范紅梅，杭玉付，辛 浩，司鵬偉，王明明

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一礦，安徽 淮南 230000;2.南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211800;3.南京科博空間信息科技有限公司，江蘇 南京210019)

1 引言

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，我國是煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)大國，煤炭在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中發(fā)揮了重要作用。據(jù)了解，“十二五”末我國煤炭總需求量每年將會突破40 億噸［1］。煤礦開采產(chǎn)生的地表移動對人們的正常生活造成嚴(yán)重影響，從而對安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重的破壞和危害。因此，開展開采地表移動沉陷觀測顯得尤為重要。傳統(tǒng)的測量方法是采用全站儀、水準(zhǔn)儀等技術(shù)，對監(jiān)測體進(jìn)行定期或不定期的觀測，不僅要耗費(fèi)大量的人力、財力，勞動強(qiáng)度大，需要技術(shù)人員進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域，存在一定隱患，且觀測成果的處理周期較長［2］。同時，傳統(tǒng)觀測對觀測時的天氣要求也苛刻，這就造成了對點(diǎn)監(jiān)測對象難以實現(xiàn)自動、實時與連續(xù)監(jiān)測［3］。

煤炭開采地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)集成了網(wǎng)絡(luò)RTK、GNSS CORS、GIS、網(wǎng)絡(luò)傳輸、測量數(shù)據(jù)處理分析等技術(shù)。充分體現(xiàn)了科技創(chuàng)新的趨勢。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)任何惡劣環(huán)境，在觀測站之間不需要通視，測點(diǎn)位置選澤適應(yīng)性強(qiáng)，從觀測、記錄、計算、預(yù)警全部實現(xiàn)自動化。系統(tǒng)為礦區(qū)開采沉陷提供一種高效的數(shù)據(jù)采集、處理和變形分析的自動化手段，為恢復(fù)與重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、礦山開采沉陷工程治理、村莊搬遷規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害治理等提供了科學(xué)依據(jù)，為礦山安全開采及礦山地質(zhì)環(huán)境治理提供了技術(shù)支撐。

本文以安徽省淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一礦東區(qū)1262(3)工作面重復(fù)開采為實例，具體介紹并分析煤炭開采地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測地表移動的可靠性。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實施

2.1 工作原理

監(jiān)測子系統(tǒng)將實時采集的北斗/GPS 觀測數(shù)據(jù)及其他監(jiān)測數(shù)據(jù)通過WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)或3G、光纖相結(jié)合傳輸至數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)對北斗/GPS 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，先由變形監(jiān)測軟件實時處理監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)解算出各監(jiān)測點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的相對空間位移變形量，再由煤炭開采地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)對變形位移信息分析，根據(jù)地表位移信息之間響應(yīng)關(guān)系的經(jīng)驗值進(jìn)行決策預(yù)警。警報子系統(tǒng)根據(jù)預(yù)報分析軟件可以自動通過無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)、廣播等手段向煤礦企業(yè)、當(dāng)?shù)卣劝l(fā)布危險警報信息，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2.2 系統(tǒng)組成

地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)由綜合管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)和移動變形分析預(yù)報子系統(tǒng)5 個子系統(tǒng)組成。其中數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是多源數(shù)據(jù)融合與地表移動參數(shù)解算中心，移動變形分析預(yù)報子系統(tǒng)是監(jiān)測數(shù)據(jù)分析預(yù)警中心，這2 個子系統(tǒng)是地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)的核心。地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)各子系統(tǒng)的功能和設(shè)備組成如表1 所示。

表1 地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成與主要功能

2.3 GNSS 基準(zhǔn)站子系統(tǒng)

2.3.1 選擇站址

(1)觀測環(huán)境

距易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地物(如高大建筑物、樹木、水體、海灘和易積水地帶、電磁干擾區(qū)等)的距離不小于200m;應(yīng)有10°以上地平高度角的衛(wèi)星通視條件;避開易產(chǎn)生振動的地帶。

(2)維持條件

便于接入公共或?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)絡(luò);具有穩(wěn)定、安全可靠的電源;交通便利，便于人員往來和車輛運(yùn)輸;便于長期保存。

2.3.2 基準(zhǔn)站建設(shè)

基準(zhǔn)站為不銹鋼鋼架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)站鋼架結(jié)構(gòu)圖

2.4 監(jiān)測站選址

根據(jù)該項目研究目標(biāo)與內(nèi)容，以潘一礦東區(qū)為例，按照設(shè)計原則和設(shè)計依據(jù)，建設(shè)一個新的自動化監(jiān)測站、與原有的自動化監(jiān)測站組成一個系統(tǒng)，共同對礦區(qū)的地表進(jìn)行監(jiān)測。新系統(tǒng)的監(jiān)測范圍更廣闊。結(jié)合交通位置與自然地理條件，選擇在開采沉陷區(qū)重要位置布設(shè)3 個GNSS 連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測站，點(diǎn)的編號分別為CORS 10、CORS 11 和CORS 12，這3 個自動化監(jiān)測站接收潘一礦東區(qū)基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，實時將測量數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器軟件。其中CORS 10 布設(shè)在1262(3)工作面傾斜主斷面采空區(qū)下邊界拐點(diǎn)附近，主要用于監(jiān)測1262(3)工作面下山邊界附近地表移動變形信息;CORS 11 布設(shè)在1262(3)工作面傾斜主斷面采空區(qū)的最大下沉區(qū)域，主要用于監(jiān)測最大下沉區(qū)域附近地表移動變形信息及動態(tài)特征(如超前影響距、超前影響角、最大下沉值等);CORS12 布設(shè)在1262(3)工作面傾斜主斷面采空區(qū)上邊界拐點(diǎn)附近，主要用于監(jiān)測上山邊界附近地表移動變形信息。

