采動(dòng)動(dòng)態(tài)地裂縫發(fā)育特征監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉秀偉

（貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，550004）

0 引言

由于目前煤炭開采頻繁，大規(guī)模開采不斷，造成了許多地表?yè)p傷，而地裂縫就是顯著傷害之一。地裂縫的不穩(wěn)定因素極易引發(fā)附加性的礦難，不僅如此，地裂縫更會(huì)對(duì)土地的原生態(tài)環(huán)境造成影響與破壞，貴州省的一些地區(qū)生態(tài)環(huán)境就受到嚴(yán)重影響脆弱且易破壞。而對(duì)于此種情況，我們應(yīng)盡量避免其在不可避免的情況下發(fā)生，所以，開展地區(qū)地裂縫發(fā)育動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)研究及定量研究的裝置設(shè)計(jì)具有顯而易見的需要意義。目前對(duì)于采動(dòng)動(dòng)態(tài)地裂縫的監(jiān)測(cè)裝備比較落后，因?yàn)槎嗬糜诂F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)獲得地裂縫的空間分布狀態(tài)，而不能掌控它的發(fā)育變化的數(shù)據(jù)提供參考，根據(jù)此情勢(shì)，需要設(shè)計(jì)研發(fā)一套簡(jiǎn)易并且易攜帶的裂縫監(jiān)測(cè)裝置，讓其在此類監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用。

1 采動(dòng)動(dòng)態(tài)地裂縫監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 裝置設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)及其原理

據(jù)開采沉陷學(xué)的理論來(lái)推測(cè)，當(dāng)?shù)叵旅簩颖婚_采出后，必將引起地表不規(guī)則的變形，也會(huì)造成地表的拉伸產(chǎn)生地裂縫。而隨著采礦作業(yè)挖掘的進(jìn)行，地裂縫隨著作業(yè)會(huì)呈現(xiàn)不同程度及方位的擴(kuò)張與擠壓造成的閉合兩種特征，鑒于此，就必須在地裂縫的兩端采取指示裝置的安裝措施，以根據(jù)地裂縫在水平方向及垂直方向的同級(jí)位置移動(dòng)的變化情況就可以對(duì)地裂縫發(fā)育特征進(jìn)行肯定的定量敘述。

1.2 監(jiān)測(cè)裝置需要解決的問(wèn)題

根據(jù)對(duì)貴州一些地區(qū)動(dòng)態(tài)地裂縫的最初形成狀態(tài)實(shí)地調(diào)查研究可以得出，在最初形態(tài)下裂縫寬度僅有1至3毫米，比較不易被發(fā)現(xiàn)，而采掘工作的持續(xù)進(jìn)行卻會(huì)加劇地裂縫的擴(kuò)張趨勢(shì)，再加上區(qū)域內(nèi)天氣降雨等自然環(huán)境因素的影響等造成地裂縫的形態(tài)發(fā)展迅速，形成不必要的損失隱患，而這些自然因素及采動(dòng)因素?zé)o疑都會(huì)使監(jiān)測(cè)地裂縫發(fā)育過(guò)程的進(jìn)程進(jìn)一步難以發(fā)展。所以系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置時(shí)應(yīng)首要考慮此類關(guān)鍵問(wèn)題，如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確而迅速的將地裂縫在采動(dòng)過(guò)程中的發(fā)育變化即時(shí)的反映出來(lái)。并且在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)盡量精確，減少測(cè)量度的誤差，準(zhǔn)確的表達(dá)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

1.3 監(jiān)測(cè)裝置的主要構(gòu)成部件

圖1 裂縫位移監(jiān)測(cè)總體方案框圖

通過(guò)圖一表示是可以看出裂縫位移監(jiān)測(cè)儀的基礎(chǔ)構(gòu)造組成部分是由線性位移傳感器來(lái)測(cè)定裂縫的位置移動(dòng)變化，而經(jīng)過(guò)裝置程序?qū)⒘芽p移動(dòng)的實(shí)際位移測(cè)量值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)保證上面裝置的接收。而原始位移電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，放大等一些列系統(tǒng)程序，調(diào)整電路，并且將其信息傳輸進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)STM32微型控制器收集所收到的信息，并且照系統(tǒng)設(shè)置處理完畢后直接送入顯示器。在將數(shù)據(jù)存入本地磁盤的同時(shí)，還可以通過(guò)無(wú)線傳輸模塊設(shè)程將所確定的信息直接傳輸進(jìn)入控制中心。準(zhǔn)確的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂縫位移的遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)化。

其主要構(gòu)件的詳細(xì)構(gòu)成部分為：

（1）選用KTC系列線性式位移傳感器。此設(shè)備可以在被測(cè)裂縫發(fā)生變化時(shí)，直接帶動(dòng)線性位移傳感器拉桿產(chǎn)生與裂縫同步的位移，同時(shí)可知己轉(zhuǎn)換模塊并傳遞給滑動(dòng)式電阻器，電阻器將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)量，然后經(jīng)過(guò)電纜傳輸?shù)綑z測(cè)主機(jī)位置，通過(guò)此一系列完成對(duì)裂縫位移變化的感知。

（2）傳感器恒流電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路。此裝置為更好的使位移傳感器的位移變化信號(hào)更好的進(jìn)行遠(yuǎn)距離長(zhǎng)距離的傳輸，在設(shè)計(jì)此裝置時(shí)，采用圖2方法進(jìn)行供電，更好的保證了位移監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性及執(zhí)行性。并且為了防止設(shè)備部分構(gòu)建收到外部干擾而出現(xiàn)問(wèn)題采用了繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 傳感器恒流源電路設(shè)計(jì)圖

