为开挖靠帮部分，+918 m 平台为正在开采平台（图4）。边坡平面形态呈等腰梯形状，边坡岩性主要为长英质花岗岩、糜棱化花岗岩及石英岩组成，边坡整体稳定性较好。

2.2 矿区气象条件

车元坳矿区地处湘赣边境罗霄山脉东麓，地形地貌属构造侵蚀的中低山地形。所处水文地质单元的位置为水量贫乏—中等的裂隙水区。区内最高海拔标高 1142 m，最低约 425 m，最大相对高差 717 m。区内气候温和，雨量充沛，阳光充足，四季分明，多年平均降雨量为1659.9 mm，最大年平均降雨量1965.8 mm（1997年），最小年降雨量961.10 mm （1986年），日最大降雨量337.4 mm。降雨的时间和地域分配不均，3—10月雨量最多，占全年总降水量的 81.6%，且多集中在 5—8 月，由于车元坳矿区海拔较高，下雨期间常伴随大雾天气，能见度极低，期间常伴随着多种自然灾害的发生，如洪水、滑坡等。

2.3 边坡雷达点位布设

边坡雷达的选址、布设通常需要考虑以下几个方面（王晓波等，2021）：

（1）边坡雷达地基必须保持稳定，确保雷达正常运转不会影响其精度和效果；

（2）边坡雷达监测视野方向不能有遮挡物，否则会影响监测软件成像结果；

（3）边坡雷达与露天边坡距离不能超出雷达监测范围（5 km），随距离的增加，边坡雷达监测效果随之减弱；

（4）边坡雷达视线方向和监测目标俯视或仰视监测效果最佳，切勿垂直；

（5）边坡雷达重量和体积较大，架设地要充分考虑交通是否便利。

根据矿山实际情况，车元坳矿区采场海拔约为 +906~+1095 m，结合采区开采计划及施工工期，结合现场踏勘情况，初步选定 3 个点位作为边坡雷达布置点，1 处为矿界线 8 号点附近；2 处为办公楼楼顶；3处为选矿厂附近。考虑到矿界线8号点附近为植被茂密的山体，施工困难，因此不宜为雷达房选址点。考虑到选矿厂（+438 m）附近地势较低，新建雷达房会导致边坡雷达仰角过大，且选矿厂附近车辆来往频繁影响监测效果，因此选矿厂不宜为雷达房选址点。综上所述，初步选定办公楼楼顶布设边坡雷达，同时为防止边坡雷达受环境因素影响从而影响监测效果，在办公楼顶（+536 m）新建雷达房，雷达房距离露天采场边坡+1300~+1800 m，具体布设点位如图5所示。

3 监测数据结果分析

本文获取 2023 年 11 月 9 日—2023 年 12 月 8 日共计 1 个月的车元坳矿区边坡监测数据，此期间边坡雷达数据采集正常，雷达运行稳定，无数据缺失，在线率 100%，满足矿安〔2023〕119号文要求在线率为 90% 要求，经视频监控显示和矿方核查，该时间段经常出现大雾，每当降雨前后，大雾天气更加常见频繁，由于该监测时段处于研究区大雾出现频繁季节，是验证边坡雷达在大雾等恶劣天气实用性的绝佳时机，采场现场如图6所示。

由监测云图（图7）可知，边坡雷达2023年11月 9 日—2023 年 12 月 8 日监测范围内累积变形量为 58. 06 mm，云图中出现 3个变形量比其他区域明显要大的区域，划分为重点区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中重点区域Ⅰ属于+1038~+990 m平台中偏左区域，该区域为最终开采边坡；重点区域Ⅱ属于+1050~+1002 m 平台中偏右区域，该区域已进行治理，挂网、多层客土喷播、覆盖绿网等生态修复工作，边坡较为稳固； 重点区域Ⅲ属于+990~+918 m 平台偏右区域，其上部分属于最终开采边坡，下部属于正在开挖边坡。从重点区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ选取单点1、2、3以及位移较大点单点4的累计形变量进行分析（图8）。

由图8可知，监测点位1和4的累积位移量与时间的变化趋势大致相同，监测点位 2 和 3 的累积位移量与时间的变化趋势大致相同，从累积雨量可知，11月 09日—11月 14日持续降雨，造成单点 1~4 累积位移持续增加，经过矿方核查，持续降雨天气伴随持续大雾，经矿方核查，发现单点 1和 4台阶表面（+1002 m平台和+916 m平台）存在坑洼且聚积一定量积水，并发现平台表面出现少许张开的竖向裂缝，经与矿方协商，采取以下措施：①对周围几个平台人员进行疏散；②现场巡查周围区域并进行开挖排水处理等，从图中可知，11 月 17—18 日边坡累积位移有所回落，累积变形量没有继续增加；11 月 26 日—28日，单点位移2和3累积位移持续增加，但此期间并未降雨，结合其所属区域，经矿方核查，累积位移产生原因为表面浮石发生移动；12月04—12月 08日持续降雨，经矿方核查，伴随着持续大雾，单点 1和 4累积位移持续增加，经过矿方核查，发现下方台阶出现少量落石，建议矿方加强对降雨持续后边坡人工巡检工作。从降雨持续时间和雨量累积来看，降雨量越大，持续时间长，单点 1~4 累积位移也越大，存在较为明显的相关性。综上所述，表明在大雾条件下，边坡雷达能准确预测露天矿山边坡位移，可为南方大雾等恶劣条件下选择监测设备监测露天矿山边坡提供参考。

4 结论

（1）通过车元坳矿区11月9日—11月14日变形数据，单点 1和 4局部变形量短时间增大，经现场人工巡检并提出治理措施，表明边坡雷达在露天边坡监测作用是有效，监测数据是可靠的。

（2）通过对车元坳矿区 11 月 9 日—12 月 8 日边坡雷达变形数据进行分析，在南方大雾条件下边坡雷达依旧可以稳定预测露天矿山边坡位移。

参考文献