靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)用于充填采煤區(qū)建筑物變形監(jiān)測可行性分析

陳龍浩 （安徽省水利水電勘測設(shè)計院勘測分院，安徽 蚌埠 233000）

充填開采技術(shù)可以在保證較高的煤炭資源回收率的基礎(chǔ)上，有效地控制地表移動變形，減少環(huán)境污染，近幾年來被越來越多的煤礦企業(yè)所運用。相對于傳統(tǒng)開采地表建筑物變形監(jiān)測，充填開采地表建筑物變形監(jiān)測存在如下兩個特點：一方面，由于充填開采可以有效地控制地表沉降，往往一些重要建筑物（如古文物、紀(jì)念性建筑、高聳建筑等）下壓煤采用該項采煤技術(shù)，但該類建筑物對地表移動變形較為敏感，變形設(shè)防指標(biāo)較高，較小的移動變形可能造成建筑物的損害，產(chǎn)生不良的社會反響；另一方面，充填開采地表移動變形較小，建筑物受到的采動影響變形也較小，這對變形監(jiān)測的精度提出了更高的要求。因此，如何高效精確地獲取充填開采地表建筑物動態(tài)微變形數(shù)據(jù)，掌握建筑物動態(tài)變形規(guī)律，及時對危險建筑物進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警，顯得尤為重要。

建筑物變形監(jiān)測[1]現(xiàn)階段主要有常規(guī)變形監(jiān)測方法、三維激光掃描技術(shù)、近景攝影測量、GPS測量等方法。常規(guī)變形監(jiān)測方法（全站儀、水準(zhǔn)儀等）具有人員操作簡單、監(jiān)測精度高等優(yōu)點，使其成為現(xiàn)階段工程項目使用頻繁的監(jiān)測方式，但其需花費較大的人力物力且監(jiān)測周期較長，無法實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程監(jiān)測。三維激光掃描技術(shù)（實景復(fù)制技術(shù)）[2]和近景攝影測量技術(shù)[3]可以在獲取變形體表面三維點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析得到變形體變形起始位置、動態(tài)過程及整體變形趨勢，但就其單點測量精度難以滿足充填采煤建筑物變形監(jiān)測的要求。GPS測量技術(shù)[4]具有操作簡單、限制條件較少等特點，在大壩、山體滑坡、基坑等變形監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛，但其高程精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到充填開采地表建筑物的監(jiān)測精度要求。

本文針對充填開采地表建筑物微變形特點，在常規(guī)液體靜力水準(zhǔn)儀構(gòu)件上加裝無線傳輸模塊及數(shù)據(jù)處理預(yù)警模塊，使其達(dá)到遠(yuǎn)程實時監(jiān)測并預(yù)警功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)主要由3大模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元、無線通訊單元和數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元。由數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元實時監(jiān)測豎向形變數(shù)據(jù)及傳感器數(shù)據(jù)（主要為溫度數(shù)據(jù)），再通過無線通訊單元將所有采集數(shù)據(jù)通過公共網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，最后由數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及精細(xì)處理，分析變形體形變量，形變量超出設(shè)防指標(biāo)時，發(fā)出預(yù)警信號。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元

該單元主要為常規(guī)液體靜力水準(zhǔn)儀、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器。

液體靜力水準(zhǔn)儀是利用在外界環(huán)境（溫度、氣壓、重力等）相同的條件下，同一密度液體靜止時，其表面總是保持同一水平的特性，來監(jiān)測儀器安裝點之間豎向位移變化差值，其原理如圖2所示。

圖2 液體靜力水準(zhǔn)儀原理圖

如圖2（1）所示，當(dāng)外界環(huán)境（溫度、氣壓等）相同時，若儀器中液體密度相同，則液體表面處于同一水平，其液面高度分別為h1，h2…h(huán)n。當(dāng)儀器安裝點發(fā)生豎向形變時，則液面高度發(fā)生改變，形成新的水平，如圖2（2）所示，此時液面高度分別為 h1'，h2'…h(huán)n'，各儀器液面高度變化量分別為 Δh1=h1'-h1，Δh2=h2'-h2…Δhn=hn'-hn。選定其中某一儀器（一般位于形變范圍外）為基準(zhǔn)點，求得其它各測點垂直位移形變量為ΔH2=Δh1-Δh2…ΔHn=Δh1-Δhn。

在靜力水準(zhǔn)儀采集液面高度的同時，溫度傳感器同步采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器將采集來的靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)傳入無線通訊單元。

1.2 無線通訊單元

一般礦區(qū)生活環(huán)境復(fù)雜，人員頻繁進(jìn)入現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，易發(fā)生安全事故，同時為減少監(jiān)測成本，本文在監(jiān)測系統(tǒng)中加入無線通訊單元，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