（3）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及微控制器電路設(shè)計(jì)，這兩種電路設(shè)計(jì)很好的起到了電壓隔離及讓裂縫變化的位移信號(hào)以緩變得直流信號(hào)進(jìn)行傳輸，并選用低通濾波電路濾除傳感器位移信號(hào)中的高頻干擾。而且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為不使監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)在未連接傳感器時(shí)數(shù)據(jù)顯示清零，還將電路中的放電電阻設(shè)置為了100kΩ ，更好的確保了設(shè)備安全穩(wěn)定放心的運(yùn)行。而作為裂縫位移監(jiān)測(cè)儀的核心控制部分的微控制器，則用了最先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備組成，系統(tǒng)電路也比較安全可靠，可自動(dòng)定時(shí)完成采集任務(wù)，發(fā)揮其自動(dòng)化的優(yōu)秀特征。并采用了GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的主要目的。

通過(guò)對(duì)以上信息的了解我們可以看出，裂縫位移監(jiān)測(cè)儀的設(shè)備及系統(tǒng)都能更加完善的提供監(jiān)測(cè)所需數(shù)據(jù)，為采動(dòng)動(dòng)態(tài)地裂縫的發(fā)育特征位移變化監(jiān)測(cè)提供了很大便利。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)備的具體使用方法

通過(guò)坐標(biāo)控制系統(tǒng)的坐標(biāo)信息，尋找到剛產(chǎn)生的地裂縫，并且及時(shí)布置該監(jiān)測(cè)裝置，來(lái)獲取裂縫在采動(dòng)動(dòng)態(tài)下的變化數(shù)據(jù)，得到所需要的數(shù)據(jù)情報(bào)。裂縫位移監(jiān)測(cè)儀使用方法具體為：

（1）首先要確定監(jiān)測(cè)對(duì)象，根據(jù)采掘工程平面圖來(lái)確定地裂縫的具體位置并在合理位置放置線性式位移傳感器。確定安裝固定穩(wěn)定。

（2）因?yàn)榱芽p位移監(jiān)測(cè)儀裝置多為自動(dòng)化裝置系統(tǒng)程序，所以，將設(shè)備放在固定位置，連接線路，將設(shè)備照程序安裝應(yīng)用，其程序軟件系統(tǒng)及自動(dòng)化運(yùn)行裝置就會(huì)開始運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)。工作人員應(yīng)在設(shè)備主機(jī)前實(shí)時(shí)或定時(shí)觀察所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以保證所需數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及需要數(shù)據(jù)的及時(shí)性。

3 裂縫位移監(jiān)測(cè)儀的模擬實(shí)驗(yàn)

研究人員在完成裂縫位移監(jiān)測(cè)儀的硬件焊接及軟件系統(tǒng)編寫后及時(shí)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了室內(nèi)的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：將裂縫位移傳感器連接在監(jiān)測(cè)儀的通道1上，然后初步模擬唯一的變化，在不斷拉動(dòng)位移傳感器的拉桿的同時(shí)用萬(wàn)用表和裂縫位移監(jiān)測(cè)儀測(cè)量傳感器得瑟輸出電壓，得出最后的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如下圖所示：

?

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論，自行研制的裂縫位移監(jiān)測(cè)儀相比較萬(wàn)用表的測(cè)量數(shù)據(jù)并沒(méi)有多大誤差，誤差值最大只有1.2mv，完全可以滿足實(shí)際操作裂縫位移監(jiān)測(cè)儀時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果需求。對(duì)于采動(dòng)動(dòng)態(tài)地裂縫發(fā)育特征的監(jiān)測(cè)也能達(dá)到預(yù)期效果，提供可靠的數(shù)據(jù)信息，保證對(duì)監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確性，為相關(guān)工作提供更大便利。而在裂縫位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在野外的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，找到了一個(gè)真實(shí)裂縫，并根據(jù)裂縫的開裂程度布設(shè)了5只兩項(xiàng)的位移傳感器來(lái)進(jìn)行對(duì)地表裂縫的監(jiān)測(cè)程序。而且在現(xiàn)場(chǎng)布置檢測(cè)儀器時(shí)采取了太陽(yáng)能裝置來(lái)確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作。而經(jīng)過(guò)實(shí)地的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的裂縫位移并沒(méi)有發(fā)生什么顯著變化，而該設(shè)備與相比設(shè)備的共同結(jié)果更進(jìn)一步確定了裂縫位移監(jiān)測(cè)儀的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于我貴州地區(qū)土地裂縫的發(fā)育特征及過(guò)程中數(shù)據(jù)問(wèn)題的缺失問(wèn)題進(jìn)行了一系列討論，并詳細(xì)描述了監(jiān)測(cè)裝置的功能及使用方法，及其后數(shù)據(jù)的信息采集方式。相信不久的將來(lái)地裂縫的監(jiān)測(cè)裝置將得到更大的應(yīng)用和普及，以實(shí)例研究成果及發(fā)育規(guī)律深度做更深課程的探討，此裝置作為地裂縫監(jiān)測(cè)的新發(fā)展，有望在其他礦區(qū)也得到很好的發(fā)展空間及應(yīng)用，為采動(dòng)動(dòng)態(tài)裂縫發(fā)育特征及監(jiān)測(cè)做出進(jìn)一步的改善貢獻(xiàn)。

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