煤礦開采沉陷自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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(fā)展，人類活動日趨劇烈，與之相關的礦區(qū)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(jiān)控，特別是自動化監(jiān)控，獲取變形信息，采用一定的數(shù)學方法進行數(shù)據處理與分析，并進行有效預警預報，減少災害發(fā)生概率和影響范圍是很有必要的。

傳統(tǒng)的周期性變形監(jiān)測主要以人工操作對變形體進行數(shù)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(xù)不間斷觀測，使用傳統(tǒng)手段導致工作強度大、數(shù)據實時性差。特別是對一些危險或人員不能輕易到達區(qū)域，人們往往希望能夠以遠程操控儀器并傳回數(shù)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(shù)據庫技術等先進技術的發(fā)展，礦區(qū)災害自動化監(jiān)測技術面臨著更新?lián)Q代。具有網絡化、智能化、自動化的礦區(qū)實時災害監(jiān)測系統(tǒng)，將為有效掌握礦區(qū)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(jiān)測手段，從而達到多種監(jiān)測手段實時在線協(xié)同監(jiān)測的表現(xiàn)效果。

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

1 系統(tǒng)設計

1．1 系統(tǒng)組成

煤礦開采沉陷自動化監(jiān)測系統(tǒng)以GNSS CORS技術［3］、GIS技術、計算機網絡通訊技術、現(xiàn)代測量數(shù)據處理技術等為支撐，將GNSS、全站儀、數(shù)字水準儀及PDA設備進行集成，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據的自動采集、傳輸及分析。該系統(tǒng)可以對地下開采引起的地表綜合位移及變形進行連續(xù)實時觀測，從而實現(xiàn)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(jiān)測，實時掌握地表的運動狀態(tài)和變化趨勢。對所采集的數(shù)據進行綜合處理分析，確定地表移動變形參數(shù)，為煤礦工業(yè)廣場及各類煤柱留設提供依據 為淮南礦區(qū)地表移動觀測提供新的監(jiān)測技術及數(shù)據分析模式。

煤礦開采沉陷自動化監(jiān)測系統(tǒng)共布設1個基準站、9個連續(xù)實時監(jiān)測站和約60個非連續(xù)實時監(jiān)測站（地表移動觀測站中的部分監(jiān)測點）。其中，基準站（PYDCDP）采用樓頂式基準站形式布設于礦區(qū)辦公樓頂，提供監(jiān)測基準及差分數(shù)據；9個連續(xù)實時監(jiān)測站（CORS1～CORS9）分別布設于觀測線關鍵部位，采用連續(xù)實時監(jiān)測、定時實時監(jiān)測模式；非連續(xù)實時監(jiān)測站約60個，采用準實時、事后監(jiān)測模式，也可采用全站儀、數(shù)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(wèi)星星號）。煤礦開采沉陷自動化監(jiān)測系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

圖1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)基本框架

1．2 系統(tǒng)功能

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

1．3 系統(tǒng)軟件設計思路

在資料收集、整理、分析的基礎上，結合試點區(qū)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(qū)域地表監(jiān)測基準網，為研究基于GNSS／GIS集成的開采沉陷實時監(jiān)測技術提供基準框架、高精度的坐標系統(tǒng)轉換模型和高程系統(tǒng)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(shù)據交換技術的面向開采沉陷實時監(jiān)測技術，實現(xiàn)開采沉陷監(jiān)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(tài)和靜態(tài)），實現(xiàn)井下開采對地表主要建（構）筑物的動態(tài)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(qū)域面積計算、保護煤柱的設計、復墾土方計算、沉陷區(qū)評價等 從而為礦山開采及政府部門礦山地 質環(huán)境管理提供技術支撐

表1 各子系統(tǒng)的功能和設備

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

煤礦開采沉陷自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據監(jiān)控中心軟件（簡稱“DMCS軟件”）、“礦山開采沉陷綜合數(shù)據處理與分析系統(tǒng)軟件包（簡稱“MISPAS軟件包”）”、實時數(shù)據采集終端系統(tǒng)軟件（簡稱“CAuto Ter mS軟件”）等三大軟件構成。數(shù)據監(jiān)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(xié)議監(jiān)測站網絡通訊模塊、基準站與監(jiān)測站運行監(jiān)測模塊等。礦山開采沉陷綜合數(shù)據處理與分析系統(tǒng)軟件包主要包括數(shù)據處理分析模塊（對GNSS測量、導線測量、水準測量的外業(yè)成果進行數(shù)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(shù)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(tài)預計、動態(tài)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(xiàn)實技術，將采區(qū)上方的地形、井下工作面回采狀態(tài)、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(tài)影響過程和影響程度）［6－7］?！皩崟r數(shù)據采集終端系統(tǒng)軟件”主要由文件管理、數(shù)據采集、數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)軟件的框架結構如圖2所示。

圖2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟件框架結構圖

1．4 數(shù)據庫結構設計

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

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

2．1 數(shù)據監(jiān)控中心軟件

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

圖3 數(shù)據監(jiān)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(shù)據采集手段、數(shù)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(xiàn)對礦區(qū)開采引起的地表移動變形進行有效的監(jiān)控。MISPAS軟件包主要由MISPAS軟件、觀測站設計軟件、GNSS控制網數(shù)據后處理軟件、移動變形數(shù)據處理及制圖軟件、開采沉陷預計參數(shù)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(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)是“實時數(shù)據采集終端”的控制軟件，終端系統(tǒng)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(tǒng)設置”（坐標系統(tǒng)、工程屬性等）等部分組成，該終端系統(tǒng)集成了GNSS接收機、全站儀、水準儀，為數(shù)據采集、處理、傳輸提供基本信息。

3 結 論

本文從系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)設計原則、系統(tǒng)設計思路、系統(tǒng)數(shù)據庫設計、系統(tǒng)實現(xiàn)等方面介紹了煤礦開采沉陷自動化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(xiàn)代測量數(shù)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(tǒng)不僅可以用于礦山開采沉陷監(jiān)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(jiān)測）推廣應用，同時也為研究北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)在變形監(jiān)測領域的應用提供先期的研究基礎。

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