高精度矿区地表沉陷远程监测系统构建与应用

姚锡伟 刘 涛

(内江职业技术学院建筑工程系，四川 内江 641000)

煤炭资源开采在一定程度上会引起矿区地质环境恶化，矿区地表不均匀沉陷为最直观的表现之一。对矿区地表沉陷进行监测，有助于制定相应的对策来有效治理矿区沉陷，实现矿区可持续发展。目前矿区地表沉陷常用的监测方法主要有几何水准测量、三角高程测量、GPS测量和静力水准测量[1-3]。几何水准测量和三角高程测量自动化程度低，运营费用高；GPS测量虽然具有自动化程度高的特点，但精度较低，仅有5 mm[4]，并且GPS监测还具有成本高、易受环境影响等不足；静力水准测量具有测量精度高、自动化程度高、后期运营费用低等优点，特别适合于对矿区地表沉陷进行监测[5]。本研究以振弦式静力水准仪作为传感器、GPRS无线传输技术作为数据传输手段，对矿区地表沉陷远程监测系统进行构建，并以山西某矿为例进行系统性能测试。

1 静力水准仪测量原理

静力水准系统(Hydrostatic leveling system，HLS)是一种基于连通器原理的高精密液位系统[6]。当某个观测点发生位移变化时，该点处的静力水准仪储液罐中的液体便会与其他测点处的水准仪储液罐的液体相互流动，从而引起液位变化。液位的变化信息可以被静力水准仪传感器感知并测量，从而得到发生沉陷测点的竖向变化信息。目前，常用的静力水准仪有振弦式、光电式、差动变压器式、电容感应式、超声波式、压差式等，该类水准仪的性能参数如表1所示[7-8]。

表1 常用静力水准仪性能参数对比[7-8]

分析表1可知：振弦式静力水准仪传感器具有测量范围大、精度高、环境适应能力强和结构简单等优点，故本研究选用该型水准仪进行研究。

振弦式静力水准仪传感器的敏感器件是一根被称为振弦的金属丝，在固定电流的作用下，金属丝以固定频率振动。当静力水准仪储液罐中的液面发生波动时，传感器中的浮子所受的浮力便发生了变化，该变化被传感器感知，具体体现为电流发生波动，电流波动会导致振弦振动频率发生变化，根据频率变化可知储液罐内液面高度的变化信息。振弦的振动频率可用下式计算[9]，

(1)

式中，f为钢弦的自振频率，Hz；L为钢弦长度，m；T为钢弦张力，N；m为单位长度钢弦的质量，kg。

2 矿区地表沉陷远程监测系统架构

本研究沉陷监控系统架构可分为振弦式静力水准仪传感器和数据采集传输设备2个部分。

2.1 振弦式静力水准仪传感器

振弦式静力水准仪传感器主要由传感器保护筒、容器顶盖、液位观察管、传感器电缆、浮筒、通液管和膨胀螺栓等结构组成(图1)。采用该型水准仪测量多个测点的相对沉陷信息时，各个传感器通过通液管相连，当其中某个测点的高程发生变化时，该测点储液罐内的液面高度便会发生变化，根据连通器原理，发生高程变化的测点储液罐内的液体便会流至其他储液罐中(图2)。在具体测量中，一般认定某个测点的高程是固定的或可以人为进行精准测量的，以便据此精确计算其他测点的沉陷信息。由于本研究系统选用的传感器储液罐是透明的，故而可以通过观察仪器上的液位来直观查看储液罐中液面高度的变化情况。

图1 单个振弦式静力水准仪传感器组成

图2 多个振弦式静力水准仪传感器工作示意

2.2 数据采集传输设备

数据传输方式一般可以分为人工传输、有线传输和无线传输3类。目前，人工方式仅适用于地形受限或其他采集方法难以传输数据的情形；有线数据传输方式具有保密性强、可靠性高等特点，常适用于军事或保密工程，但架设线路困难，而且存在后期维护困难、传输距离受限等缺点[10]；近些年，随着计算机技术、通讯技术和互联网技术的飞速发展，无线传输方式已经基本取代人工和有线传输方式[10]。无线传输方式相比于有线传输，具有安装简便、后期维护简单等特点。目前，无线数据传输方式主要有超短波、卫星通信、SMS(short message service)、GPRS等(表2)[11-12]。

