煤礦開采沉陷自動化監測系統設計與實現

楊 旭，余學祥，張迎偉，朱亞洲

（1．安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南232001；2．山東省地質測繪院，山東 濟南250000）

伴隨國民經濟的高速發展，人類活動日趨劇烈，與之相關的礦區地表塌陷、高速公路邊坡滑坡、高層建筑物變形等風險也在不斷增大，對人們生命財產安全構成了巨大威脅，顯見，對變形體進行有效監控，特別是自動化監控，獲取變形信息，采用一定的數學方法進行數據處理與分析，并進行有效預警預報，減少災害發生概率和影響范圍是很有必要的。

傳統的周期性變形監測主要以人工操作對變形體進行數據采集［1］，但在變形較劇烈時期，則必須提高觀測頻率甚至要求進行連續不間斷觀測，使用傳統手段導致工作強度大、數據實時性差。特別是對一些危險或人員不能輕易到達區域，人們往往希望能夠以遠程操控儀器并傳回數據的方式完成測量任務。隨著大地測量技術、計算機技術、通信技術、數據庫技術等先進技術的發展，礦區災害自動化監測技術面臨著更新換代。具有網絡化、智能化、自動化的礦區實時災害監測系統，將為有效掌握礦區沉陷災害的實時形變過程與災害預報預警情況提供新的監測手段，從而達到多種監測手段實時在線協同監測的表現效果。

本文結合淮南礦業（集團）有限責任公司“地表移動自動化監測系統研究”項目［2］闡述煤礦開采沉陷自動化監測系統設計與實現的相關內容。

1 系統設計

1．1 系統組成

煤礦開采沉陷自動化監測系統以GNSS CORS技術［3］、GIS技術、計算機網絡通訊技術、現代測量數據處理技術等為支撐，將GNSS、全站儀、數字水準儀及PDA設備進行集成，實現監測數據的自動采集、傳輸及分析。該系統可以對地下開采引起的地表綜合位移及變形進行連續實時觀測，從而實現對地表沉降變形、傾斜變形、曲率變形、水平移動及水平變形等在線監測，實時掌握地表的運動狀態和變化趨勢。對所采集的數據進行綜合處理分析，確定地表移動變形參數，為煤礦工業廣場及各類煤柱留設提供依據 為淮南礦區地表移動觀測提供新的監測技術及數據分析模式。

煤礦開采沉陷自動化監測系統共布設1個基準站、9個連續實時監測站和約60個非連續實時監測站（地表移動觀測站中的部分監測點）。其中，基準站（PYDCDP）采用樓頂式基準站形式布設于礦區辦公樓頂，提供監測基準及差分數據；9個連續實時監測站（CORS1～CORS9）分別布設于觀測線關鍵部位，采用連續實時監測、定時實時監測模式；非連續實時監測站約60個，采用準實時、事后監測模式，也可采用全站儀、數字水準儀的測量模式（所有站點的GNSS接收機均可接收北斗衛星星號）。煤礦開采沉陷自動化監測系統基本框架如圖1所示。

圖1 自動化監測系統基本框架

1．2 系統功能

煤礦開采沉陷自動化監測系統由綜合管理子系統、數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據處理中心子系統和移動變形分析預報子系統等五個子系統組成。其中數據處理子系統是多源數據融合與地表移動參數解算中心，移動變形分析子系統是監測數據分析預警中心，這兩種子系統是自動化監測系統的核心。自動化監測系統各子系統的功能和設備組成見表1。

1．3 系統軟件設計思路

在資料收集、整理、分析的基礎上，結合試點區和淮南煤田地質采礦條件特點、已有測繪成果的基礎上，建立研究區域地表監測基準網，為研究基于GNSS／GIS集成的開采沉陷實時監測技術提供基準框架、高精度的坐標系統轉換模型和高程系統轉換模型，為研究提高CORS技術測量精度的措施提供基礎［4］；研究基于移動GIS技術、GNSS CORS技術和Arc GIS的空間數據交換技術的面向開采沉陷實時監測技術，實現開采沉陷監測的實時化；利用修正的概率積分法模型，進行開采沉陷的準確預計（動態和靜態），實現井下開采對地表主要建（構）筑物的動態影響過程的描述，并進行相應的空間分析和操作（如漫游、旋轉、透視、繪制剖面圖、不同影響區域面積計算、保護煤柱的設計、復墾土方計算、沉陷區評價等 從而為礦山開采及政府部門礦山地 質環境管理提供技術支撐

表1 各子系統的功能和設備

“煤礦開采沉陷自動化監測系統軟件（簡稱“CAuto Mos系統”）”以Visual St udio 2010為開發工具，可在Win XP，Win2003，Win7和Win8環境下面運行。

