礦區(qū)地表沉降監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

安 慶 王天慧

(武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430206)

礦區(qū)地表沉降監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

安 慶 王天慧

(武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430206)

以湖北三鑫金銅股份有限公司礦區(qū)沉降預(yù)警監(jiān)測為應(yīng)用示范，基于衛(wèi)星導(dǎo)航和地理信息融合技術(shù)，在該區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)監(jiān)測站網(wǎng)和建設(shè)數(shù)據(jù)中心。通過研發(fā)解算和沉降監(jiān)測應(yīng)用軟件，在數(shù)據(jù)中心可以對基準(zhǔn)站和監(jiān)測站的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，據(jù)此能夠精確地得到監(jiān)測點的空間絕對三維坐標(biāo)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對沉降點的定位精度可達(dá)實時厘米級，事后毫米級，并能進(jìn)行趨勢分析、閾值預(yù)警等。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為礦區(qū)管理者及時采取應(yīng)急安全措施提供了決策支持。

沉降監(jiān)測 監(jiān)測站 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)中心

1 引言

礦山生產(chǎn)行業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)的高危行業(yè)，其事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)在全國工業(yè)安全生產(chǎn)領(lǐng)域占較大的比重[1]。隨著礦山開采時間的逐漸增長，地下采空區(qū)規(guī)模的逐步增大，導(dǎo)致采空區(qū)及鄰近區(qū)域的支撐情況逐步惡化，嚴(yán)重威脅著礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、深部礦體采礦生產(chǎn)以及地表居民的生命財產(chǎn)安全[2]。

湖北三鑫金銅股份有限公司隸屬中國黃金集團(tuán)公司，是以采選金銅礦為主的礦山企業(yè)。其主要開采對象為-470m～-1080m標(biāo)高之間的礦體，隨著礦山深部開采，形成大量采空區(qū)。據(jù)現(xiàn)場考察，三鑫公司礦區(qū)內(nèi)部的化驗樓已經(jīng)出現(xiàn)整體沉降，且出現(xiàn)滑坡坍塌點，正呈現(xiàn)大面積地面沉降的征兆。該公司領(lǐng)導(dǎo)高度重視礦區(qū)存在的安全隱患，委托光谷北斗公司利用先進(jìn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)編制礦區(qū)沉降監(jiān)測預(yù)警方案

北斗技術(shù)作為現(xiàn)代大地測量的一種技術(shù)手段，可以實現(xiàn)三維大地測量，進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測及實現(xiàn)測量過程的自動化，具有高精度、高可靠、全天候、全自動等優(yōu)點[3]?；诖?，光谷北斗將北斗技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)集成，研發(fā)了礦區(qū)地表沉降監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并在礦區(qū)進(jìn)行了軟硬件的集成和實現(xiàn)，達(dá)到了礦區(qū)地表沉降安全監(jiān)測的目的。開展此項工作，不僅對保障礦區(qū)國家和人民生命財產(chǎn)的安全有著重要的作用，而且對發(fā)展北斗產(chǎn)業(yè)有著現(xiàn)實意義[4]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

三鑫公司位于湖北省黃石地區(qū)，為其研發(fā)的基于北斗高精度的地表沉降監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是一套能夠?qū)崿F(xiàn)礦山安全監(jiān)測智能化、自動化，并具有智能報警功能的系統(tǒng)。它借助接收先期已在黃石地區(qū)建成的北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)發(fā)送的差分?jǐn)?shù)據(jù)，以及各監(jiān)測站發(fā)來的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精密解算，從而達(dá)到對監(jiān)測站高精度三維定位的目的。

該系統(tǒng)分為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)和輔助支持系統(tǒng)四個部分，其總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1 地面沉降監(jiān)測站建設(shè)

北斗地面沉降監(jiān)測站間無須通視，但與天空要保持良好的通視條件[5]。其基本布設(shè)原則為監(jiān)測站盡量布設(shè)在礦區(qū)附近穩(wěn)定的基巖上，周圍應(yīng)視野開闊、視場內(nèi)高度角不宜大于10度，困難地區(qū)視場高度角大于10度的障礙物遮擋角累計不應(yīng)超過30度[6-7]；其與附近的微波站、通信基站等大功率無線電發(fā)射源的距離應(yīng)大于200米，與高壓輸電線、微波通道的距離應(yīng)大于100米[8]。另外，監(jiān)測站附近不應(yīng)有大型建筑物、玻璃幕墻及大面積水域等強烈干擾接收機接收衛(wèi)星信號的物體[9]。

