高精度礦區地表沉陷遠程監測系統構建與應用

姚錫偉 劉 濤

(內江職業技術學院建筑工程系，四川 內江 641000)

煤炭資源開采在一定程度上會引起礦區地質環境惡化，礦區地表不均勻沉陷為最直觀的表現之一。對礦區地表沉陷進行監測，有助于制定相應的對策來有效治理礦區沉陷，實現礦區可持續發展。目前礦區地表沉陷常用的監測方法主要有幾何水準測量、三角高程測量、GPS測量和靜力水準測量[1-3]。幾何水準測量和三角高程測量自動化程度低，運營費用高；GPS測量雖然具有自動化程度高的特點，但精度較低，僅有5 mm[4]，并且GPS監測還具有成本高、易受環境影響等不足；靜力水準測量具有測量精度高、自動化程度高、后期運營費用低等優點，特別適合于對礦區地表沉陷進行監測[5]。本研究以振弦式靜力水準儀作為傳感器、GPRS無線傳輸技術作為數據傳輸手段，對礦區地表沉陷遠程監測系統進行構建，并以山西某礦為例進行系統性能測試。

1 靜力水準儀測量原理

靜力水準系統(Hydrostatic leveling system，HLS)是一種基于連通器原理的高精密液位系統[6]。當某個觀測點發生位移變化時，該點處的靜力水準儀儲液罐中的液體便會與其他測點處的水準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儀傳感器感知并測量，從而得到發生沉陷測點的豎向變化信息。目前，常用的靜力水準儀有振弦式、光電式、差動變壓器式、電容感應式、超聲波式、壓差式等，該類水準儀的性能參數如表1所示[7-8]。

表1 常用靜力水準儀性能參數對比[7-8]

分析表1可知：振弦式靜力水準儀傳感器具有測量范圍大、精度高、環境適應能力強和結構簡單等優點，故本研究選用該型水準儀進行研究。

振弦式靜力水準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。當靜力水準儀儲液罐中的液面發生波動時，傳感器中的浮子所受的浮力便發生了變化，該變化被傳感器感知，具體體現為電流發生波動，電流波動會導致振弦振動頻率發生變化，根據頻率變化可知儲液罐內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量，kg。

2 礦區地表沉陷遠程監測系統架構

本研究沉陷監控系統架構可分為振弦式靜力水準儀傳感器和數據采集傳輸設備2個部分。

2.1 振弦式靜力水準儀傳感器

振弦式靜力水準儀傳感器主要由傳感器保護筒、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構組成(圖1)。采用該型水準儀測量多個測點的相對沉陷信息時，各個傳感器通過通液管相連，當其中某個測點的高程發生變化時，該測點儲液罐內的液面高度便會發生變化，根據連通器原理，發生高程變化的測點儲液罐內的液體便會流至其他儲液罐中(圖2)。在具體測量中，一般認定某個測點的高程是固定的或可以人為進行精準測量的，以便據此精確計算其他測點的沉陷信息。由于本研究系統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儀傳感器組成

圖2 多個振弦式靜力水準儀傳感器工作示意

2.2 數據采集傳輸設備

數據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據的情形；有線數據傳輸方式具有保密性強、可靠性高等特點，常適用于軍事或保密工程，但架設線路困難，而且存在后期維護困難、傳輸距離受限等缺點[10]；近些年，隨著計算機技術、通訊技術和互聯網技術的飛速發展，無線傳輸方式已經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、后期維護簡單等特點。目前，無線數據傳輸方式主要有超短波、衛星通信、SMS(short message service)、GPRS等(表2)[11-12]。

分析表2可知：相比于其他數據傳輸手段，GPRS具有運營建設費用較低、維護成本低、覆蓋范圍廣和傳輸速度快等優點，故而本研究系統采用靜力水準測量獲取數據，采用GPRS技術進行數據傳輸。

系統數據采集傳輸設備的作用是接收傳感器的數據并通過GPRS技術傳輸數據。系統數據采集傳輸設備與傳感器及數據中心的關系如圖3所示。

表2 常見無線傳輸方式的特點對比[14-18]

圖3 數據采集傳輸設備與傳感器及數據中心的關系

系統數據采集傳輸設備由高檔單片機、手機SIM卡和其他精密器件組成，其最大采集路數可達60路，采用12 V直流蓄電池進行供電，待機電流為20 mA，可接受傳感器輸出的電壓信號，可以在-30～60 ℃環境下正常使用。

圖4 系統數據采集傳輸設備

系統數據采集傳輸設備的具體工作流程如圖5所示。測點高程的變化信息被振弦式靜力水準儀傳感器識別并發送電流信號，電流信號經過高精密電阻轉換為電壓信號，電壓信號被數模轉換器AD7705轉換為數字信號，數字信號被光電耦合器識別并存儲于單片機的CPU中，等待時鐘命令進行發送。值得注意的是，整個數據采集傳輸設備僅有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，系統采用了2個規格不同的DCDC，1個是將12 V電壓轉為15 V電壓對振弦式靜力水準儀傳感器進行供電，另1個是將LM2596輸出的4.24 V電壓轉換為5 V電壓對AD7705進行供電。

圖5 系統數據采集傳輸設備工作流程

綜合上述分析，可知本研究礦區地表沉陷遠程監測系統的工作流程如圖6所示。

圖6 礦區地表沉陷遠程監測系統工作流程

3 系統性能測試

3.1 線性度

本研究選用高精度醫用注射器向儲液罐內注入液體，來模擬測點高程變化。經過換算，每注入1 mL水，液面升高0.073 mm。為對系統中3個振弦式靜力水準儀傳感器的線性度與擬合進行標定，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系

