文章来源：《智能矿山》2024年第6期“露天矿智能化技术创新与实践”特刊“学术园地”专栏

第一作者：肖兵，现任国能北电胜利能源有限公司胜利露天煤矿总工程师

作者单位：国能北电胜利能源有限公司；北京中关村智连安全科学研究院有限公司

引用格式：肖兵，王家伟，黄月军，等.基于智能传感器与雷达联合的露天边坡变形监测方法[J].智能矿山，2024，5（6）：88-93.

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我国各类露天矿山的开发与开采过程中，边坡稳定性是制约矿山安全生产与经济效益最主要的影响因素。一般条件下，露天矿采区范围内构造、断层、裂缝等较常发育，地下水较为丰富，上述众多因素在不同程度上均给露天矿边坡稳定带来不利影响。因此，构建边坡自动化监测与预警系统，监测边坡及滑坡可能变化的范围及其变化趋势具有十分重要的工程意义。

露天矿边坡形变监测方法主要包括简易观测法、设站观测法、仪表观测法及远程监测法。这4种监测方法各有优劣势，且以位移监测为主的露天矿边坡监测方式已沿用很长时间，该方法从静力学角度入手对露天矿边坡的形变进行监测，可以一定程度上反映矿山边坡岩土体的安全状态。然而，随着监测技术的进步以及边坡稳定性理论的发展，越来越多的研究成果表明，在边坡失稳过程中，传统位移指标相较于振动加速度、固有振动频率、倾角变化速率等动力学指标及运动学指标具有明显的滞后性，位移结果反映的是边坡岩土体形变的结果而非形变的过程和前兆。因此，为确保露天矿边坡监测预警工作的及时性与可靠性，有必要运用动力学、静力学建立边坡监测体系。

基于露天矿边坡安全保障需求，结合国能北电胜利能源有限公司一号露天煤矿边坡地质条件，运用地基合成孔径雷达形变监测、微动智能传感实时监测等技术，实现全域多维度安全态势信息感知，立足于边坡失稳动力学理论，将静力学指标、动力学指标进行关联分析与相互校准，探讨一种静、动结合的露天矿边坡变形监测方法。同时为类似露天采场边坡工程问题提供一种新的监测和稳定性分析评价方法，进一步改进和完善露天矿边坡监测体系，保障露天矿安全生产，具有一定的工程应用价值。

已有研究表明，边坡表岩土体的空间态势（倾角、倾向等）可作为有效的边坡监测动态指标。笔者采用微动智能传感装置监测边坡地表倾斜及动力学指标变化情况。微动智能传感装置是基于MEMS三轴加速度传感器研发的智能化动力学监测仪器，集供电系统、数据采集系统、数据计算分析系统、数据传输系统、监测预警功能于一体，其外观如图1所示。

图1　微动智能传感装置外观示意

微动智能传感装置在实际工程应用中采用经验模态分解方法，解决温漂和施工扰动等引起的大量无用高频噪声数据的问题，以保证有效数据的原有非线性变化特征不被淹没及数据平稳。同时微动智能传感装置采用MEMS加速度计计算边坡岩土体的倾角及倾向，以下对倾角计算过程简要说明。

准静态条件下，MEMS加速度计测得加速度主要为竖直向下的重力加速度，当MEMS传感器与竖直方向存有一定夹角时，三向坐标轴的加速度分量发生变化，基于该性质即可利用三角函数计算出传感器的倾角及倾向。

地基合成孔径雷达是一种通过雷达波探测边坡表面的变化，以预测边坡稳定性的设备。其原理是利用雷达波在空气和岩土介质中传播的特性，探测边坡表面的变化，包括表面形态、裂缝及松散体等。雷达波在传播过程中，会受到反射、折射及散射等影响，这些影响会被接收器接收并转化为电信号，通过信号处理和分析，可以得到边坡表面的信息，进而预测边坡的稳定性。目前，地基合成孔径雷达已经广泛应用于公路、铁路、水利及矿山等领域，成为边坡监测的重要工具。

