陳龍浩 （安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)分院，安徽 蚌埠 233000）

充填開采技術(shù)可以在保證較高的煤炭資源回收率的基礎(chǔ)上，有效地控制地表移動(dòng)變形，減少環(huán)境污染，近幾年來(lái)被越來(lái)越多的煤礦企業(yè)所運(yùn)用。相對(duì)于傳統(tǒng)開采地表建筑物變形監(jiān)測(cè)，充填開采地表建筑物變形監(jiān)測(cè)存在如下兩個(gè)特點(diǎn)：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(jì)念性建筑、高聳建筑等）下壓煤采用該項(xiàng)采煤技術(shù)，但該類建筑物對(duì)地表移動(dòng)變形較為敏感，變形設(shè)防指標(biāo)較高，較小的移動(dòng)變形可能造成建筑物的損害，產(chǎn)生不良的社會(huì)反響；另一方面，充填開采地表移動(dòng)變形較小，建筑物受到的采動(dòng)影響變形也較小，這對(duì)變形監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)微變形數(shù)據(jù)，掌握建筑物動(dòng)態(tài)變形規(guī)律，及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)建筑物進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警，顯得尤為重要。

建筑物變形監(jiān)測(cè)[1]現(xiàn)階段主要有常規(guī)變形監(jiān)測(cè)方法、三維激光掃描技術(shù)、近景攝影測(cè)量、GPS測(cè)量等方法。常規(guī)變形監(jiān)測(cè)方法（全站儀、水準(zhǔn)儀等）具有人員操作簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)階段工程項(xiàng)目使用頻繁的監(jiān)測(cè)方式，但其需花費(fèi)較大的人力物力且監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。三維激光掃描技術(shù)（實(shí)景復(fù)制技術(shù)）[2]和近景攝影測(cè)量技術(shù)[3]可以在獲取變形體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析得到變形體變形起始位置、動(dòng)態(tài)過(guò)程及整體變形趨勢(shì)，但就其單點(diǎn)測(cè)量精度難以滿足充填采煤建筑物變形監(jiān)測(cè)的要求。GPS測(cè)量技術(shù)[4]具有操作簡(jiǎn)單、限制條件較少等特點(diǎn)，在大壩、山體滑坡、基坑等變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較為廣泛，但其高程精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到充填開采地表建筑物的監(jiān)測(cè)精度要求。

本文針對(duì)充填開采地表建筑物微變形特點(diǎn)，在常規(guī)液體靜力水準(zhǔn)儀構(gòu)件上加裝無(wú)線傳輸模塊及數(shù)據(jù)處理預(yù)警模塊，使其達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并預(yù)警功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主要由3大模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集單元、無(wú)線通訊單元和數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元。由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豎向形變數(shù)據(jù)及傳感器數(shù)據(jù)（主要為溫度數(shù)據(jù)），再通過(guò)無(wú)線通訊單元將所有采集數(shù)據(jù)通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，最后由數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及精細(xì)處理，分析變形體形變量，形變量超出設(shè)防指標(biāo)時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集單元

該單元主要為常規(guī)液體靜力水準(zhǔn)儀、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器。

液體靜力水準(zhǔn)儀是利用在外界環(huán)境（溫度、氣壓、重力等）相同的條件下，同一密度液體靜止時(shí)，其表面總是保持同一水平的特性，來(lái)監(jiān)測(cè)儀器安裝點(diǎn)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(zhǔn)儀原理圖

如圖2（1）所示，當(dāng)外界環(huán)境（溫度、氣壓等）相同時(shí)，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…h(huán)n。當(dāng)儀器安裝點(diǎn)發(fā)生豎向形變時(shí)，則液面高度發(fā)生改變，形成新的水平，如圖2（2）所示，此時(shí)液面高度分別為 h1'，h2'…h(huán)n'，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(zhǔn)點(diǎn)，求得其它各測(cè)點(diǎn)垂直位移形變量為ΔH2=Δh1-Δh2…ΔHn=Δh1-Δhn。

在靜力水準(zhǔn)儀采集液面高度的同時(shí)，溫度傳感器同步采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器將采集來(lái)的靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)傳入無(wú)線通訊單元。

1.2 無(wú)線通訊單元

一般礦區(qū)生活環(huán)境復(fù)雜，人員頻繁進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，易發(fā)生安全事故，同時(shí)為減少監(jiān)測(cè)成本，本文在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中加入無(wú)線通訊單元，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

