監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用研究

魏建華

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

我國是一個礦產(chǎn)資源非常豐富的國家，再加上經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得現(xiàn)階段對于礦產(chǎn)資源的需求量持續(xù)增加，尤其是我國社會正處于一個以大量開發(fā)利用資源為主要特征的工業(yè)化進(jìn)程中，所以急需進(jìn)行大力的礦山資源開發(fā)與開采工作[1]。但是在此過程中由于市場競爭壓力的不斷增加，礦山企業(yè)片面追求經(jīng)濟(jì)利益的最大化，開采設(shè)備與技術(shù)相對滯后等多種原因，導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率逐年上升，從而導(dǎo)致開采環(huán)境與平臺不斷惡化，二者之間具有相互影響，而這種惡性循環(huán)使得我國礦山行業(yè)發(fā)展陷入了一定的困境。尤其是近些年來礦山冒頂、突水、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題的日益嚴(yán)重，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失，更有甚者造成了一定的傷亡，嚴(yán)重制約了國家工業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展[2]。

為了有效治理礦山地質(zhì)災(zāi)害，需要利用相關(guān)方法對礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警，所以本文主要研究了監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用，以期解決礦山地質(zhì)災(zāi)害治理過程中存在的難題，減少和降低了地質(zhì)災(zāi)害損失，提升相關(guān)的社會效益、環(huán)境效益以及經(jīng)濟(jì)效益。

1 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用

為了提升礦山地質(zhì)災(zāi)害治理效果，設(shè)計了一種礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、監(jiān)控中心模塊和Web發(fā)布模塊構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，將具有移動通信功能的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備布置在預(yù)先設(shè)計好的監(jiān)測點(diǎn)，利用該設(shè)備采集礦山地質(zhì)災(zāi)害信息，包括滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、不穩(wěn)定斜坡等。在此基礎(chǔ)上，利用移動GSM網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息以短消息的方式發(fā)送至監(jiān)控中心模塊，在該中心對采集到的信息進(jìn)行分析與處理后，將所有信息存儲至數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控中心主要通過對于網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊所采集的信息進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警，并根據(jù)現(xiàn)場信息通過Web發(fā)布模塊及時發(fā)布監(jiān)測信息，從而有效降低礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與擴(kuò)大的可能性，提升礦山地質(zhì)災(zāi)害治理能力[3]。

1.1 現(xiàn)場監(jiān)測模塊

將具有移動通信功能的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備布置在預(yù)先設(shè)計好的監(jiān)測點(diǎn)，利用該儀器采集相關(guān)的監(jiān)測信息，具有包括以下幾方面的內(nèi)容：

（1）裂縫位移監(jiān)測：將位移傳感器一端固定在滑坡體上，另一端固定在非滑坡體上，將兩者的差值作為裂縫位移作為監(jiān)測點(diǎn)相對位置監(jiān)測信息。

（2）地下水位監(jiān)測：將水位傳感器布置在預(yù)先設(shè)計好的監(jiān)測位置，利用該傳感器采集地下水位監(jiān)測信息。

（3）深部位移監(jiān)測：在某一滑坡體的內(nèi)部鉆孔，并將角度傳感器測斜管埋入該鉆孔內(nèi)，在滑坡體產(chǎn)生位移的情況下，測斜管角度也會因其而發(fā)生改變，從而獲取滑坡體的水平位移監(jiān)測信息。

（4）土壤含水率監(jiān)測：利用濕度傳感器對土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測，以此獲取實(shí)時的土壤含水率監(jiān)測信息。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

在上述基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊GSM引擎子模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸。子模塊當(dāng)接收到監(jiān)測設(shè)備發(fā)送來的監(jiān)測信息后，主要是通過向串口發(fā)送接收消息指令以此實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的接收，這種指令為AT命令。其中，監(jiān)測信息是以短消息的形式發(fā)送的，這種類型的消息是系統(tǒng)為用戶提供的一種新型的數(shù)字業(yè)務(wù)，并將所有短消息通過無線控制信道進(jìn)行傳輸，并在短消息中心可以實(shí)現(xiàn)信息的高效存儲和收發(fā)。AT命令及其具體功能描述如表1所示。

表1 常用的AT命令及其具體功能描述

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊是礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)最為重要的模塊，該模塊承擔(dān)著監(jiān)測信息的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)以及報警等多項(xiàng)任務(wù)。該模塊由通信協(xié)議子模塊、數(shù)據(jù)庫子模塊、收發(fā)服務(wù)子模塊、圖形顯示子模塊、預(yù)警子模塊組成。

（1）通信協(xié)議子模塊。由于監(jiān)測信息中包含監(jiān)測點(diǎn)位置信息以及設(shè)備采集信息等多種類型，所以使得監(jiān)測信息實(shí)時傳輸難度加大，因此本文對通信協(xié)議子模塊進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計，具體通信協(xié)議格式如表2所示。

