高精度礦區(qū)地表沉陷遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

姚錫偉 劉 濤

(內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川 內(nèi)江 641000)

煤炭資源開采在一定程度上會引起礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境惡化，礦區(qū)地表不均勻沉陷為最直觀的表現(xiàn)之一。對礦區(qū)地表沉陷進(jìn)行監(jiān)測，有助于制定相應(yīng)的對策來有效治理礦區(qū)沉陷，實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。目前礦區(qū)地表沉陷常用的監(jiān)測方法主要有幾何水準(zhǔn)測量、三角高程測量、GPS測量和靜力水準(zhǔn)測量[1-3]。幾何水準(zhǔn)測量和三角高程測量自動化程度低，運(yùn)營費(fèi)用高；GPS測量雖然具有自動化程度高的特點(diǎn)，但精度較低，僅有5 mm[4]，并且GPS監(jiān)測還具有成本高、易受環(huán)境影響等不足；靜力水準(zhǔn)測量具有測量精度高、自動化程度高、后期運(yùn)營費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于對礦區(qū)地表沉陷進(jìn)行監(jiān)測[5]。本研究以振弦式靜力水準(zhǔn)儀作為傳感器、GPRS無線傳輸技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸手段，對礦區(qū)地表沉陷遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，并以山西某礦為例進(jìn)行系統(tǒng)性能測試。

1 靜力水準(zhǔn)儀測量原理

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)(Hydrostatic leveling system，HLS)是一種基于連通器原理的高精密液位系統(tǒng)[6]。當(dāng)某個觀測點(diǎn)發(fā)生位移變化時，該點(diǎn)處的靜力水準(zhǔn)儀儲液罐中的液體便會與其他測點(diǎn)處的水準(zhǔn)儀儲液罐的液體相互流動，從而引起液位變化。液位的變化信息可以被靜力水準(zhǔn)儀傳感器感知并測量，從而得到發(fā)生沉陷測點(diǎn)的豎向變化信息。目前，常用的靜力水準(zhǔn)儀有振弦式、光電式、差動變壓器式、電容感應(yīng)式、超聲波式、壓差式等，該類水準(zhǔn)儀的性能參數(shù)如表1所示[7-8]。

表1 常用靜力水準(zhǔn)儀性能參數(shù)對比[7-8]

分析表1可知：振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器具有測量范圍大、精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，故本研究選用該型水準(zhǔn)儀進(jìn)行研究。

振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器的敏感器件是一根被稱為振弦的金屬絲，在固定電流的作用下，金屬絲以固定頻率振動。當(dāng)靜力水準(zhǔn)儀儲液罐中的液面發(fā)生波動時，傳感器中的浮子所受的浮力便發(fā)生了變化，該變化被傳感器感知，具體體現(xiàn)為電流發(fā)生波動，電流波動會導(dǎo)致振弦振動頻率發(fā)生變化，根據(jù)頻率變化可知儲液罐內(nèi)液面高度的變化信息。振弦的振動頻率可用下式計算[9]，

(1)

式中，f為鋼弦的自振頻率，Hz；L為鋼弦長度，m；T為鋼弦張力，N；m為單位長度鋼弦的質(zhì)量，kg。

2 礦區(qū)地表沉陷遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

本研究沉陷監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)可分為振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器和數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備2個部分。

2.1 振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器

振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器主要由傳感器保護(hù)筒、容器頂蓋、液位觀察管、傳感器電纜、浮筒、通液管和膨脹螺栓等結(jié)構(gòu)組成(圖1)。采用該型水準(zhǔn)儀測量多個測點(diǎn)的相對沉陷信息時，各個傳感器通過通液管相連，當(dāng)其中某個測點(diǎn)的高程發(fā)生變化時，該測點(diǎn)儲液罐內(nèi)的液面高度便會發(fā)生變化，根據(jù)連通器原理，發(fā)生高程變化的測點(diǎn)儲液罐內(nèi)的液體便會流至其他儲液罐中(圖2)。在具體測量中，一般認(rèn)定某個測點(diǎn)的高程是固定的或可以人為進(jìn)行精準(zhǔn)測量的，以便據(jù)此精確計算其他測點(diǎn)的沉陷信息。由于本研究系統(tǒng)選用的傳感器儲液罐是透明的，故而可以通過觀察儀器上的液位來直觀查看儲液罐中液面高度的變化情況。

圖1 單個振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器組成

圖2 多個振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器工作示意

2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備

數(shù)據(jù)傳輸方式一般可以分為人工傳輸、有線傳輸和無線傳輸3類。目前，人工方式僅適用于地形受限或其他采集方法難以傳輸數(shù)據(jù)的情形；有線數(shù)據(jù)傳輸方式具有保密性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，常適用于軍事或保密工程，但架設(shè)線路困難，而且存在后期維護(hù)困難、傳輸距離受限等缺點(diǎn)[10]；近些年，隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳輸方式已經(jīng)基本取代人工和有線傳輸方式[10]。無線傳輸方式相比于有線傳輸，具有安裝簡便、后期維護(hù)簡單等特點(diǎn)。目前，無線數(shù)據(jù)傳輸方式主要有超短波、衛(wèi)星通信、SMS(short message service)、GPRS等(表2)[11-12]。