地基合成孔径雷达的工作原理可以简单概括为以下4个步骤。

（1）发射雷达波

地基合成孔径雷达会发射一束雷达波，通常是微波或毫米波。

（2）接收反射信号

雷达波在传播过程中会受到边坡表面的反射，接收器会接收到这些反射信号。

（3）信号处理

接收到的反射信号会被处理和分析，得到边坡表面的信息，如表面形态、裂缝及松散体等。雷达成像几何示意如图2所示。

图2　雷达成像几何

（4）预测边坡稳定性

通过分析边坡表面的信息，可以预测边坡的稳定性，提前发现潜在的边坡滑坡、崩塌等风险。

边坡失稳可以划分为完整阶段、分离阶段、分离−加速阶段和加速破坏阶段。

（1）完整阶段

边坡属于强稳定阶段，边坡岩体主控结构面裂缝未扩展，边坡抗滑力完全由潜在滑移面中的黏聚力提供，振动或其他动力学指标无变化，位移或其他静力学指标无变化。

（2）分离阶段

边坡属于弱稳定阶段，边坡岩体主控结构面裂缝开始缓慢扩展，边坡滑移面与基岩黏结程度缓慢下降，抗滑力包含静摩擦力的作用，振动频次呈现较平稳上升，位移或其他静力学指标无明显变化。

（3）分离−加速阶段

边坡属于弱稳定阶段，边坡岩体主控结构面裂缝扩展速度加快，抗滑力中静摩擦力占比逐渐增大，振动频次呈现波动上升特征，振动加速度也有所增大，位移或其他静力学指标小幅增长。

（4）加速破坏阶段

边坡属于破坏阶段，边坡岩体主控结构面裂缝急速扩展至贯通，边坡滑移面与基岩完全分离，逐渐达到最大静摩擦力，摩擦力不足以弥补黏聚力的进一步损失，危岩下滑力大于总抗滑力，边坡在重力作用下发生明显位移，边坡振动频次呈现非协调增长特征，振动加速度也有所增大，位移或其他静力学指标呈指数性增长趋势。

常规位移或其他静力学监测指标仅能识别出边坡分离—加速阶段后期的变化特点，且位移变化预警阈值要基于边坡工程及水文地质条件设定；而基于振动特征的监测方法，可进一步描述完整阶段、分离阶段、分离−加速阶段和加速破坏阶段的特征，进一步完善边坡预警方法，同时采用静力学与动力学指标监测预警方法可充分利用分离至加速破坏过渡期的黄金预警期，大幅提高边坡失稳监测预警的效率。

胜利煤田位于内蒙古锡林浩特市北郊，地形标高970—1100m。年平均温度2℃，最高气温达38℃，最低气温为−39℃，冻结期为10月初至12月上旬，解冻期为3月末至4月中旬，属大陆性气候，冬季时间长且寒冷，夏季短且酷热，白天与夜间的温差较大；本地区的地震烈度为6度；设备在露天条件下使用，煤尘大，春季风沙大，风向多为南西，风速2~8m/s，瞬时最大风速36m/s，10min平均最大风速21m/s。

目前，露天矿主要依靠远程微变形IBIS-FM雷达进行重点区域的边坡监测，监测指标主要是位移及滑动速度，优点是监测指标比较直观，易于与监测现场比对分析，边坡一旦发生位移，所在岩体结构就已处于弱稳定状态或破坏状态，边坡逐步进入失稳阶段，该阶段虽可借助IBIS-FM雷达进行失稳状态的监测（位移、速度及滑动范围等），也可根据雷达位移监测数据采取一些预处理措施减少或者避免安全生产事故发生，但位移监测手段较为单一，缺乏科学的预警模型，存在预警范围小、预警时间窗口短等问题。特别是对于一些由弱层引发的滑坡或者一些失稳历时较短的滑坡，极易因监测手段不足导致重大滑坡安全生产事故。因此，构建边坡自动化监测与预警系统，监测边坡及滑坡可能变化的范围及其变化趋势，需要配合其他类型传感器对边坡进行监测，根据边坡失稳过程中静力学与动力学指标的演变规律，建立对振动、形变、位移特征的监测，可以充分利用不同属性信息的互补性，更加全面准确地掌握边坡稳定状态，确保露天矿生产安全。

根据露天矿采剥工程平面图及现场踏勘情况，确定各剖面线位置和微动智能传感装置布设点位。其中，以地表为起点，沿边坡倾向，每个台阶水平方向靠近挡墙位置即为微动智能传感装置布设点位；且同一端帮相邻剖面线水平间隔不超过300m，保证区域内联动监测。

基于上述点位布设、剖面线划定原则，结合采场生产工作安排及内、外排土场排弃岩土体堆积情况，于采场、内排土场及南排土场边坡共设置6条监测剖面线，各剖面线尽量避开即将剥离地带，且有针对性地对存有潜在滑坡风险的采场南帮边坡进行重点监测。监测剖面线及微芯桩安装布设平面如图3所示。各监测剖面线布设情况如下。