目前，無線數(shù)據(jù)通訊方式根據(jù)距離遠(yuǎn)近、傳播途徑等主要分為無線電臺、GSM、GPRS/CDMA、衛(wèi)星通訊等方式[5]?？紤]實際監(jiān)測點距離數(shù)據(jù)處理中心較遠(yuǎn)，同時衛(wèi)星通訊費用過于高昂，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元與數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元之間的通訊最終通過IPmodem模塊和域名（靜態(tài)或動態(tài)）相結(jié)合而實現(xiàn)。IP modem模塊即為遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸終端，在設(shè)定好服務(wù)器的端口及IP地址后，將數(shù)據(jù)采集器中數(shù)據(jù)利用GSM、GPRS/CDMA上傳至網(wǎng)絡(luò)，再將服務(wù)器與域名相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

1.3 數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元

在對建筑物實行監(jiān)測預(yù)警之前，首先對充填工作面上方受采動影響建筑物進(jìn)行實地考察，根據(jù)建筑物保護(hù)等級、建筑質(zhì)量、地質(zhì)采礦條件等因素，評估建筑物抗變形能力，綜合確定保護(hù)建筑物的設(shè)防指標(biāo)。

當(dāng)液體靜力水準(zhǔn)儀液面高度數(shù)據(jù)和傳感器溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)處理中心后，中心將形變數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，求得儀器安裝點垂直形變量，進(jìn)而獲取被監(jiān)測建筑物的傾斜形變值和曲率形變值。當(dāng)建筑物形變值（傾斜、曲率）超過相應(yīng)的設(shè)防指標(biāo)時，中心發(fā)出預(yù)警信號，現(xiàn)場人員根據(jù)情況采取相應(yīng)措施，同時指導(dǎo)井下充填開采工作，優(yōu)化充填開采參數(shù)，提高充實率，減小地表移動變形量。其工作流程如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元流程圖

圖4 實驗區(qū)情況圖

2 系統(tǒng)精度分析

2.1 實驗概況

實驗區(qū)域位于安徽省北部某礦，實驗充填開采工作面為近水平煤層，平均采深約160m，其開采寬度約100m，推進(jìn)長度約100m，開采高度約3.0m，工作面上方主要為11棟磚混結(jié)構(gòu)建筑物。

選擇位于開采工作面邊界上方兩棟建筑物作為本次實驗監(jiān)測對象，在其外墻上安裝液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)1套（最小監(jiān)測周期為0.3s，靈敏度為0.01mm），將純凈水作為連通液體，為減小純凈水揮發(fā)，在其表面覆蓋少許機(jī)油，選取180s數(shù)據(jù)采樣間隔。充填工作面與地表建筑物井上下對照關(guān)系及液體靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點分布位置如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)測量精度

充填采煤區(qū)地表建筑物監(jiān)測目的是能及時準(zhǔn)確地通過監(jiān)測地表建筑物變形情況及時對建筑物損害進(jìn)行預(yù)警，為了檢驗液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能否滿足這一要求，對充填工作面未開采之前的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度分析。

下文以其中一臺8月2日至8月5日的液體靜力水準(zhǔn)儀液面高度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析（如圖5所示），對系統(tǒng)監(jiān)測精度做出相應(yīng)評估。

圖5 儀器液面高度觀測值

以原始液面高度為基準(zhǔn)，4天內(nèi)液面變化最高值為 +1.43mm，最低值為 -0.59mm。根據(jù)公式，其中誤差為0.64mm。

根據(jù)“三下”采煤規(guī)程中規(guī)定：當(dāng)建筑物受到傾斜i≤3.0mm/m、曲率 K≤0.2mm/m2、水平變形 ε≤2.0mm/m時，僅產(chǎn)生輕微損壞，為Ⅰ級采動損害。為了達(dá)到動態(tài)監(jiān)測的目的，采動區(qū)上方建筑物變形觀測的精度一般小于或等于允許變形值的1/10～1/20。建筑物上安置的相鄰監(jiān)測的最小距離為5m，按1/20允許變形值的監(jiān)測精度要求，則其傾斜形變監(jiān)測精度需滿足0.15mm/m，垂直位移監(jiān)測精度需達(dá)到0.75mm，該系統(tǒng)垂直位移監(jiān)測精度完全滿足建筑物變形監(jiān)測要求。

3 結(jié)論

本文針對充填采煤區(qū)地表建筑物微變形的特點及已有變形監(jiān)測方法存在的局限性，在常規(guī)液體靜力水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上，融合無線通訊遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，構(gòu)成了液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。同時對該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其垂直位移監(jiān)測精度達(dá)到0.64mm，完全滿足建筑物變形監(jiān)測的需求，實現(xiàn)了對充填開采地表建筑物微變形實時遠(yuǎn)程監(jiān)測的同時，并能對建筑物損害做出及時預(yù)警。