随着露天矿山开采深度的增加，形成了大量的人工高陡边坡，严重威胁下游居民的生命财产安全。同时，由于高陡边坡事故的发生具有瞬时性的特点，因此高陡边坡稳定性监测显得至关重要（葛山峰等，2019；谢翔等，2021）。近年来，随着物联网、大数据和智能装备等技术的快速发展，矿山智能化水平不断提升，矿山生产模式不断更新，采矿工程逐渐迈向遥控化、智能化乃至无人化的阶段，从勘探数据到储量数据，从产量数据到运行数据，矿山大数据和智能化展露出强大的生产力。科技的发展为矿山智能化提供了强有力的技术支撑，大数据时代矿山智能化建设成为实现企业高质量发展的必由之路（吕鹏飞等，2018；张绍周等，2022）。

当前，露天矿山边坡智能化监测系统逐步成为智慧矿山领域的研究热点。朱守信等（2022）利用无人机倾斜摄影测量技术建立矿区模型，融合多源数据资料进行矿山开采数据化管控，探索无人机摄影技术在矿山开采动态监测中应用的可行性。魏占胜等（2021）基于三维激光扫描技术建立采场边坡三维地质模型，实时监测边坡位移变化并自动绘制位移变化曲线，为边坡稳定性分析及治理提供了重要依据。鲁成伟（2020）利用雷达技术监测矿山边坡变形沉降情况，并建立了滑坡预警系统；王振华等（2019）基于GIS无人机低空遥感三维技术进行矿山监测，结合实际监测效果对比分析了传统定点摄像矿山地质环境监测技术的不足。兰舜涯（2021）基于边坡雷达监测原理及现场监测设计，建立了边坡灾害预警方案。此外，还有研究人员利用HC-GBSAR合成孔径雷达智能边坡监测系统进行全天候、高精度和全覆盖的边坡位移监测，实现边坡灾害预警（Hu et al.，2016；吕斌等，2021）。秦秀山等（2017）通过分析国内外露天矿边坡监测技术的优缺点，提出未来研究应注重滑坡地质灾害远程实时监测及相关配套设备研发。

对于露天矿山高陡边坡稳定性的研究越来越受到人们的重视，从而推动技术发展和应用，国内外陆续涌现了一些新的监测技术，如：立体激光扫描和大型遥感图像技术等，这些技术均推动露天矿山边坡监测向着更为精准和高效的方向发展。同时，为了预防边坡灾害，保障矿山生产安全稳定，亟需利用当前技术，不断探寻最适合自身实际的监测方法。

为此，本文针对南泥湖露天钼矿高陡边坡人工监测存在的滞后性和危险性等问题，基于5G互联网技术实现露天矿山高大边坡监测数据集成，并采用合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）（Tian et al.，2023）和GNSS（Zhang et al.，2020）技术开展高大边坡稳定性监测。

南泥湖钼矿床属于超大型斑岩—矽卡岩型矿床，大地构造处于华北地台南缘。区域内出露地层有新太古代（2.6~2.9 Ga）片麻岩、麻粒岩和混合岩结晶基底。矿区内出露地层主要有中元古界官道口群和新元古界栾川群。其中，官道口群分布于矿田北部，为一套浅海相含燧石条带碳酸盐岩沉积，岩性主要为含燧石条带白云质大理岩，位于河南省栾川县境内。

南泥湖钼矿床采场最高点标高为+1 485 m，当前开采最低点标高为+1 258 m，开采形成的生产台阶坡面角为39°~65°，形成的边坡角为24°~31°，排土场设计卸排标高为+1 490 m，最低坡脚标高为+1 275 m。排土场总坝高为201 m，多年的废石排卸堆积，形成了+1 390 m次级台阶，与最低坡脚相对高差排土场两侧山体呈“V”型，坡度为40°~60°。

当前南泥湖钼矿采场历经多年开采，采矿场北部边坡已到达边界，不再向北开采，但边坡最大高度落差已达275 m（图1），属于危险边坡，且边坡局部出现断层裂隙，岩石破碎，现有边坡已出现多处开裂、小规模垮塌和岩体位移。为做好高陡边坡监测，避免滑坡和崩塌事故，南泥湖钼矿在台阶平台上设置多个人工位移监测点，人工定期测量位移监测点，通过对比测量点位置来判断台阶是否有位移，从而判断边坡的稳定性。此方式费时费力且不具备边坡位移监测的实时性，无法满足实际生产需要。为此，南泥湖钼矿亟需寻找一种能够实时监测、实时反馈边坡变形并能够实时预警的技术手段，提升采矿人员和设备的安全系数。