图3　监测剖面线及微芯桩安装布设平面

（1）剖面线1、剖面线2、剖面3布设至北端帮5煤顶板（水平945m平盘）。

（2）剖面线4位于南排土场景观湖岸边上方。

（3）剖面线5布设至南端帮水平900m平盘位置。

（4）剖面线6布设至南端帮。

微芯桩监测数据以南端帮剖面线5（水平900—1005m平盘）于2023年2月10日0∶00至2023年5月10日24∶00的数据为例进行说明，结果如图4所示。监测数据类型分别为边坡失稳动力学指标倾斜角度（简称倾角）及振动冲击和加速度（简称振动）。

以水平975、960及915m平盘监测数据变化情况为例，对现场影响边坡安全性因素进行以下说明。

（1）水平975m平盘由于在3月进行道路修整，发生了倾角与振动突变。

（2）水平960m平盘设备倾角逐渐增加，5月开始趋于稳定，该设备所在位置为排土场。安装完成后，设备所在位置形成大量积水及淤泥，判定为积水导致该区域土体发生沉降，设备倾角发生变化。

（3）水平915m平盘微芯桩倾角逐渐增大，5月开始保持稳定，期间振动多次发生，为露天矿施工排土扰动。

（4）排除施工扰动，现场作业等因素，南帮边坡2023年2—5月各工作平盘倾角变化0.1°~0.2°，变化微小；同时除去人为干扰，无振动信号。

通过倾角和振动监测数据过程线可以看出，在设备、防护栏安装过程中，所有设备的振动数据均发生明显突变，待安装完成后振动数据变化趋势趋于平稳，后续偶有振动产生，为施工及爆破扰动。南端帮水平915m至水平990m平盘自3月初倾角数据逐渐升高，后于5月中旬趋于稳定，如图4所示。

图4　南端帮监测剖面5微动智能传感器监测数据

现场查验情况显示，该时段倾角变化与南端帮各平盘进行道路修整，局部大量堆载密切相关。总体而言，南端帮剖面线5所监测边坡稳定性较好，发生崩塌失稳的风险较小。

地基合成孔径雷达监测数据以时段为2023年4月20日10∶00—5月9日10∶00的数据为例进行说明，监测结果如图5所示。其中朝向坡外变形为正（白色），朝向坡内变形为负（红色），监测数据统计时段内的边坡整体累计变形在10mm以内。

图5　地基合成孔径雷达监测

从边坡整体变形监测结果来看，露天矿各端帮边坡总体较为稳定，主要变形区域集中在东侧内排土场和南端帮水平915m至水平990m平盘。其中，内排土场发生较明显变形，该变形主要由排弃岩土体发生不均匀沉降导致；此外，南端帮水平915m至水平990m平盘零星区域产生明显变形，主要受平盘道路修整，岩土体大量堆载于坡面影响，如上文所述，该监测结果与南端帮微芯桩剖面线5监测结果在时间、空间维度契合度良好。同时露天矿其他位置边坡变形均未超过1mm。总体而言，露天矿边坡整体稳定性较好。

微动智能传感装置监测数据显示，南帮边坡剖面5中，2023年2—5月各工作平盘倾角变化0.1°~0.2°，无振动信号；地基合成孔径雷达监测数据显示，2023年2—5月边坡整体累计变形在10mm以内。根据边坡失稳划分的完整阶段、分离阶段、分离−加速阶段和加速破坏阶段特征，结合监测数据，判断南帮边坡处于完整阶段，无滑坡风险。

以国能北电胜利能源有限公司一号露天煤矿边坡为研究对象，将微动智能传感装置和地基合成孔径雷达监测技术融合，通过对动力学指标数据与二维干涉测量数据进行对比分析，实现了对露天矿边坡变形情况实时监测。基于实时监测结果和对重点监测区域演化分析，得出以下结论及建议。

（1）利用微动智能传感装置、地基合成孔径雷达等设备，针对国能北电胜利能源有限公司一号露天煤矿边坡开展了监测工作，建立了边坡表面位移与振动特征相结合的监测技术体系。

（2）笔者提出一种露天矿边坡动、静力学监测指标相结合的联合监测方法。首先，地基雷达可获取边坡表面变形数据，实现坡面位移实时监测预警，同时结合微动智能传感装置对边坡岩土体动力学运动指标进行监测。2种方法的结合，可以有效判断边坡当前稳定状态，对边坡安全监测有一定的指导意义。