分析表2可知：相比于其他數(shù)據(jù)傳輸手段，GPRS具有運(yùn)營建設(shè)費(fèi)用較低、維護(hù)成本低、覆蓋范圍廣和傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，故而本研究系統(tǒng)采用靜力水準(zhǔn)測量獲取數(shù)據(jù)，采用GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備的作用是接收傳感器的數(shù)據(jù)并通過GPRS技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備與傳感器及數(shù)據(jù)中心的關(guān)系如圖3所示。

表2 常見無線傳輸方式的特點(diǎn)對比[14-18]

圖3 數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備與傳感器及數(shù)據(jù)中心的關(guān)系

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備由高檔單片機(jī)、手機(jī)SIM卡和其他精密器件組成，其最大采集路數(shù)可達(dá)60路，采用12 V直流蓄電池進(jìn)行供電，待機(jī)電流為20 mA，可接受傳感器輸出的電壓信號，可以在-30～60 ℃環(huán)境下正常使用。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備的具體工作流程如圖5所示。測點(diǎn)高程的變化信息被振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器識別并發(fā)送電流信號，電流信號經(jīng)過高精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號被數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7705轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號被光電耦合器識別并存儲于單片機(jī)的CPU中，等待時鐘命令進(jìn)行發(fā)送。值得注意的是，整個數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備僅有1個電源(12 V蓄電池)，但振弦式傳感器所需的供電電壓為15 V，AD7705和CPU所需的供電電壓分別為5，4.24 V。如圖5所示，系統(tǒng)采用了2個規(guī)格不同的DCDC，1個是將12 V電壓轉(zhuǎn)為15 V電壓對振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器進(jìn)行供電，另1個是將LM2596輸出的4.24 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓對AD7705進(jìn)行供電。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備工作流程

綜合上述分析，可知本研究礦區(qū)地表沉陷遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

圖6 礦區(qū)地表沉陷遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 線性度

本研究選用高精度醫(yī)用注射器向儲液罐內(nèi)注入液體，來模擬測點(diǎn)高程變化。經(jīng)過換算，每注入1 mL水，液面升高0.073 mm。為對系統(tǒng)中3個振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器的線性度與擬合進(jìn)行標(biāo)定，每次注入50 mL水，每10 min向儲液罐注入一次水，傳感器輸出的電壓與實際液面高度的關(guān)系如圖7所示。

1#、2#、3#傳感器的輸出電壓與實際液位高度的

圖7 傳感器輸出電壓與實際液位高度的關(guān)系

線性擬合系數(shù)R2分別為0.989 1、0.999 4、0.998 1。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ分別為0.99×10-3、1.94×10-3、9.65×10-4?？梢?臺傳感器的輸出電壓與測點(diǎn)實際液位高度的線性擬合程度較高。

3.2 穩(wěn)定性

將3臺振弦式靜力水準(zhǔn)儀傳感器固定于某支墩上，保證其豎向高度不變。3臺傳感器的初始液位高度分別為41.195，39.155，42.610 mm。測定時間為1周(2017年2月21日0:00—2月27日8:30)，每 0.5 h進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集，共收到306組數(shù)據(jù)。由表3可知：3臺傳感器受到外界溫度、壓力差、重力異常的影響非常小，傳感器總體穩(wěn)定性較好。

表3 靜力水準(zhǔn)儀傳感器野外高度變化特征

4 工程實例

山西某礦目前有2個工作面(1101、1102工作面)正在開采，本研究在1101工作面地表布置了3個測點(diǎn)并對其進(jìn)行了為期9 d(2017年4月2日～2017年4月10日)地表沉陷監(jiān)測，每天8:00讀取1次監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

表4 系統(tǒng)監(jiān)測值與精密水準(zhǔn)測量值對比

分析表4可知：經(jīng)過9 d監(jiān)測，系統(tǒng)輸出的沉陷值與精密水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)具有較好的吻合度，兩者誤差最大值僅為0.425 mm，可見該系統(tǒng)監(jiān)測精度較好。目前，該系統(tǒng)已在該礦山連續(xù)運(yùn)行了4個多月，總體運(yùn)行效果良好。

5 結(jié) 語

為進(jìn)一步提升礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測精度，設(shè)計開發(fā)了一套由振弦式靜力水準(zhǔn)儀作為傳感器、由GPRS無線傳輸技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸手段的礦區(qū)地表沉陷遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)性能測試及某礦山監(jiān)測試驗均表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、數(shù)據(jù)存儲量大、測試精度高、運(yùn)行成本低、對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)特點(diǎn)，沉陷監(jiān)測精度優(yōu)于GPS方法，可滿足礦區(qū)地表高精度沉陷監(jiān)測要求。

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