煤礦開采沉陷自動化監測系統軟件主要由數據監控中心軟件（簡稱“DMCS軟件”）、“礦山開采沉陷綜合數據處理與分析系統軟件包（簡稱“MISPAS軟件包”）”、實時數據采集終端系統軟件（簡稱“CAuto Ter mS軟件”）等三大軟件構成。數據監控中心軟件主要包括用戶與工程管理模塊、基準站串口通訊模塊、基于NTRIP協議監測站網絡通訊模塊、基準站與監測站運行監測模塊等。礦山開采沉陷綜合數據處理與分析系統軟件包主要包括數據處理分析模塊（對GNSS測量、導線測量、水準測量的外業成果進行數據處理和質量分析）、地表移動變形分析模塊（計算地表移動變形信息并繪制曲線、輸出成果報表等）、開采沉陷參數解算模塊、地表移動變形預計模塊（對單個或多個回采工作面開采引起的地表移動變形進行靜態預計、動態預計和某一時間點的預計，繪制移動變形曲線，輸出成果報表［5］；與井上下對照圖疊加，繪制移動變形等值線圖）、開采陷損害評價分析模塊（采用GIS三維虛擬現實技術，將采區上方的地形、井下工作面回采狀態、地表主要建（構）筑物和地表移動變形信息融為一體，掌握井下開采對地表主要建（構）筑物的動態影響過程和影響程度）［6－7］。“實時數據采集終端系統軟件”主要由文件管理、數據采集、數據管理與分析、Mobile GIS、查詢編輯、測量儀器、網絡通訊、坐標轉換以及導航等模塊組成［8－10］。煤礦開采沉陷自動化監測系統軟件的框架結構如圖2所示。

圖2 自動化監測系統軟件框架結構圖

1．4 數據庫結構設計

從煤礦開采沉陷自動化監測系統軟件數據管理和研究內容來看，該軟件的數據庫包括以下十類 基本信息數據庫 操作日志數據庫 監測網基本信息數據庫、外業觀測數據庫、監測網平差觀測值數據庫、監測網平差成果數據庫、監測網移動變形值數據庫、圖形數據庫、實時數據采集終端向數據處理中心發送的數據、連續運行監測站向數據處理中心發送的數據。

2 系統軟件實現

2．1 數據監控中心軟件

數據監控中心軟件的主界面如圖3所示，負責執行數據監控中心軟件的主體功能，如設備監控、定位（界面如圖4所示）、數據采集、數據處理和分析（界面如圖5所示）、成果輸出等。

圖3 數據監控中心軟件的主界面

圖4 實時定位界面

2．2 MISPAS軟件包

MISPAS軟件包是一種適用于多種數據采集手段、數據處理與分析功能較齊全、高效地進行信息管理、自動化程度高的礦山開采沉陷綜合處理軟件集成，以實現對礦區開采引起的地表移動變形進行有效的監控。MISPAS軟件包主要由MISPAS軟件、觀測站設計軟件、GNSS控制網數據后處理軟件、移動變形數據處理及制圖軟件、開采沉陷預計參數解算軟件、礦山開采沉陷預計與制圖軟件、開采沉陷損害分析與評價系統軟件等組成。這些軟件，既可以在MISPAS軟件包下集成運行，也可以單獨運行，還可以作為煤礦開采沉陷自動化監測系統軟件和其他軟件的功能模塊使用。

圖5 三維變形界面

2．3 移動終端軟件

CAuto Ter mS系統是“實時數據采集終端”的控制軟件，終端系統主界面主要由“網絡操作”（打開連接、斷開連接）、“工程管理”（打開工程、新建工程、保存工程、工程另存）、“導入底圖”、“系統設置”（坐標系統、工程屬性等）等部分組成，該終端系統集成了GNSS接收機、全站儀、水準儀，為數據采集、處理、傳輸提供基本信息。

3 結 論

本文從系統組成、系統功能、系統設計原則、系統設計思路、系統數據庫設計、系統實現等方面介紹了煤礦開采沉陷自動化監測系統。該系統研究涵蓋了經典大地測量技術（如全站儀導線測量、高精度幾何水準測量），測繪高新技術（如GNSS技術、CORS技術、GIS技術、現代測量數據處理技術），計算機科學技術（如網絡通信技術、軟件工程技術）以及地質、采礦等相關學科知識。系統不僅可以用于礦山開采沉陷監測，也可在其他領域（如水庫大壩、山體滑坡崩塌、高層建筑、大型橋梁、城市地表等的變形監測）推廣應用，同時也為研究北斗導航衛星系統在變形監測領域的應用提供先期的研究基礎。

［1］ 何國清，楊倫，凌賡娣，等．礦山開采沉陷學［M］．徐州：中國礦業大學出版社，1991．

［2］ 安徽理工大學導航定位技術應用研究所．淮南礦業集團“地表移動自動化監測系統研究”技術設計［R］．淮南：安徽理工大學導航定位技術應用研究所，2013．

［3］ 柯福陽，王慶，潘樹國，等．GNSS網絡RTK算法模型及測試分析［J］．東南大學學報：自然科學版，2009，39（4）：763－768．

［4］ 余學祥，秦永洋，孫興平，等．相鄰工作面綜合地表移動觀測站的設計與連接測量［J］．大連大學學報，2008，29（6）：74－79．

［5］ 呂偉才，秦永洋，孫興平，等．礦山開采沉陷預計及制圖軟件的研制［J］．礦山測量，2010（5）：58－60．

［6］ 呂偉才，秦永洋，孫興平．基于GIS的礦山開采沉陷綜合數據處理軟件包的設計［J］．礦山測量，2008（4）：24－28．

［7］ 徐永龍，李斌，郭海朋，等．數據字典驅動的地質數據采集系 統 設 計 與 開 發［J］．測 繪 工 程，2014，23（10）：41－44．

［8］ 焦明連，王慶．基于GPS／PDA技術的土地調查系統設計與實現［J］．淮海工學院學報：自然科學版，2010，19（2）：55－58．

［9］ 張海瑞，吳學饒，蘭小機．基于Arc GIS for Android野外實習數據采集與導航系統的實現［J］．測繪工程，2015，24（3）：36－39．

［10］周海，李宏偉，杜澤欣，等．面向服務的城市管網綜合管理系統設計［J］．測繪工程，2015，24（3）：69－73．