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关于国际研讨会上露天采矿和土木工程岩石边坡稳定性的诉讼，边坡稳定2011，加拿大温哥华(9月18-21,2011)

地面合成孔径雷达在复杂3D矿井边坡运动学中的研究应用

J.塞维林，地质工程，英属哥伦比亚大学，加拿大温哥华

E.爱伯哈，地质工程，英属哥伦比亚大学，加拿大温哥华

L.莱昂尼，一些IDS工程学系统，意大利比萨

S. 福丁，泰克高地山谷铜、洛根湖，加拿大不列颠哥伦比亚

摘要

边坡监测在大型露天边坡的风险管理中扮演一个重要的角色。大地棱镜往往依靠划定的边界潜在边坡危害，然而,由于其点位测量性质数据是有限的。局部位移在每个棱镜时可能会误解扩展到整个边坡的行为,以及重要的棱镜之间的位移可能被忽略。地面雷达等新技术可以提供高分辨率的全区域覆盖的斜坡结合实时采集和毫米精度。然而, 视距仪这些工具只提供位移大小和利率数据,但不是方向,因此在了解三维运动学和行为的移动斜率之下限制了它们的使用。本文介绍了一种新颖的实验,即两个地面合成孔径雷达系统的同时部署一个露天边坡的 “立体声”视距连续记录。位移向量合成为一个准三维位移斜率的地图。收集的数据表明,一种改进的理解性三维运动学的一个大岩石边坡可以通过使用最先进的监控技术来帮助设计。

1 介绍

监测大地棱镜形式是大多数露天边坡管理计划的重要组成部分。标准的做法是定期测量由调查人员或机械全站仪识别和量化矿井边坡运动的性质和范围,并提供早期预警即将到来的故障。然而,作为点测量,棱镜监控是容易受到不确定性有关的地质条件和边坡运动学等不稳定机制控制。加速行为的检测可能是一个即将发生的故障或假警报关于高度局部运动附近的棱镜的早期预警。同样,棱镜位置之间的边坡运转状况的篡改可能导致位移受到大规模地质构造被误解或同时被错过。

地质构造(如主要断层)在控制大型露天矿边坡的运动学和稳定边坡中经常扮演主导的角色和由经验边坡稳定性很大程度上忽略了程序用来评估潜在的故障(例如Fukuzono1985)。由于添加考虑了复杂的岩体应力-应变相互作用的岩石断层，致使矿井边坡的三维变形模式可以成为难以解释关于它将如何演变为复杂的滑坡。这可能产生一个关于边坡的稳定性评价的严重障碍，例如南非帕拉博拉(伯明翰 . 2006年)的800m高的矿壁倒塌的诱发。

本文报道一种新颖的实验涉及两个地面的同时部署干涉合成孔径雷达(InSAR)系统。这些都是用于收集连续的,被一个大断层平分的可移动的露天边坡的大“立体声”视距数据。提供的数据和结果表明,改进的理解性三维运动学的大岩石边坡和大型地质构造的影响可以通过使用先进的监测技术来达成。

2 边坡监测技术

2.1研究性监测

在了解边坡运转状况之前,数据应该首先用于预测和定义预警报警阈值，对于边坡监测是最有效的。因此,函数的监测网络可以被视为服务两个目的(摩尔1991年):

（1）调查监控:提供一个随着时间变化的边坡运行状况的协议和典型响应外部事件(如降水和季节性波动)。

（2）预测监控:提供一个运行状况变化的警报,使限制损害的可能性或干预以防止危险滑动。

调查监测已经被证明可以促进更大的理解自然的行为(坦贝格. 2008年)和工程边坡(沃克. 2006),从而使正确的缓解措施被选中或确认正确的方法。最后,露边矿边坡监测被执行,确保人员和设备的安全。报警阈值通常是以经验为基础,推断测量位移时间序列来检测加速度超过设定阈值。洪格尔amp;罗斯 (2007)进一步证明通过外推法推断逆速度时间序列(Fukuzono1985)是有效的。必须指出的是,这些方法通常应用独立的破坏机理。因此,假警报或不确定性的误导性的仪表读数是一个频繁的问题。一旦触发警报，不安全区域的矿井将停止运作:如果发生故障时,该程序视为成功 (西里amp;如天2007);如果不是,这个过程会导致昂贵的停机时间,延误生产时间表和减少系统的效率。