表2 通信協(xié)議格式

（2）數(shù)據(jù)庫子模塊。結(jié)合相關(guān)研究成果，本文主要從概念與邏輯兩方面出發(fā)對數(shù)據(jù)庫子模塊進(jìn)行設(shè)計。其中采用ER實(shí)體聯(lián)系法設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念模型，并根據(jù)數(shù)據(jù)完整性與獨(dú)立性原則設(shè)計數(shù)據(jù)庫邏輯。

（3）收發(fā)服務(wù)子模塊。在對收發(fā)服務(wù)子模塊設(shè)計過程中，其首要任務(wù)就是對串口進(jìn)行初始化，并檢查系統(tǒng)是否正常與GSM子模塊建立了通信連接，在保證通信連接正常的情況下接收新的短消息。當(dāng)接收到監(jiān)測信息后，將所有信息統(tǒng)一存儲至數(shù)據(jù)庫中，若是分析出接收的數(shù)據(jù)有危險信息，則需要及時對其進(jìn)行預(yù)警，并及時通知相關(guān)人員，以此進(jìn)行礦山地質(zhì)災(zāi)害治理。

（4）圖形顯示子模塊。以接收到的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息為基礎(chǔ)，將不同類型的監(jiān)測信息以圖形的形式在計算機(jī)中顯示出來，以便可以更為直觀地了解礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息的變化。

（5）預(yù)警子模塊。該子模塊是實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的主要功能模塊，主要通過預(yù)先設(shè)計好的聯(lián)系方式向相關(guān)人員發(fā)送預(yù)警信息以及聲音預(yù)警，使得相關(guān)工作人員可以及時明確礦山地質(zhì)災(zāi)害類型與位置，采取相應(yīng)的礦山地質(zhì)災(zāi)害治理措施，以期降低礦山地質(zhì)災(zāi)害損失。

1.4 Web發(fā)布模塊

在當(dāng)前的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中，只有在監(jiān)控中心模塊才可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的實(shí)時觀看，但是該模塊所承擔(dān)的功能太多，造成監(jiān)控數(shù)據(jù)瀏覽不方便，所以為了解決這一問題，本文系統(tǒng)在設(shè)計過程中采用Web技術(shù)構(gòu)建礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息發(fā)布平臺，以此實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息的遠(yuǎn)程瀏覽，以此可以實(shí)時監(jiān)測礦山地質(zhì)災(zāi)害，提升礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警時效性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計，具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計

將傳統(tǒng)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以及本文所設(shè)計的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行比較，通過比較不同評價指標(biāo)，以驗(yàn)證不同系統(tǒng)的綜合性能，具體的比較結(jié)果如下。

2.1 系統(tǒng)響應(yīng)速度比較

系統(tǒng)響應(yīng)速度是驗(yàn)證系統(tǒng)的綜合性能的重要指標(biāo)之一，所以比較了傳統(tǒng)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以及本文所設(shè)計的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的響應(yīng)速度，比較結(jié)果如表4所示。

表4 系統(tǒng)響應(yīng)速度比較

分析表4中的數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)速度平均值為2.43s，本文所設(shè)計的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)速度平均值為0.46s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說明該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害快速監(jiān)測與預(yù)警。

2.2 預(yù)警準(zhǔn)確率比較

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件設(shè)置多種類型的礦山地質(zhì)災(zāi)害，并利用礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警，則預(yù)警準(zhǔn)確率比較結(jié)果如表5所示。

表5 預(yù)警準(zhǔn)確率比較

分析表5中的數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確率平均值為82.5%，本文所設(shè)計的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確率平均值為96.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說明該系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確率高，可以實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害的高精準(zhǔn)監(jiān)測與預(yù)警。

3 結(jié)論

隨著我國礦山開采事業(yè)的不斷深入，礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率不斷增加，例如巖爆、礦坑突水、地表塌陷、冒頂片幫等，使得礦山地質(zhì)災(zāi)害類型趨于多樣化與復(fù)雜化，所以加大了礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及其治理難度，所以本文為了提升礦山地質(zhì)災(zāi)害治理效率與能力，本文主要研究了監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用，在此過程中設(shè)計了一種礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)進(jìn)行礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警，從而有效降低礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與擴(kuò)大的可能性，提升礦山地質(zhì)災(zāi)害治理能力。但是本文系統(tǒng)在設(shè)計過程中并未對監(jiān)測信息進(jìn)行預(yù)處理，后續(xù)還需要以該問題作為切入點(diǎn)對礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警進(jìn)行完善，從而可以進(jìn)一步提升礦山地質(zhì)災(zāi)害治理能力與水平。