3 變形分析

移動端軟件可以在室內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理、變形分析以及繪圖等功能。濾波理論是一種高效、實用的數(shù)據(jù)處理方法?？柭鼮V波器是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，已在計算機(jī)圖像處理、航空器軌道修正、導(dǎo)航與動態(tài)定位等領(lǐng)域應(yīng)用了30 余年［4］。利用卡爾曼濾波理論處理采集的地表變形信息能夠得到更準(zhǔn)確的變形結(jié)果。同時由于該項目覆蓋區(qū)域比較小，可直接用GPS 大地高高差來代替正常高高差，并通過它直接反映該地表區(qū)域的變形情況，如圖3 所示。

圖3 各站點(diǎn)變形量統(tǒng)計圖

終端服務(wù)器軟件自帶數(shù)據(jù)變形分析功能。圖3可見位于采區(qū)內(nèi)的CORS 11 號站布設(shè)在1262(3)工作面的最大下沉區(qū)域內(nèi)，在相同時間內(nèi)，下沉量最大，符合1262(3)重復(fù)開采沉陷的實際情況。

圖4 顯示CORS 10 號站在2015年1月—3月期間下沉量有800 mm 左右，下沉速率約為8.89 mm/d，其中2月19日前后是春節(jié)放假，煤礦停止開采，所以在這時間段的地表比較穩(wěn)定;到了3月份之后，下沉速率明顯降低，只有1.33 mm/d。

表2 自動化監(jiān)測站數(shù)據(jù)分析表

圖4 CORS10 監(jiān)測站移動變形圖

在2015年1月中旬—2月期間，受采區(qū)影響，在x 方向出現(xiàn)移動，隨后移動速率比較穩(wěn)定。從建站開始至1月25日，向y 軸負(fù)方向移動，隨后向正方向移動。

圖5 CORS11 監(jiān)測站移動變形圖

圖5 中CORS 11 號站在2015年1月—3月中旬期間下沉量有1140 mm 左右，下沉速率約為10.86 mm/d。同理，2月19日前后是春節(jié)放假，煤礦停止開采，所以在這時間段的地表比較穩(wěn)定;到了3月下旬之后，下沉速率明顯降低，只有2.22 mm/d。

在2015年1月中旬—3月中旬期間，受采區(qū)影響，在x 方向出現(xiàn)移動，隨后移動速率比較穩(wěn)定。從建站開始至1月底，向y 軸負(fù)方向移動，隨后向正方向移動。

圖6 中，CORS 12 號站在2015年1月—3月中旬期間下沉量有580 mm 左右，下沉速率約為5.52 mm/d，到了3月下旬之后，下沉速率明顯降低，只有2.67 mm/d。

在2015年1月中旬至3月中底期間，受采區(qū)影響，在x 負(fù)方向出現(xiàn)移動，隨后移動速率比較穩(wěn)定。從建站開始至1月底，向y 軸負(fù)方向移動，隨后向正方向移動。

圖6 CORS12 監(jiān)測站移動變形圖

4 總結(jié)

煤炭開采地表移動變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一種高度自動化的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)一體化外業(yè)數(shù)據(jù)采集，自動化數(shù)據(jù)傳輸、管理、分析的功能，可以非常清晰地反映地表移動情況，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守，自動觀測，自動預(yù)警功能。告別了傳統(tǒng)監(jiān)測模式，大大降低了監(jiān)測成本。煤炭開采地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)還可以與各類傳感器聯(lián)合使用，系統(tǒng)經(jīng)過簡單改造后可以應(yīng)用于工程測量、管線探測、房產(chǎn)測繪、地形測繪、林業(yè)調(diào)查等領(lǐng)域［5］，［6］，體現(xiàn)了煤炭開采地表移動變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性。

今后需要在各種實踐應(yīng)用中不斷改進(jìn)，不斷集成更先進(jìn)、可靠的技術(shù)，最大限度地發(fā)揮自動化監(jiān)測優(yōu)勢。

［1］劉一霖.礦區(qū)開采沉陷大量級形變監(jiān)測與反演分析［D］.西安:長安大學(xué)，2013.

［2］丁安民，田八林，李克昭，等.礦區(qū)沉陷災(zāi)害監(jiān)測方法綜述［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013(2):165－169.

［3］魏慶偉.礦山開采沉陷變形監(jiān)測行業(yè)規(guī)范探討［D］.安徽理工大學(xué)，2014.

［4］彭丁聰.卡爾曼濾波的基本原理及應(yīng)用［J］.軟件導(dǎo)刊，2009(11):32－34.

［5］蔣法文，劉可勝，杭玉付，等.煤礦開采沉陷自動化監(jiān)測實時數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)研究［J］.礦山測量，2014(5):93－97.

［6］楊旭，汪洋，汪澤，等.煤礦開采地表移動變形自動化采集終端系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.測繪與空間地理信息，2015(6):94－97.