煤矿开采沉陷自动化监测系统设计与实现

杨 旭，余学祥，张迎伟，朱亚洲

（1．安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南232001；2．山东省地质测绘院，山东 济南250000）

伴随国民经济的高速发展，人类活动日趋剧烈，与之相关的矿区地表塌陷、高速公路边坡滑坡、高层建筑物变形等风险也在不断增大，对人们生命财产安全构成了巨大威胁，显见，对变形体进行有效监控，特别是自动化监控，获取变形信息，采用一定的数学方法进行数据处理与分析，并进行有效预警预报，减少灾害发生概率和影响范围是很有必要的。

传统的周期性变形监测主要以人工操作对变形体进行数据采集［1］，但在变形较剧烈时期，则必须提高观测频率甚至要求进行连续不间断观测，使用传统手段导致工作强度大、数据实时性差。特别是对一些危险或人员不能轻易到达区域，人们往往希望能够以远程操控仪器并传回数据的方式完成测量任务。随着大地测量技术、计算机技术、通信技术、数据库技术等先进技术的发展，矿区灾害自动化监测技术面临着更新换代。具有网络化、智能化、自动化的矿区实时灾害监测系统，将为有效掌握矿区沉陷灾害的实时形变过程与灾害预报预警情况提供新的监测手段，从而达到多种监测手段实时在线协同监测的表现效果。

本文结合淮南矿业（集团）有限责任公司“地表移动自动化监测系统研究”项目［2］阐述煤矿开采沉陷自动化监测系统设计与实现的相关内容。

1 系统设计

1．1 系统组成

煤矿开采沉陷自动化监测系统以GNSS CORS技术［3］、GIS技术、计算机网络通讯技术、现代测量数据处理技术等为支撑，将GNSS、全站仪、数字水准仪及PDA设备进行集成，实现监测数据的自动采集、传输及分析。该系统可以对地下开采引起的地表综合位移及变形进行连续实时观测，从而实现对地表沉降变形、倾斜变形、曲率变形、水平移动及水平变形等在线监测，实时掌握地表的运动状态和变化趋势。对所采集的数据进行综合处理分析，确定地表移动变形参数，为煤矿工业广场及各类煤柱留设提供依据 为淮南矿区地表移动观测提供新的监测技术及数据分析模式。

煤矿开采沉陷自动化监测系统共布设1个基准站、9个连续实时监测站和约60个非连续实时监测站（地表移动观测站中的部分监测点）。其中，基准站（PYDCDP）采用楼顶式基准站形式布设于矿区办公楼顶，提供监测基准及差分数据；9个连续实时监测站（CORS1～CORS9）分别布设于观测线关键部位，采用连续实时监测、定时实时监测模式；非连续实时监测站约60个，采用准实时、事后监测模式，也可采用全站仪、数字水准仪的测量模式（所有站点的GNSS接收机均可接收北斗卫星星号）。煤矿开采沉陷自动化监测系统基本框架如图1所示。

图1 自动化监测系统基本框架

1．2 系统功能

煤矿开采沉陷自动化监测系统由综合管理子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据处理中心子系统和移动变形分析预报子系统等五个子系统组成。其中数据处理子系统是多源数据融合与地表移动参数解算中心，移动变形分析子系统是监测数据分析预警中心，这两种子系统是自动化监测系统的核心。自动化监测系统各子系统的功能和设备组成见表1。

1．3 系统软件设计思路

在资料收集、整理、分析的基础上，结合试点区和淮南煤田地质采矿条件特点、已有测绘成果的基础上，建立研究区域地表监测基准网，为研究基于GNSS／GIS集成的开采沉陷实时监测技术提供基准框架、高精度的坐标系统转换模型和高程系统转换模型，为研究提高CORS技术测量精度的措施提供基础［4］；研究基于移动GIS技术、GNSS CORS技术和Arc GIS的空间数据交换技术的面向开采沉陷实时监测技术，实现开采沉陷监测的实时化；利用修正的概率积分法模型，进行开采沉陷的准确预计（动态和静态），实现井下开采对地表主要建（构）筑物的动态影响过程的描述，并进行相应的空间分析和操作（如漫游、旋转、透视、绘制剖面图、不同影响区域面积计算、保护煤柱的设计、复垦土方计算、沉陷区评价等 从而为矿山开采及政府部门矿山地 质环境管理提供技术支撑

表1 各子系统的功能和设备

“煤矿开采沉陷自动化监测系统软件（简称“CAuto Mos系统”）”以Visual St udio 2010为开发工具，可在Win XP，Win2003，Win7和Win8环境下面运行。