南泥湖露天矿山在线监测系统主要采用雷达扫描和GNSS监测技术，综合矿山智能化系统组建边坡在线监测系统框架，实现南泥湖露天矿山边坡的高效、精准监测。

（1）系统组成。合成孔径雷达通过对大范围内的地面目标进行雷达成像，并精确测量被监测目标的位移变化和位移速度（测量精度优于0.1 mm），从而实现对被监视目标的全天候、非接触和高精度远程监测（韩雪等，2009）。边坡形变监测雷达能够在15~20 min内完成一次监测，可以有效地控制数据量，同时保证能够从雷达观测结果中识别出对应目标的真实地形位置。边坡雷达监测系统构成如图2所示。

（2）合成孔径雷达监测原理。合成孔径雷达是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理方法合成一个较大的等效天线孔径的雷达，通过这种方式可以提高雷达对目标的监测分辨率。合成孔径雷达原理如图3所示。

合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。该雷达采用基于多普勒频移理论（杜军等，2018）和雷达相干理论（左金辉等，2021）（图4）的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率，并通过脉冲压缩技术来提高距离向分辨率。

根据SAR技术原理（廖明生等，2017），可由式（1）和式（2）分别计算方位向和距离向分辨率。

式中：λ为雷达发射波长；L为雷达运动的等效孔径长度；c为电磁波在真空中传播速度；B为雷达天线发射信号的带宽。

根据相关技术要求，该矿山雷达信号处于Ku波段（12.5~18.0 GHz），1 km处方位分辨率约为4.3 m。当信号带宽为300 MHz时，系统能达到的距离向分辨率为0.5 m。

GNSS监测技术（Global Navigation Satellite Sys-tem，GNSS），是具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统，称为全球卫星导航系统（Cai et al.，2014；Nadarajah et al.，2016；Thanpattranon et al.，2016）。我国自主研制的北斗导航系统由空间段、地面段和用户段3个部分组成。其中，空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成；地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施；用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块和天线等基础产品，以及终端设备、应用系统和应用服务等。

GNSS监测系统包括监测测点、接收机、基站、数据中心和监控中心，其中数据中心包括数据采集中心、数据校验检测中心和分析处理中心（Torres-Sospedra et al.，2011；Thanpattranon et al.，2016）。GNSS接收机上设有用于接收 GPS、北斗和GLONASS等多种卫星信号的天线（李增林等，2016），GNSS接收机、基站和数据采集中心之间通过无线网桥和光纤实现数据通讯连接。GNSS接收机通过实时接收卫星系统信号，将采集的定位差分数据上传至数据处理中心，再比对原GNSS设置点与当前定位点的差异（形变量设定阈值），当超出阈值时进行声光报警，从而实现边坡表面位移三维数据的自动监测和预警提示（王立文等，2021）。

高陡边坡在线监测系统监测的内容包含采场和排土场边坡监测。监测时根据采场边坡和排土场边坡所处位置、边坡高度、水文地质状况及相关规范要求，采用雷达对采场进行表面位移、震动、视频和降雨量监测，对排土场进行降雨量、视频和GNSS监测。采用互联网将各个小块串联起来，形成一整套在线联动综合监测系统，总体框架如图5所示。

监测系统综合管理软件平台是整个监测系统的核心，主要提供监测和分析数据的存储、分析、显示、报警、输出和网络发布等功能。其中，边坡安全在线监测各个模块相互独立，在前端实现传感器数据采集、数据转换和传输等功能，保证矿山调度实时监控管理。当系统监测到险情或故障时将产生报警信息，系统再发送通知信息到服务器，在用户界面上以显著方式进行报警信息通知，同时报警信息将存储于报警信息列表。软件平台启动相关应急处理预案进行应急处理，实现矿山智能化预警。