線性擬合系數R2分別為0.989 1、0.999 4、0.998 1。相應的標準誤差σ分別為0.99×10-3、1.94×10-3、9.65×10-4。可見3臺傳感器的輸出電壓與測點實際液位高度的線性擬合程度較高。

3.2 穩定性

將3臺振弦式靜力水準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進行1次數據采集，共收到306組數據。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，傳感器總體穩定性較好。

表3 靜力水準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個測點并對其進行了為期9 d(2017年4月2日～2017年4月10日)地表沉陷監測，每天8:00讀取1次監測數據，監測結果如表4所示。

表4 系統監測值與精密水準測量值對比

分析表4可知：經過9 d監測，系統輸出的沉陷值與精密水準測量數據具有較好的吻合度，兩者誤差最大值僅為0.425 mm，可見該系統監測精度較好。目前，該系統已在該礦山連續運行了4個多月，總體運行效果良好。

5 結 語

為進一步提升礦區地表沉陷監測精度，設計開發了一套由振弦式靜力水準儀作為傳感器、由GPRS無線傳輸技術作為數據傳輸手段的礦區地表沉陷遠程監測系統。系統性能測試及某礦山監測試驗均表明，該系統具有數據傳輸穩定、數據存儲量大、測試精度高、運行成本低、對環境適應性強特點，沉陷監測精度優于GPS方法，可滿足礦區地表高精度沉陷監測要求。

[1] 王志勇，張繼賢，黃國滿.基于InSAR的濟寧礦區沉降精細化監測與分析[J].中國礦業大學學報，2014，43(1)：169-174.

Wang Zhiyong,Zhang Jixian,Huang Guoman.Precise monitoring and analysis of the land subsidence in Jining coal mining area based on InSAR technique[J].Journal of China University of Mining & Technology,2014,43(1):169-174.

[2] 李 強，鄧 輝，周 毅.三維激光掃描在礦區地面沉陷變形監測中的應用[J].中國地質災害與防治學報，2014，25(1)： 119-124.

Li Qiang，Deng Hui，Zhou Yi.Application of 3D laser scanning to the ground subsidence deformation monitoring in mining area[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2014,25(1):119-124.

[3] 朱煜峰，鄧宇聲，臧德彥，等.小基線集技術監測礦區地表沉降分析[J].工程勘察，2017，45(4)：35-38.

Zhu Yufeng,Deng Yusheng,Zang Deyan，et al.Study on surface subsidence analysis of mining area by small baseline set[J].Engineering Investigation,2017,45(4):35-38.

[4] 王 利，張 勤，范麗紅，等.北斗/GPS融合靜態相對定位用于高精度地面沉降監測的試驗與結果分析[J].工程地質學報，2015，23(1)：119-125.

Wang Li，Zhang Qin，Fan Lihong,et al.Experiment and results of high precision land subsidence monitoring uying fused BDS/GPS data and static relative positioning[J].Journal of Engineering Geology,2015,23(1):119-125.

[5] 許少峰.粒子加速器中復雜靜力水準系統的精度理論與驗證研究[D].合肥：中國科學技術大學，2014.

Xu Shaofeng.Study on Accuracy Theory and Verification of Complex Static Level System in Particle Accelerator[D].Hefei:China University of Science and Technology,2014.

[6] 張建民.靜力水準自動化系統在高鐵橋墩差異沉降監測中的應用[J].鐵道勘察，2016，42(2)：1-2.

Zhang Jianmin.Application of static level automation system in differential settlement monitoring of high-speed bridge piers[J].Railway Survey,2016,42(2):1-2.

[7] 王利崗，楊斐文，劉冠洲，等.振弦式傳感器在尾礦庫在線監測中的應用研究[J].有色金屬：礦山部分，2016，68(3)：83-86.

Wang Ligang,Yang Feiwen,Liu Guanzhou,et al.Application of the vibrating wire sensor line monitoring of tailings[J].Nonferrous Metals:Mine Section,2016,68(3):83-86.

[8] 蔡立艮，周春華，戎曉力，等.一種基于無線傳感網絡的電容式靜力水準儀研制[J].自動化與儀表，2014，29(12)：18-21.

Cai Ligen,Zhou Chunhua，Rong Xiaoli,et al.Development of a kind of capacitor induction type hydrostatic leveling based on wireless sensor network[J].Automation & Instrumentation,2014,29(12):18-21.

[9] 莫 琳，何華光，陳 妮，等.多路振弦式傳感器橋梁檢測系統設計[J].傳感器與微系統，2014，33(4)：68-71.

Mo Lin,He Huaguang,Chen Ni,et al.Design of bridge-detection system using multi-channel vibrating wire sensor[J].Transducer and Microsystem Technologies,2014,33(4):68-71.

[10] 張琳園，楊 維.礦井巷道時頻編碼協作MC-CDMA無線傳輸[J].煤炭學報，2014，39(6)：1177-1183.

Zhang Linyuan,Yang Wei.The wireless transmission of time-frequency coded cooperation MC-CDMA in time tunnel[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1177-1183.

[11] 孫宏志，王學成，劉一萌，等.基于3G無線傳輸的測震臺站監控設備的研制[J].地震工程學報，2014，36(2)：387-392.

Sun Hongzhi,Wang Xuecheng,Liu Yimeng,et al.Study on monitoring equipment of seismic station based on 3G wireless transmission[J].Journal of Seismology,2014,36(2):387-392.

[12] 付 剛，朱晨光，劉彥華.基于GPRS傳輸方式的供水管網監測系統的建立與應用[J].中國給水排水，2013，29(10)：20-22.

Fu Gang,Zhu Chengguang,Liu Yanhua.Construction and application of water supply network monitoring system based on GPRS transmission method[J].China Water Supply and Drainage,2013,29(10):20-22.