靜力水準遠程監測系統用于充填采煤區建筑物變形監測可行性分析

陳龍浩 （安徽省水利水電勘測設計院勘測分院，安徽 蚌埠 233000）

充填開采技術可以在保證較高的煤炭資源回收率的基礎上，有效地控制地表移動變形，減少環境污染，近幾年來被越來越多的煤礦企業所運用。相對于傳統開采地表建筑物變形監測，充填開采地表建筑物變形監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、紀念性建筑、高聳建筑等）下壓煤采用該項采煤技術，但該類建筑物對地表移動變形較為敏感，變形設防指標較高，較小的移動變形可能造成建筑物的損害，產生不良的社會反響；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微變形數據，掌握建筑物動態變形規律，及時對危險建筑物進行災害預警，顯得尤為重要。

建筑物變形監測[1]現階段主要有常規變形監測方法、三維激光掃描技術、近景攝影測量、GPS測量等方法。常規變形監測方法（全站儀、水準儀等）具有人員操作簡單、監測精度高等優點，使其成為現階段工程項目使用頻繁的監測方式，但其需花費較大的人力物力且監測周期較長，無法實現實時遠程監測。三維激光掃描技術（實景復制技術）[2]和近景攝影測量技術[3]可以在獲取變形體表面三維點云數據的基礎上，分析得到變形體變形起始位置、動態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測的要求。GPS測量技術[4]具有操作簡單、限制條件較少等特點，在大壩、山體滑坡、基坑等變形監測中應用較為廣泛，但其高程精度遠遠達不到充填開采地表建筑物的監測精度要求。

本文針對充填開采地表建筑物微變形特點，在常規液體靜力水準儀構件上加裝無線傳輸模塊及數據處理預警模塊，使其達到遠程實時監測并預警功能。

1 系統結構

液體靜力水準遠程監測與預警系統主要由3大模塊構成：數據監測采集單元、無線通訊單元和數據處理預警單元。由數據監測采集單元實時監測豎向形變數據及傳感器數據（主要為溫度數據），再通過無線通訊單元將所有采集數據通過公共網絡傳輸至數據處理中心，最后由數據處理中心進行數據預處理及精細處理，分析變形體形變量，形變量超出設防指標時，發出預警信號。系統結構如圖1所示。

圖1 液體靜力水準遠程監測與預警系統構成圖

1.1 數據監測采集單元

該單元主要為常規液體靜力水準儀、溫度傳感器和數據采集器。

液體靜力水準儀是利用在外界環境（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 液體靜力水準儀原理圖

如圖2（1）所示，當外界環境（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…hn。當儀器安裝點發生豎向形變時，則液面高度發生改變，形成新的水平，如圖2（2）所示，此時液面高度分別為 h1'，h2'…hn'，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。

在靜力水準儀采集液面高度的同時，溫度傳感器同步采集溫度數據，數據采集器將采集來的靜力水準儀數據和傳感器數據傳入無線通訊單元。

1.2 無線通訊單元

一般礦區生活環境復雜，人員頻繁進入現場采集數據，易發生安全事故，同時為減少監測成本，本文在監測系統中加入無線通訊單元，從而實現遠程監測。

目前，無線數據通訊方式根據距離遠近、傳播途徑等主要分為無線電臺、GSM、GPRS/CDMA、衛星通訊等方式[5]。考慮實際監測點距離數據處理中心較遠，同時衛星通訊費用過于高昂，本系統數據監測采集單元與數據處理預警單元之間的通訊最終通過IPmodem模塊和域名（靜態或動態）相結合而實現。IP modem模塊即為遠程無線數據傳輸終端，在設定好服務器的端口及IP地址后，將數據采集器中數據利用GSM、GPRS/CDMA上傳至網絡，再將服務器與域名相連，實現數據遠程傳輸。

1.3 數據處理預警單元

在對建筑物實行監測預警之前，首先對充填工作面上方受采動影響建筑物進行實地考察，根據建筑物保護等級、建筑質量、地質采礦條件等因素，評估建筑物抗變形能力，綜合確定保護建筑物的設防指標。

當液體靜力水準儀液面高度數據和傳感器溫度數據遠程傳輸至數據處理中心后，中心將形變數據根據相應傳感器數據進行分析處理，求得儀器安裝點垂直形變量，進而獲取被監測建筑物的傾斜形變值和曲率形變值。當建筑物形變值（傾斜、曲率）超過相應的設防指標時，中心發出預警信號，現場人員根據情況采取相應措施，同時指導井下充填開采工作，優化充填開采參數，提高充實率，減小地表移動變形量。其工作流程如圖3。

圖3 數據處理預警單元流程圖

圖4 實驗區情況圖

2 系統精度分析

2.1 實驗概況

實驗區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，推進長度約100m，開采高度約3.0m，工作面上方主要為11棟磚混結構建筑物。

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測對象，在其外墻上安裝液體靜力水準遠程監測與預警系統1套（最小監測周期為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，在其表面覆蓋少許機油，選取180s數據采樣間隔。充填工作面與地表建筑物井上下對照關系及液體靜力水準監測點分布位置如圖4所示。

2.2 系統測量精度

充填采煤區地表建筑物監測目的是能及時準確地通過監測地表建筑物變形情況及時對建筑物損害進行預警，為了檢驗液體靜力水準遠程監測系統能否滿足這一要求，對充填工作面未開采之前的監測數據進行了精度分析。

下文以其中一臺8月2日至8月5日的液體靜力水準儀液面高度數據為例進行分析（如圖5所示），對系統監測精度做出相應評估。

圖5 儀器液面高度觀測值

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

根據“三下”采煤規程中規定：當建筑物受到傾斜i≤3.0mm/m、曲率 K≤0.2mm/m2、水平變形 ε≤2.0mm/m時，僅產生輕微損壞，為Ⅰ級采動損害。為了達到動態監測的目的，采動區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測的最小距離為5m，按1/20允許變形值的監測精度要求，則其傾斜形變監測精度需滿足0.15mm/m，垂直位移監測精度需達到0.75mm，該系統垂直位移監測精度完全滿足建筑物變形監測要求。

3 結論

本文針對充填采煤區地表建筑物微變形的特點及已有變形監測方法存在的局限性，在常規液體靜力水準儀的基礎上，融合無線通訊遠程傳輸技術，構成了液體靜力水準遠程監測與預警系統。同時對該系統監測數據進行分析，其垂直位移監測精度達到0.64mm，完全滿足建筑物變形監測的需求，實現了對充填開采地表建筑物微變形實時遠程監測的同時，并能對建筑物損害做出及時預警。