采動動態地裂縫發育特征監測裝置的設計與應用

劉秀偉

（貴州省地質環境監測院，550004）

0 引言

由于目前煤炭開采頻繁，大規模開采不斷，造成了許多地表損傷，而地裂縫就是顯著傷害之一。地裂縫的不穩定因素極易引發附加性的礦難，不僅如此，地裂縫更會對土地的原生態環境造成影響與破壞，貴州省的一些地區生態環境就受到嚴重影響脆弱且易破壞。而對于此種情況，我們應盡量避免其在不可避免的情況下發生，所以，開展地區地裂縫發育動態過程監測研究及定量研究的裝置設計具有顯而易見的需要意義。目前對于采動動態地裂縫的監測裝備比較落后，因為多利用于現場監測來獲得地裂縫的空間分布狀態，而不能掌控它的發育變化的數據提供參考，根據此情勢，需要設計研發一套簡易并且易攜帶的裂縫監測裝置，讓其在此類監測中發揮作用。

1 采動動態地裂縫監測裝置系統的設計

1.1 裝置設計出發點及其原理

據開采沉陷學的理論來推測，當地下煤層被開采出后，必將引起地表不規則的變形，也會造成地表的拉伸產生地裂縫。而隨著采礦作業挖掘的進行，地裂縫隨著作業會呈現不同程度及方位的擴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，以根據地裂縫在水平方向及垂直方向的同級位置移動的變化情況就可以對地裂縫發育特征進行肯定的定量敘述。

1.2 監測裝置需要解決的問題

根據對貴州一些地區動態地裂縫的最初形成狀態實地調查研究可以得出，在最初形態下裂縫寬度僅有1至3毫米，比較不易被發現，而采掘工作的持續進行卻會加劇地裂縫的擴張趨勢，再加上區域內天氣降雨等自然環境因素的影響等造成地裂縫的形態發展迅速，形成不必要的損失隱患，而這些自然因素及采動因素無疑都會使監測地裂縫發育過程的進程進一步難以發展。所以系統監測裝置時應首要考慮此類關鍵問題，如監測系統的監測數據必須準確而迅速的將地裂縫在采動過程中的發育變化即時的反映出來。并且在系統監測過程中應盡量精確，減少測量度的誤差，準確的表達所產生的數據。

1.3 監測裝置的主要構成部件

圖1 裂縫位移監測總體方案框圖

通過圖一表示是可以看出裂縫位移監測儀的基礎構造組成部分是由線性位移傳感器來測定裂縫的位置移動變化，而經過裝置程序將裂縫移動的實際位移測量值轉換成電壓信號來保證上面裝置的接收。而原始位移電壓信號經過濾波，放大等一些列系統程序，調整電路，并且將其信息傳輸進入AD轉換器進行轉換，在轉換為數字信號后，再經過STM32微型控制器收集所收到的信息，并且照系統設置處理完畢后直接送入顯示器。在將數據存入本地磁盤的同時，還可以通過無線傳輸模塊設程將所確定的信息直接傳輸進入控制中心。準確的運行實現了對裂縫位移的遠程監控自動化。

其主要構件的詳細構成部分為：

（1）選用KTC系列線性式位移傳感器。此設備可以在被測裂縫發生變化時，直接帶動線性位移傳感器拉桿產生與裂縫同步的位移，同時可知己轉換模塊并傳遞給滑動式電阻器，電阻器將物理量轉換成電信號量，然后經過電纜傳輸到檢測主機位置，通過此一系列完成對裂縫位移變化的感知。

（2）傳感器恒流電路及繼電器驅動電路。此裝置為更好的使位移傳感器的位移變化信號更好的進行遠距離長距離的傳輸，在設計此裝置時，采用圖2方法進行供電，更好的保證了位移監測設備的穩定性及執行性。并且為了防止設備部分構建收到外部干擾而出現問題采用了繼電器驅動電路。

圖2 傳感器恒流源電路設計圖

（3）信號調理電路設計及微控制器電路設計，這兩種電路設計很好的起到了電壓隔離及讓裂縫變化的位移信號以緩變得直流信號進行傳輸，并選用低通濾波電路濾除傳感器位移信號中的高頻干擾。而且監測系統為不使監測儀系統在未連接傳感器時數據顯示清零，還將電路中的放電電阻設置為了100kΩ ，更好的確保了設備安全穩定放心的運行。而作為裂縫位移監測儀的核心控制部分的微控制器，則用了最先進的技術及設備組成，系統電路也比較安全可靠，可自動定時完成采集任務，發揮其自動化的優秀特征。并采用了GSM網絡實時將數據發送到監控中心，實現遠程監控的主要目的。

通過對以上信息的了解我們可以看出，裂縫位移監測儀的設備及系統都能更加完善的提供監測所需數據，為采動動態地裂縫的發育特征位移變化監測提供了很大便利。

2 監測設備的具體使用方法

通過坐標控制系統的坐標信息，尋找到剛產生的地裂縫，并且及時布置該監測裝置，來獲取裂縫在采動動態下的變化數據，得到所需要的數據情報。裂縫位移監測儀使用方法具體為：

（1）首先要確定監測對象，根據采掘工程平面圖來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。確定安裝固定穩定。

（2）因為裂縫位移監測儀裝置多為自動化裝置系統程序，所以，將設備放在固定位置，連接線路，將設備照程序安裝應用，其程序軟件系統及自動化運行裝置就會開始運行測量數據。工作人員應在設備主機前實時或定時觀察所監測數據，以保證所需數據的準確性及需要數據的及時性。

3 裂縫位移監測儀的模擬實驗

研究人員在完成裂縫位移監測儀的硬件焊接及軟件系統編寫后及時對該設備進行了室內的模擬實驗，實驗過程為：將裂縫位移傳感器連接在監測儀的通道1上，然后初步模擬唯一的變化，在不斷拉動位移傳感器的拉桿的同時用萬用表和裂縫位移監測儀測量傳感器得瑟輸出電壓，得出最后的實驗測試數據如下圖所示：

?

從表1的實驗數據可以得出以下結論，自行研制的裂縫位移監測儀相比較萬用表的測量數據并沒有多大誤差，誤差值最大只有1.2mv，完全可以滿足實際操作裂縫位移監測儀時的監測結果需求。對于采動動態地裂縫發育特征的監測也能達到預期效果，提供可靠的數據信息，保證對監測信息的準確性，為相關工作提供更大便利。而在裂縫位移監測系統在野外的應用實驗操作過程中，找到了一個真實裂縫，并根據裂縫的開裂程度布設了5只兩項的位移傳感器來進行對地表裂縫的監測程序。而且在現場布置檢測儀器時采取了太陽能裝置來確保監測系統長時間工作。而經過實地的實驗結果表明，監測系統監測的裂縫位移并沒有發生什么顯著變化，而該設備與相比設備的共同結果更進一步確定了裂縫位移監測儀的準確性。

4 結語

本文對于我貴州地區土地裂縫的發育特征及過程中數據問題的缺失問題進行了一系列討論，并詳細描述了監測裝置的功能及使用方法，及其后數據的信息采集方式。相信不久的將來地裂縫的監測裝置將得到更大的應用和普及，以實例研究成果及發育規律深度做更深課程的探討，此裝置作為地裂縫監測的新發展，有望在其他礦區也得到很好的發展空間及應用，為采動動態裂縫發育特征及監測做出進一步的改善貢獻。

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