三鑫公司礦區(qū)進(jìn)行實地踏勘后，按照上述原則，結(jié)合礦區(qū)內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)整體沉降的“化驗樓”和主井附近“滑坡坍塌點”，，充分考慮“干堆尾礦庫”的范圍和在建邊坡的實際需要，共勘定了10個監(jiān)測點。其監(jiān)測點分布示意圖如圖2所示。

3.2 供電系統(tǒng)建設(shè)

結(jié)合礦區(qū)的實際情況，以及保障項目供電的可靠性，監(jiān)測站在能夠牽引市電的地方采用市電供電，在不方便牽引市電的地方采用太陽能供電的方式。我們采用75W×2太陽能電池板和100Ah蓄電池作為供電設(shè)備，這樣搭配的好處是安全、容易避雷、省工。經(jīng)測試，在沒有太陽的情況下，蓄電池可以連續(xù)供電工作7天。

3.3 雷電防護(hù)

對連續(xù)運行的監(jiān)測站一定要考慮防雷電措施，雷電所產(chǎn)生的高電壓、電磁脈沖對沒有相應(yīng)保護(hù)措施的同軸電纜、天線、數(shù)據(jù)通訊電纜、電源電纜等會產(chǎn)生強烈的毀壞作用，直接損壞所連接的電子設(shè)備[10]。

基于此，我們在距每個監(jiān)測站觀測墩3米左右地方，安裝了一個普通的避雷針，選用Ф16不銹鋼制作。其支撐桿由兩節(jié)組成，分別由2寸、1.2寸各三米熱鍍鋅管制作。地網(wǎng)選用4根50×50×5mm熱鍍鋅角鋼為垂直地極L=2.5米，以40×4mm熱鍍鋅扁鋼互連，地極埋地深度>0.7米。避雷針基座為500×500×60mm鋼筋混凝土，由地網(wǎng)引兩根40×4mm熱鍍鋅扁鋼與基座連接，接地電阻小于2Ω。

3.4 數(shù)據(jù)通訊方案

由于本項目實施的是礦區(qū)的沉降監(jiān)測，需要實現(xiàn)監(jiān)測站與控制中心間的數(shù)據(jù)雙向通訊傳輸，監(jiān)測站的遠(yuǎn)程控制和管理等功能?？紤]到現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，布設(shè)光纜的難度較大，另外，由于沉降數(shù)據(jù)是靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的實時性要求不高，而對精度要求較高，從實用性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，我們對各監(jiān)測站采用了GPRS的數(shù)據(jù)通訊傳輸方式。

3.5 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心硬件設(shè)備主要組成為各類服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。服務(wù)器包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、舊服務(wù)器及解算服務(wù)器等；數(shù)據(jù)存儲設(shè)備包括在線存儲、利舊存儲、離線存儲等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括防火墻、核心交換機、負(fù)載均衡器等。其功能是接收從各監(jiān)測站和基準(zhǔn)站傳來的衛(wèi)星觀測原始數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、存儲、發(fā)送和應(yīng)用展示等，實現(xiàn)各沉降監(jiān)測點沉降量數(shù)字和圖形化展示、趨勢分析、安全評估，以及閾值預(yù)警等功能，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)表

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 解算軟件

一般來說，每個監(jiān)測站觀測得到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括偽距、載波相位及星歷數(shù)據(jù)等[11]。數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)娇刂浦行? 中心的解算軟件根據(jù)每臺接收機對應(yīng)的IP地址和端口號，獲得每個監(jiān)測站的原始實時數(shù)據(jù)流，解算軟件對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實時差分解算，得到各個監(jiān)測站的坐標(biāo)，并存入數(shù)據(jù)庫或發(fā)送給客戶端。本系統(tǒng)所用解算軟件為光谷北斗采用VC++定制開發(fā)的GGBDmonitor，該軟件主要特點：1)能進(jìn)行7×24小時不間斷實時差分處理；2)可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，對不同的監(jiān)測站的實時差分結(jié)果進(jìn)行Kalman濾波，達(dá)到不同的動態(tài)要求和精度要求；3)能根據(jù)多天運行的結(jié)果，建立近期的大氣延遲(對流層、電離層)模型，提高定位精度和可靠性；4)根據(jù)接收機的原始數(shù)據(jù)輸出率，其數(shù)據(jù)更新率最高可達(dá)20Hz；5)根據(jù)多基站的觀測數(shù)據(jù)，可以建立電離層模型，提高長距離監(jiān)測的精度；6)根據(jù)多基站的處理結(jié)果，可以實現(xiàn)實時網(wǎng)平差功能，提高點位精度和可靠性；此外，其采用了C/S架構(gòu)，用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件