目前，無(wú)線數(shù)據(jù)通訊方式根據(jù)距離遠(yuǎn)近、傳播途徑等主要分為無(wú)線電臺(tái)、GSM、GPRS/CDMA、衛(wèi)星通訊等方式[5]?？紤]實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離數(shù)據(jù)處理中心較遠(yuǎn)，同時(shí)衛(wèi)星通訊費(fèi)用過(guò)于高昂，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集單元與數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元之間的通訊最終通過(guò)IPmodem模塊和域名（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)）相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。IP modem模塊即為遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端，在設(shè)定好服務(wù)器的端口及IP地址后，將數(shù)據(jù)采集器中數(shù)據(jù)利用GSM、GPRS/CDMA上傳至網(wǎng)絡(luò)，再將服務(wù)器與域名相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

1.3 數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元

在對(duì)建筑物實(shí)行監(jiān)測(cè)預(yù)警之前，首先對(duì)充填工作面上方受采動(dòng)影響建筑物進(jìn)行實(shí)地考察，根據(jù)建筑物保護(hù)等級(jí)、建筑質(zhì)量、地質(zhì)采礦條件等因素，評(píng)估建筑物抗變形能力，綜合確定保護(hù)建筑物的設(shè)防指標(biāo)。

當(dāng)液體靜力水準(zhǔn)儀液面高度數(shù)據(jù)和傳感器溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)處理中心后，中心將形變數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，求得儀器安裝點(diǎn)垂直形變量，進(jìn)而獲取被監(jiān)測(cè)建筑物的傾斜形變值和曲率形變值。當(dāng)建筑物形變值（傾斜、曲率）超過(guò)相應(yīng)的設(shè)防指標(biāo)時(shí)，中心發(fā)出預(yù)警信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)情況采取相應(yīng)措施，同時(shí)指導(dǎo)井下充填開采工作，優(yōu)化充填開采參數(shù)，提高充實(shí)率，減小地表移動(dòng)變形量。其工作流程如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理預(yù)警單元流程圖

圖4 實(shí)驗(yàn)區(qū)情況圖

2 系統(tǒng)精度分析

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于安徽省北部某礦，實(shí)驗(yàn)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(jìn)長(zhǎng)度約100m，開采高度約3.0m，工作面上方主要為11棟磚混結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，在其外墻上安裝液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)1套（最小監(jiān)測(cè)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(fā)，在其表面覆蓋少許機(jī)油，選取180s數(shù)據(jù)采樣間隔。充填工作面與地表建筑物井上下對(duì)照關(guān)系及液體靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布位置如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)測(cè)量精度

充填采煤區(qū)地表建筑物監(jiān)測(cè)目的是能及時(shí)準(zhǔn)確地通過(guò)監(jiān)測(cè)地表建筑物變形情況及時(shí)對(duì)建筑物損害進(jìn)行預(yù)警，為了檢驗(yàn)液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否滿足這一要求，對(duì)充填工作面未開采之前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度分析。

下文以其中一臺(tái)8月2日至8月5日的液體靜力水準(zhǔn)儀液面高度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析（如圖5所示），對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度做出相應(yīng)評(píng)估。

圖5 儀器液面高度觀測(cè)值

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

根據(jù)“三下”采煤規(guī)程中規(guī)定：當(dāng)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(shí)，僅產(chǎn)生輕微損壞，為Ⅰ級(jí)采動(dòng)損害。為了達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，采動(dòng)區(qū)上方建筑物變形觀測(cè)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(jiān)測(cè)的最小距離為5m，按1/20允許變形值的監(jiān)測(cè)精度要求，則其傾斜形變監(jiān)測(cè)精度需滿足0.15mm/m，垂直位移監(jiān)測(cè)精度需達(dá)到0.75mm，該系統(tǒng)垂直位移監(jiān)測(cè)精度完全滿足建筑物變形監(jiān)測(cè)要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)充填采煤區(qū)地表建筑物微變形的特點(diǎn)及已有變形監(jiān)測(cè)方法存在的局限性，在常規(guī)液體靜力水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上，融合無(wú)線通訊遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，構(gòu)成了液體靜力水準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其垂直位移監(jiān)測(cè)精度達(dá)到0.64mm，完全滿足建筑物變形監(jiān)測(cè)的需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充填開采地表建筑物微變形實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的同時(shí)，并能對(duì)建筑物損害做出及時(shí)預(yù)警。