本文以南泥湖露天矿山为例，开展高陡边坡在线监测系统的现场应用研究。根据国家安全监督总局文件（安监总管〔2017〕98号）的相关要求，结合现场实际，对采场露天矿靠帮边坡和排土场建立安全在线监测系统，定期进行稳定性分析，从而有效防范安全生产事故的发生。

矿区所处的栾川县位于河南省西南部，为亚热带向暖温带过渡地带，属暖温带大陆性季风气候，气候温凉，雨量较多，冬长夏短。栾川县1957—2009年的年降水量和年均气温变化如图6所示。栾川县1957—2009年的年均气温为12.2 ℃，年均降水量为861.0 mm，最高年降水量出现在1964年，达1 386.4 mm。

依据《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》相关规定，边坡安全等级评价指标包括高度、坡度、稳定性和地质条件等，由此确定南泥湖矿区采场边坡安全监测等级为二级。排土场位于采区西南3.0 km左右，为山坡排土场，设计等级为一级。设计最终排土标高为1 490.0 m，最底边坡脚标高为1 275.0 m，最终堆置高度为215 m，弃土安息角为35°，设计边坡比为1∶1.43，排土场征地面积为419 550 m²，容积为1 600万m³。目前，排土场总堆置高度为193 m，排土场下部形成一次性边坡，高度约为93 m（标高为1 297~1 390 m），根据《冶金矿山排土场设计规范》（GB51119-2015）中关于排土场等级划分的规定，堆置高度H>180 m，排土容积V>20 000万m³，排土场等级为一级；当排土场堆置高度和容积划分等级之间的等差为一级时，采用高标准。

由于排土场堆置高度已达193 m，故确定排土场边坡等级为一级，存在一定的安全隐患。为了防止出现排土场边坡滑坡和垮塌等带来的安全事故，需对排土场进行实时监测。相应的边坡安全监测基本指标如表1所示，其中表面位移、内部位移和边坡裂缝为变形监测，透压力、地下水位和降雨量属于水文气象监测。

根据边坡安全监测基本指标，采场边坡应进行表面位移监测、爆破震动监测、降雨量监测和视频监控。根据水文地质资料分析，南泥湖矿区水文地质简单，不存在较大断层和滑面，地下水水位在采场设计深度之下，故不作地下水位监测；排土场在线监测内容为排土场边坡表面位移监测、降雨量监测和视频监控。

《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）规定，露天矿靠帮边坡必须进行变形监测。为保证矿山边坡的安全，提高矿山边坡安全监测技术管理水平，采用非接触式监测方式对其进行实时监测。结合现场实际考虑，重点监测区域位于北部高陡边坡（断层交会区域岩石破碎）和排土场。

（1）雷达监测区域

由于采场边坡坡度大，传统人工监测作业危险性很大，且GNSS变形监测点安装不便，为此，根据采场边坡所处位置、边坡高度、工程水文地质状况及相关规范要求，采用非接触式（雷达）监测技术，监测内容包括边坡表面位移监测、降雨量监测和视频监控。边坡重点区域采用高清视频进行监控，当监测系统反馈现场出现异常时，采用高清视频进行查看。在边坡空旷区域布置1个雨量计，监测边坡的降雨量。同时，利用现有地震监测仪开展边坡爆破振动人工测试和分析工作，从而为靠帮爆破参数优化和边坡稳定性分析提供依据。经现场沟通确认，非接触式雷达监控（滑轨式地基干涉合成孔径雷达：R/HYB1000）布设在矿区南部山顶，雨量计布设在1390台阶东北和西北部，重点监测区域水平距离为 800 m，矿区南北最远距离为1 500 m（图7）。

（2）排土场布设

影响排土场稳定性的主要因素包括排土方式、边坡几何形态、水文地质、松散体固结特征和降水强度等。排土场堆积体的危害表现为部分堆积体滑塌失稳或表面大块废石滚落，通过表面位移监测能够反映堆积体的变形滑动情况，因此采用表面位移监测。在线监测内容包括排土场边坡表面位移监测、降雨量监测和视频监控。

各GNSS监测点的响应时间为1 h，GNSS监测点的精度平面中误差小于±2.5 mm，高程中误差小于±5 mm。当监测系统反馈现场出现异常时，采用高清视频进行查看。降雨计布设在边坡空旷区域。