分析表2可知：相比于其他数据传输手段，GPRS具有运营建设费用较低、维护成本低、覆盖范围广和传输速度快等优点，故而本研究系统采用静力水准测量获取数据，采用GPRS技术进行数据传输。

系统数据采集传输设备的作用是接收传感器的数据并通过GPRS技术传输数据。系统数据采集传输设备与传感器及数据中心的关系如图3所示。

表2 常见无线传输方式的特点对比[14-18]

图3 数据采集传输设备与传感器及数据中心的关系

系统数据采集传输设备由高档单片机、手机SIM卡和其他精密器件组成，其最大采集路数可达60路，采用12 V直流蓄电池进行供电，待机电流为20 mA，可接受传感器输出的电压信号，可以在-30～60 ℃环境下正常使用。

图4 系统数据采集传输设备

系统数据采集传输设备的具体工作流程如图5所示。测点高程的变化信息被振弦式静力水准仪传感器识别并发送电流信号，电流信号经过高精密电阻转换为电压信号，电压信号被数模转换器AD7705转换为数字信号，数字信号被光电耦合器识别并存储于单片机的CPU中，等待时钟命令进行发送。值得注意的是，整个数据采集传输设备仅有1个电源(12 V蓄电池)，但振弦式传感器所需的供电电压为15 V，AD7705和CPU所需的供电电压分别为5，4.24 V。如图5所示，系统采用了2个规格不同的DCDC，1个是将12 V电压转为15 V电压对振弦式静力水准仪传感器进行供电，另1个是将LM2596输出的4.24 V电压转换为5 V电压对AD7705进行供电。

图5 系统数据采集传输设备工作流程

综合上述分析，可知本研究矿区地表沉陷远程监测系统的工作流程如图6所示。

图6 矿区地表沉陷远程监测系统工作流程

3 系统性能测试

3.1 线性度

本研究选用高精度医用注射器向储液罐内注入液体，来模拟测点高程变化。经过换算，每注入1 mL水，液面升高0.073 mm。为对系统中3个振弦式静力水准仪传感器的线性度与拟合进行标定，每次注入50 mL水，每10 min向储液罐注入一次水，传感器输出的电压与实际液面高度的关系如图7所示。

1#、2#、3#传感器的输出电压与实际液位高度的

图7 传感器输出电压与实际液位高度的关系

线性拟合系数R2分别为0.989 1、0.999 4、0.998 1。相应的标准误差σ分别为0.99×10-3、1.94×10-3、9.65×10-4。可见3台传感器的输出电压与测点实际液位高度的线性拟合程度较高。

3.2 稳定性

将3台振弦式静力水准仪传感器固定于某支墩上，保证其竖向高度不变。3台传感器的初始液位高度分别为41.195，39.155，42.610 mm。测定时间为1周(2017年2月21日0:00—2月27日8:30)，每 0.5 h进行1次数据采集，共收到306组数据。由表3可知：3台传感器受到外界温度、压力差、重力异常的影响非常小，传感器总体稳定性较好。

表3 静力水准仪传感器野外高度变化特征

4 工程实例

山西某矿目前有2个工作面(1101、1102工作面)正在开采，本研究在1101工作面地表布置了3个测点并对其进行了为期9 d(2017年4月2日～2017年4月10日)地表沉陷监测，每天8:00读取1次监测数据，监测结果如表4所示。

表4 系统监测值与精密水准测量值对比

分析表4可知：经过9 d监测，系统输出的沉陷值与精密水准测量数据具有较好的吻合度，两者误差最大值仅为0.425 mm，可见该系统监测精度较好。目前，该系统已在该矿山连续运行了4个多月，总体运行效果良好。

5 结 语

为进一步提升矿区地表沉陷监测精度，设计开发了一套由振弦式静力水准仪作为传感器、由GPRS无线传输技术作为数据传输手段的矿区地表沉陷远程监测系统。系统性能测试及某矿山监测试验均表明，该系统具有数据传输稳定、数据存储量大、测试精度高、运行成本低、对环境适应性强特点，沉陷监测精度优于GPS方法，可满足矿区地表高精度沉陷监测要求。

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