2.2 大地监测

大地监测是最常见的方法，由于其一般可靠性和易于执行性被用于露边矿边坡管理。众多棱镜的大地监测上安装了多种工作台，现在通常使用的是机器的全站仪,最近的工作是将这些系统与全球导航卫星系统(布朗et al . 2007年)结合起来。当矿井直径超过1公里,折射和指向误差开始限制全站仪测量的有效性时，大地监测通过GPS接收器也可被视为适合大型露天矿井的项目。来自大地监测的收集的数据的一个重要限制是在运动和变形之间必须插入棱镜。这可能导致:1)高位移率地区的界限是不充分确定的,2)规模较小的结构控制运动如楔形或平面滑动被忽视或3)更大、更复杂规模的基坑故障背后的力学被误解。

2.3 雷达监测

新开发的边坡监测包括陆地雷达等遥感技术的使用,是提供高分辨率、全区域空间范围而不是依靠大地测量。雷达是通过连续扫描和比较精确高度和精确测量由4公里的边坡坡面构成来检测亚毫米运动(0.1 - 1毫米,根据距离得出)。商用雷达传感器(IBIS-M)用于这项研究,被IDS I系统工程所制造是基于:1)加强频率连续波(SF-CW),允许分辨率方向范围,2)合成孔径雷达(SAR),允许系统来解决监控区域交叉范围的方向,3)微分干涉法允许在不同的时间收集位移测量对照背散射电磁波的相位信息。无论是白天还是晚上,和在各种天气条件(-50°C到50°C)下,IBIS-M传感器能够执行实时不间断(5分钟间隔), 大区域视线(一维)监测,。这些能力有助于建立雷达作为一个关键工具管理不稳定露天矿边坡,快速识别大小、程度和暂时运转情况的发展中的故障(见哈瑞斯、 2006年,哈瑞斯amp;罗伯茨、2007年，戴amp; 西里、 2007年)。

Rodelsperger (2010)描述了IBIS-M单位相比于其他形式的监控的优缺点; 系统的一个关键缺点,与所有雷达系统一样,是它只能提供视距，意味着位移运动学重要的3D信息可能错过了。

3 完整斜率的空间探测

3.1 泰克高地峡谷铜矿

泰克高地山谷铜(HVC)位于加拿大不列颠哥伦比亚西南部坎卢普斯附近。HVC是几个大型露天矿卡车和铲车操作。这里所描述的实验进行了洛奈克斯矿井的贯彻 (图1)。

洛奈克斯矿井的西墙包括一个400米高的斜坡整体29°角。岩石是相对有能力但改变附近的断层。西墙是被洛奈克斯断裂带(LFZ),一个宽80米高度支离破碎和强烈的蚀变岩带下降约80°斜率(图1)。LFZ可理解为在控制斜坡运动的运动学(朔尔茨 amp;罗斯2009) 上有至关重要的作用。

其他适度的陡峭倾斜断层从东北到西南这一走向间歇地发生在LFZ顶壁上。顶壁内LFZ(斜坡上) 的运动报道的是由一个每日最大速度大于100毫米/天的复杂体推翻原理 (朔尔茨amp; 罗斯2009)。洛奈克斯矿井的西墙中检测到超过75%的大地棱镜已经机械化安装。

图1 洛奈克斯的HVC的西墙（注意洛奈克斯断层的位置）

3.2 实验装置和仪器定位

第一个雷达单元(网站)是位于东北矿井壁的顶部(图2)。监控点的距离大约在800m到1500m之间不等。在这个距离,监控像素的分辨率为1.5 x 4.3 m。这个站点被选为大致平行于坡的预期方向运动。站点 B是位于东南矿井壁的顶部,提供良好的空间重叠与站点A和一个倾斜角度的预期方向运动。远程监控点的距离在1200m和2500m之间,这与1.5 x 8.6 m监控像素大小相关。两个监测站点范围以外的任何飞石都来自于矿井生产爆破。雷达单元是由电池和便携式发电机提供能量(尽管他们也可以被配置为运行的矿井电网或太阳能电池板)。

IBIS-M雷达单元被同步同时运行在相同条件相同的扫描间隔(6分钟)下收集好几天的数据。

图2 BIS-M雷达单元的预期主要运动位置和方向

4 数据分析

4.1 解决三维位移向量

监测数据收集和处理使用软件IBIS控制器和IBIS监护人消除大气文物(范围和横向距离)的相位信息的先进算法,能够自动从那些正在辨别稳定点从而避免需要手动选择地面控制点。两个独立的位移光栅格式的地图创建为每个安装点在选定的时间框架。利用ArcGIS、栅格数据是结合矿山位置的数字高程模型(DEM)并转换为X,Y,Z坐标位移值。从每个雷达站点收集在30000和40000之间的数据。中心像素点的位置从每个站点创建比较和匹配，两个数据集之间大约25700点被发现是常见的。

以每个光栅组(最后YA1,ZA1 = XB1 YB1,ZB1)的普遍原始位置为基础,相应的视距大小和每个雷达设备的位置,创建每个方向运动的位移矢量(XA2 YA2,和XB2 YB2,ZB2)使用公式为:

= R [1]

x₀,y_0,z₀,的值由仪器得出，R是测量位移与仪器高的比值

为每个新创建的向量,向量的平面垂直于方程新的点(XA2 YA2, ZA2和XB2 YB2,ZB2)的向量进行了测定。每个栅格单元的实际位移必须存在于两个位面,因此,结合位移矢量由这两个平面的交点所创建。

因缺乏第三个雷达单元允许真正的三角测量,假定了一个新的向量的值。在这种情况下,使用两种技术来评估标高:以位移为基础的Z值和平均加权Z值。加权Z值,新向量的高度是由以下关系得出:

最现实的可能结果与可用的信息。向量是以上述技术为基础创建的,它是确定加权Z值加权高程值,产生一个独特的结合A B向量(X、Y、Z)的解决方案。

一个理想化的例子如图3所示。在本例中, 从各自的视距(A和B)创建了两个向量，红色和蓝色线和相应的平面垂直于向量。两个平面交叉成为合力。与给定一个高程值输入到X和Y值可以确定的方程代表相交的线中。在这种情况下,当一个更大的位移值被仪器记录,假设单位运动方向更类似于方向平行的仪器视线,仪器和高程使用等式[2]加权值。

图3基于理想化的位移向量的结合创建

4.2创建位移示意图

新创建的向量和对应点按大小排序导入到犀牛CAD软件中。这些点/向量覆盖于一个DEM洛奈克斯矿井和洛奈克斯断裂带确定运动的模式。位移映射是以个人工具(A和B)也是个体对照为基础。

4.3 潜在误差来源

几个潜在的错误来源确定了这些映射的创建。舍入误差可能通过使用CAD软件能够处理8位有效数字。这个误差将是有意义的,非常小的位移记录。

为了创建一个真正的三维位移图,将需要三个雷达单元;然而,使用两个单位可以生产一个假3D图。两个向量的组合的结果是由两个平面的交点的每个单位方程式产生。因此,最终的位移矢量方向可能受到选择的侧视图的影响。如果矿井壁的位移方向主要是垂直的,一个更大的误差来源将包含矢量方向。在这种情况下,被放置在大致相等的海拔和怀疑的方向运动的两个雷达单元主要是水平的,这意味着侧视图方法的确定不太影响的方向向量。如果运动的方向疑似包含更大的垂直分量,那么不同的雷达配置位置是必需的。

两个雷达单元都是位于相反方向的边坡的波峰附近,大多数被监测的坑壁的海拔低于仪器高。这意味着所有运动记录在水平线附近或一个向上的视线方向上。主要的运动方向预计将向下,朝向坑壁底部;因此,只有部分位移是可解决的。为了实现一个更现实的向量,至少设备之一应该位于靠近矿井的底部;然而,这物流和安全问题可能干扰矿井操作。

5 三维位移模式

5.1 视距大小

在监测期间观测站点A和B的总累积位移模式如图4所示。

图4 雷达测量位移模式:a）站点a、b)站点b 洛奈克斯断裂带由粗线表示平分坑壁的斜率。

在站点A,位移值范围在 26到-220毫米/天之间不等,站点B时,位移值在 35到-275毫米/天之间不等。负值代表运动向着仪器,而正值代表运动背离仪器。

在某些情况下,站点A和B的位移模式创建的大多是类似于稍微不同的边界和大小。这证实了坑壁的存在绝对运动发生在不同的地区,不同的角度的仪器可以测量不同组件的运动。

5.2 结合位移大小

两种仪器测量的组合位移导致观察模式，如图5。位移值介于0到307毫米/天不等。作为组合向量,位移不再通过朝向或远离仪器作为参考,而是涉及一个绝对值。这些结果据大地棱镜报道的显示最大位移值高于大约100毫米/天(朔尔茨amp;罗斯,2009)。这主要是由于大量的点测量,垂直岩壁和附近的机会来衡量这些地区移动过的安装稳定的棱镜。

图5 站点A和B组合位移模式

通过创建假3D位移图,更准确的表示可以实现边坡的位移位置和模式。基于组合位移模式,可以观察到几个不同的区域的位移,包括:1)低于洛奈克斯断裂带的底部附近,2)略高于洛奈克斯断裂带前入口坡道附近3)上游的斜率。可以确定这些脑叶的全部以及小区域内的坑壁。

5.3 位移向量

进一步了解的一般运动监测,解决了位移向量可以绘制(图6)。一个地区的扩大区域显示了一个示例的边坡位移率最高。通过绘制位移向量,可以看出有两个独立的运动，在上部区域的斜率可能单独控制岩体中的结构。

图6显示的原则方向的运动领

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