煤矿开采沉陷自动化监测系统软件主要由数据监控中心软件（简称“DMCS软件”）、“矿山开采沉陷综合数据处理与分析系统软件包（简称“MISPAS软件包”）”、实时数据采集终端系统软件（简称“CAuto Ter mS软件”）等三大软件构成。数据监控中心软件主要包括用户与工程管理模块、基准站串口通讯模块、基于NTRIP协议监测站网络通讯模块、基准站与监测站运行监测模块等。矿山开采沉陷综合数据处理与分析系统软件包主要包括数据处理分析模块（对GNSS测量、导线测量、水准测量的外业成果进行数据处理和质量分析）、地表移动变形分析模块（计算地表移动变形信息并绘制曲线、输出成果报表等）、开采沉陷参数解算模块、地表移动变形预计模块（对单个或多个回采工作面开采引起的地表移动变形进行静态预计、动态预计和某一时间点的预计，绘制移动变形曲线，输出成果报表［5］；与井上下对照图叠加，绘制移动变形等值线图）、开采陷损害评价分析模块（采用GIS三维虚拟现实技术，将采区上方的地形、井下工作面回采状态、地表主要建（构）筑物和地表移动变形信息融为一体，掌握井下开采对地表主要建（构）筑物的动态影响过程和影响程度）［6－7］。“实时数据采集终端系统软件”主要由文件管理、数据采集、数据管理与分析、Mobile GIS、查询编辑、测量仪器、网络通讯、坐标转换以及导航等模块组成［8－10］。煤矿开采沉陷自动化监测系统软件的框架结构如图2所示。

图2 自动化监测系统软件框架结构图

1．4 数据库结构设计

从煤矿开采沉陷自动化监测系统软件数据管理和研究内容来看，该软件的数据库包括以下十类 基本信息数据库 操作日志数据库 监测网基本信息数据库、外业观测数据库、监测网平差观测值数据库、监测网平差成果数据库、监测网移动变形值数据库、图形数据库、实时数据采集终端向数据处理中心发送的数据、连续运行监测站向数据处理中心发送的数据。

2 系统软件实现

2．1 数据监控中心软件

数据监控中心软件的主界面如图3所示，负责执行数据监控中心软件的主体功能，如设备监控、定位（界面如图4所示）、数据采集、数据处理和分析（界面如图5所示）、成果输出等。

图3 数据监控中心软件的主界面

图4 实时定位界面

2．2 MISPAS软件包

MISPAS软件包是一种适用于多种数据采集手段、数据处理与分析功能较齐全、高效地进行信息管理、自动化程度高的矿山开采沉陷综合处理软件集成，以实现对矿区开采引起的地表移动变形进行有效的监控。MISPAS软件包主要由MISPAS软件、观测站设计软件、GNSS控制网数据后处理软件、移动变形数据处理及制图软件、开采沉陷预计参数解算软件、矿山开采沉陷预计与制图软件、开采沉陷损害分析与评价系统软件等组成。这些软件，既可以在MISPAS软件包下集成运行，也可以单独运行，还可以作为煤矿开采沉陷自动化监测系统软件和其他软件的功能模块使用。

图5 三维变形界面

2．3 移动终端软件

CAuto Ter mS系统是“实时数据采集终端”的控制软件，终端系统主界面主要由“网络操作”（打开连接、断开连接）、“工程管理”（打开工程、新建工程、保存工程、工程另存）、“导入底图”、“系统设置”（坐标系统、工程属性等）等部分组成，该终端系统集成了GNSS接收机、全站仪、水准仪，为数据采集、处理、传输提供基本信息。

3 结 论

本文从系统组成、系统功能、系统设计原则、系统设计思路、系统数据库设计、系统实现等方面介绍了煤矿开采沉陷自动化监测系统。该系统研究涵盖了经典大地测量技术（如全站仪导线测量、高精度几何水准测量），测绘高新技术（如GNSS技术、CORS技术、GIS技术、现代测量数据处理技术），计算机科学技术（如网络通信技术、软件工程技术）以及地质、采矿等相关学科知识。系统不仅可以用于矿山开采沉陷监测，也可在其他领域（如水库大坝、山体滑坡崩塌、高层建筑、大型桥梁、城市地表等的变形监测）推广应用，同时也为研究北斗导航卫星系统在变形监测领域的应用提供先期的研究基础。

［1］ 何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1991．

［2］ 安徽理工大学导航定位技术应用研究所．淮南矿业集团“地表移动自动化监测系统研究”技术设计［R］．淮南：安徽理工大学导航定位技术应用研究所，2013．

［3］ 柯福阳，王庆，潘树国，等．GNSS网络RTK算法模型及测试分析［J］．东南大学学报：自然科学版，2009，39（4）：763－768．

［4］ 余学祥，秦永洋，孙兴平，等．相邻工作面综合地表移动观测站的设计与连接测量［J］．大连大学学报，2008，29（6）：74－79．

［5］ 吕伟才，秦永洋，孙兴平，等．矿山开采沉陷预计及制图软件的研制［J］．矿山测量，2010（5）：58－60．

［6］ 吕伟才，秦永洋，孙兴平．基于GIS的矿山开采沉陷综合数据处理软件包的设计［J］．矿山测量，2008（4）：24－28．

［7］ 徐永龙，李斌，郭海朋，等．数据字典驱动的地质数据采集系 统 设 计 与 开 发［J］．测 绘 工 程，2014，23（10）：41－44．

［8］ 焦明连，王庆．基于GPS／PDA技术的土地调查系统设计与实现［J］．淮海工学院学报：自然科学版，2010，19（2）：55－58．

［9］ 张海瑞，吴学饶，兰小机．基于Arc GIS for Android野外实习数据采集与导航系统的实现［J］．测绘工程，2015，24（3）：36－39．

［10］周海，李宏伟，杜泽欣，等．面向服务的城市管网综合管理系统设计［J］．测绘工程，2015，24（3）：69－73．