目前，排土场总堆置高度坝高为193 m，排土场下部形成一次性边坡，高度约为93 m（标高为1 297~1 390 m）。根据《非煤矿山边坡工程技术规范》（GB51016-2014）要求，坡顶位移观测时应在每一典型边坡段的顶部设置不少于3个监测点的观测网，观测位移量、移动速度和移动方向。横向范围坡顶大于300 m的边坡，应每隔50~100 m布设一条横剖面线。按照当前排土场划分为2个台阶的实际情况，在1490平台和1460平台各布设5个GNSS监测点（型号为HC-GBSAR），在1460东南区域布设一个雨量计（图8）。

（3）预警阈值设计方案技术路线

在线监测系统预警阈值设计方案技术路线如下：首先，调研边坡预测预警的国内外研究现状，收集工作区的基础地质信息和气候信息，采场边坡和排土场边坡地质条件等工程概况，以及边坡表面位移监测数据和雨量计数据；然后，在数据分析阶段，根据获得的资料信息分析滑坡变形特征和滑坡诱发因素，选择合适的监测指标；最后，依据监测指标建立阈值模型，并根据模型计算预警阈值，划分相应的预警等级。详细技术方案路线见图9。

南泥湖矿山采场、排土场边坡在线监测系统可以实现24 h不间断监测，通过查阅近一年采场和排土场相关监测数据，绘制得到各参数的变化曲线如图10~图13所示。

通过分析部分监测数据，得出如下结论：

（1）采场爆破振动产生的地震烈度最高达6级，结合爆破振动采场监测点位移变化曲线可知，水平方向较竖直方向位移变化大，说明爆破振动向四周传播时以水平方向传播为主，因此多年未发生周围构筑物受爆破振动的损坏事件。

（2）排土场监测点位移呈现周期性变化规律，说明废石受自重力影响向下滚落，当堆积坡面角度达到自然安息角条件后稳定；随着废石不断排放，打破现有的应力分布状态，废石继续滚落堆积并再次稳定，说明排土场监测点位移变化是增大、减小又增大的过程。

（3）基于雨量数据的预警模型中，最关键的指标是根据历史雨量数据求解降雨强度、累计雨量和降雨持续时间等参数。根据雨量划分，结合相应的预警模型可得到最终的预警等级，从而实现对泥石流及降雨型滑坡的临滑预警。根据地质条件可以推断，南泥湖钼矿的露天采场边坡应为岩质边坡，其变形特征不适用堆积型滑坡的时空演化特征分析，可以考虑通过计算降雨阈值的方式对其进行预报。排土场滑坡为土质滑坡，适用三阶段位移—时间曲线特征分析，除了使用降雨阈值进行预警，还可以参考在线监测系统中的加速度和切线角数据实现综合预警。

（4）在使用雷达进行采场边坡变形监测中，边坡位移曲线是判断滑坡进入滑坡前期的最直接最有效的依据。通过阈值设定（根据南泥湖钼矿矿岩特性，依据切线角理论公式和软岩边坡滑坡等机理，结合蠕变曲线特点，设定出合理阈值），当边坡位移曲线超过阈值，位移区域图形立即显示红色，警报声响起，通过提前预测避免人员进入滑坡区域。经过一年的数据收集及系统运行，未有边坡位移报警情形发生，南泥湖钼矿采场边坡基本稳定。

（1）通过在南泥湖矿山高陡边坡稳定性监测工作中采用雷达扫描和GNSS监测技术，实现了高精度、大面积、非接触、全天时、全天候和早发现的现代化边坡监测目标。运用该方法，矿山可根据雷达测量的数据及时调整采掘方案和爆破方法。

（2）通过排土场点位监测可实时掌握边坡蠕变趋势，尤其是针对高大边坡，GNSS监测系统可及时提供精准的边坡位移变化数据，在灾害预警方面发挥重要的作用。

（3）雷达扫描和GNSS监测技术与互联网结合运用，形成数据集成平台，不受环境变化限制，相对传统人工测量，具有安全、高效和精准等优势。

（4）对采场边坡进行24 h不间断实时扫描监测成为未来趋势，因此，考虑监测系统的稳定性及可靠性，相控阵电子扫描式及北斗卫星雷达的应用前景可能成为主流趋势。