劉秀偉

（貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，550004）

0 引言

由于目前煤炭開采頻繁，大規(guī)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(wěn)定因素極易引發(fā)附加性的礦難，不僅如此，地裂縫更會對土地的原生態(tài)環(huán)境造成影響與破壞，貴州省的一些地區(qū)生態(tài)環(huán)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(fā)生，所以，開展地區(qū)地裂縫發(fā)育動態(tài)過程監(jiān)測研究及定量研究的裝置設(shè)計具有顯而易見的需要意義。目前對于采動動態(tài)地裂縫的監(jiān)測裝備比較落后，因為多利用于現(xiàn)場監(jiān)測來獲得地裂縫的空間分布狀態(tài)，而不能掌控它的發(fā)育變化的數(shù)據(jù)提供參考，根據(jù)此情勢，需要設(shè)計研發(fā)一套簡易并且易攜帶的裂縫監(jiān)測裝置，讓其在此類監(jiān)測中發(fā)揮作用。

1 采動動態(tài)地裂縫監(jiān)測裝置系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 裝置設(shè)計出發(fā)點及其原理

據(jù)開采沉陷學的理論來推測，當?shù)叵旅簩颖婚_采出后，必將引起地表不規(guī)則的變形，也會造成地表的拉伸產(chǎn)生地裂縫。而隨著采礦作業(yè)挖掘的進行，地裂縫隨著作業(yè)會呈現(xiàn)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(jù)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(fā)育特征進行肯定的定量敘述。

1.2 監(jiān)測裝置需要解決的問題

根據(jù)對貴州一些地區(qū)動態(tài)地裂縫的最初形成狀態(tài)實地調(diào)查研究可以得出，在最初形態(tài)下裂縫寬度僅有1至3毫米，比較不易被發(fā)現(xiàn)，而采掘工作的持續(xù)進行卻會加劇地裂縫的擴張趨勢，再加上區(qū)域內(nèi)天氣降雨等自然環(huán)境因素的影響等造成地裂縫的形態(tài)發(fā)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(jiān)測地裂縫發(fā)育過程的進程進一步難以發(fā)展。所以系統(tǒng)監(jiān)測裝置時應首要考慮此類關(guān)鍵問題，如監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)必須準確而迅速的將地裂縫在采動過程中的發(fā)育變化即時的反映出來。并且在系統(tǒng)監(jiān)測過程中應盡量精確，減少測量度的誤差，準確的表達所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

1.3 監(jiān)測裝置的主要構(gòu)成部件

圖1 裂縫位移監(jiān)測總體方案框圖

通過圖一表示是可以看出裂縫位移監(jiān)測儀的基礎(chǔ)構(gòu)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(jīng)過裝置程序?qū)⒘芽p移動的實際位移測量值轉(zhuǎn)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(jīng)過濾波，放大等一些列系統(tǒng)程序，調(diào)整電路，并且將其信息傳輸進入AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再經(jīng)過STM32微型控制器收集所收到的信息，并且照系統(tǒng)設(shè)置處理完畢后直接送入顯示器。在將數(shù)據(jù)存入本地磁盤的同時，還可以通過無線傳輸模塊設(shè)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(xiàn)了對裂縫位移的遠程監(jiān)控自動化。

其主要構(gòu)件的詳細構(gòu)成部分為：

（1）選用KTC系列線性式位移傳感器。此設(shè)備可以在被測裂縫發(fā)生變化時，直接帶動線性位移傳感器拉桿產(chǎn)生與裂縫同步的位移，同時可知己轉(zhuǎn)換模塊并傳遞給滑動式電阻器，電阻器將物理量轉(zhuǎn)換成電信號量，然后經(jīng)過電纜傳輸?shù)綑z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(qū)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(shè)計此裝置時，采用圖2方法進行供電，更好的保證了位移監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性及執(zhí)行性。并且為了防止設(shè)備部分構(gòu)建收到外部干擾而出現(xiàn)問題采用了繼電器驅(qū)動電路。

圖2 傳感器恒流源電路設(shè)計圖

（3）信號調(diào)理電路設(shè)計及微控制器電路設(shè)計，這兩種電路設(shè)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(jiān)測系統(tǒng)為不使監(jiān)測儀系統(tǒng)在未連接傳感器時數(shù)據(jù)顯示清零，還將電路中的放電電阻設(shè)置為了100kΩ ，更好的確保了設(shè)備安全穩(wěn)定放心的運行。而作為裂縫位移監(jiān)測儀的核心控制部分的微控制器，則用了最先進的技術(shù)及設(shè)備組成，系統(tǒng)電路也比較安全可靠，可自動定時完成采集任務，發(fā)揮其自動化的優(yōu)秀特征。并采用了GSM網(wǎng)絡(luò)實時將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)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(jiān)測儀的設(shè)備及系統(tǒng)都能更加完善的提供監(jiān)測所需數(shù)據(jù)，為采動動態(tài)地裂縫的發(fā)育特征位移變化監(jiān)測提供了很大便利。

2 監(jiān)測設(shè)備的具體使用方法

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

（1）首先要確定監(jiān)測對象，根據(jù)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(wěn)定。

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

3 裂縫位移監(jiān)測儀的模擬實驗

研究人員在完成裂縫位移監(jiān)測儀的硬件焊接及軟件系統(tǒng)編寫后及時對該設(shè)備進行了室內(nèi)的模擬實驗，實驗過程為：將裂縫位移傳感器連接在監(jiān)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(jiān)測儀測量傳感器得瑟輸出電壓，得出最后的實驗測試數(shù)據(jù)如下圖所示：

?

從表1的實驗數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論，自行研制的裂縫位移監(jiān)測儀相比較萬用表的測量數(shù)據(jù)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(jiān)測儀時的監(jiān)測結(jié)果需求。對于采動動態(tài)地裂縫發(fā)育特征的監(jiān)測也能達到預期效果，提供可靠的數(shù)據(jù)信息，保證對監(jiān)測信息的準確性，為相關(guān)工作提供更大便利。而在裂縫位移監(jiān)測系統(tǒng)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(jù)裂縫的開裂程度布設(shè)了5只兩項的位移傳感器來進行對地表裂縫的監(jiān)測程序。而且在現(xiàn)場布置檢測儀器時采取了太陽能裝置來確保監(jiān)測系統(tǒng)長時間工作。而經(jīng)過實地的實驗結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的裂縫位移并沒有發(fā)生什么顯著變化，而該設(shè)備與相比設(shè)備的共同結(jié)果更進一步確定了裂縫位移監(jiān)測儀的準確性。

4 結(jié)語

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

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