地表沉降監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)基于ArcGIS Engine，采用了組件式二次開發(fā)模式ArcGIS Engine是一套完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫，支持包括COM、.NET框架、Java和C++等多種開發(fā)語言，能夠運行在Windows、Linux和Solaris等平臺上，可以方便地將GIS功能嵌入到目標(biāo)開發(fā)軟件中[12]。該系統(tǒng)主要包括工程管理模塊、GIS模塊、圖形顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

工程管理模塊可瀏覽礦區(qū)監(jiān)測站的實景圖片，并可對各監(jiān)測站沉降的信息進(jìn)行查詢，以圖表統(tǒng)計的方式顯示，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel，生成監(jiān)控點沉降表。

GIS模塊以三鑫公司礦區(qū)影像為底圖，疊加監(jiān)控中心、監(jiān)控點、監(jiān)控區(qū)域等空間數(shù)據(jù)，通過切片處理后，發(fā)布為地圖服務(wù)，供客戶端訪問。同時，監(jiān)控數(shù)據(jù)可在服務(wù)器端統(tǒng)計、分析，并將結(jié)果通過WebService返回到客戶端顯示。其主要功能包括監(jiān)測區(qū)域、基站點、沉降監(jiān)測點平面布置圖瀏覽、屬性信息展示、坐標(biāo)定位，以及監(jiān)測區(qū)域地圖量測、標(biāo)繪和圖層管理等。

圖形顯示模塊可根據(jù)沉降量繪制監(jiān)測點的沉降過程曲線，根據(jù)沉降速度繪制監(jiān)測點的沉降速度曲線，并可由監(jiān)測點平面坐標(biāo)(x,y)和沉降量s構(gòu)成監(jiān)測點三維坐標(biāo)(x,y,s),以區(qū)域為單位建立三維立體模型，繪制沉降量曲線圖。

數(shù)據(jù)分析模塊包括回歸分析、對比分析、綜合分析。系統(tǒng)選擇對數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)等15種函數(shù)作為沉降過程回歸分析的基本數(shù)學(xué)模型，用戶可以單獨使用，也可以組合疊加使用，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測。還可綜合分析按實時采集與按時間段靜態(tài)解算的高程信息，結(jié)合常規(guī)沉降觀測信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，實現(xiàn)實時沉降報告、多級報警、沉降趨勢分析等功能。

5 結(jié)語

光谷北斗研發(fā)的地表沉降監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是一個集衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息、無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。它通過對基準(zhǔn)站、監(jiān)測站的原始衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)處理和分析，為管理者提供了監(jiān)測區(qū)域各監(jiān)測點和監(jiān)測面沉降數(shù)據(jù)描述的各種報表、圖形，并能夠進(jìn)行趨勢預(yù)測和預(yù)警，具有高精度、高可靠、全天候、全自動等優(yōu)勢，事后精度達(dá)到了毫米級。該系統(tǒng)不僅能運用于礦區(qū)地表沉降監(jiān)測，還可用于尾礦庫、大壩、高層建筑等的形變和沉降監(jiān)測，具有較大的推廣價值。

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Design and Realization of Land Subsidence Monitoring and Early Warning System in Mining Area

AN Qing,WANG Tian-hui

(WuhanOptics Valley BeiDou Holdings Group Co.,LTD, Wuhan Hubei 430206,China)

The paper took Hubei Sanxin Gold Copper Co., Ltd. as the application model for the mining area subsidence monitoring and early warning. Based on satellite navigation and geographic information fusion technology, the monitoring station network and data centers in the region were set up reasonally. Through research and development of calculation and subsidence monitoring application software,the satellite data which came from reference stations and monitoring stations could be processed and analysed in the data center. The absolute space three-dimensional coordinates of monitoring points could be obtained accurately. The results show that the real time positioning accuracy of the system for the subsidence points can reach centimeter level, and the afterwards positioning accuracy can reach millimeter level, and the system can carry on the trend analysis, threshold warning and so on. The realization of the system can provide decision support for managers in mining area who can take emergency measures in time.

subsidence monitoring;monitoring station;data communication; data center

2016-05-05

P208

B

1007-3000(2016)06-4