静力水准远程监测系统用于充填采煤区建筑物变形监测可行性分析

陈龙浩 （安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽 蚌埠 233000）

充填开采技术可以在保证较高的煤炭资源回收率的基础上，有效地控制地表移动变形，减少环境污染，近几年来被越来越多的煤矿企业所运用。相对于传统开采地表建筑物变形监测，充填开采地表建筑物变形监测存在如下两个特点：一方面，由于充填开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、纪念性建筑、高耸建筑等）下压煤采用该项采煤技术，但该类建筑物对地表移动变形较为敏感，变形设防指标较高，较小的移动变形可能造成建筑物的损害，产生不良的社会反响；另一方面，充填开采地表移动变形较小，建筑物受到的采动影响变形也较小，这对变形监测的精度提出了更高的要求。因此，如何高效精确地获取充填开采地表建筑物动态微变形数据，掌握建筑物动态变形规律，及时对危险建筑物进行灾害预警，显得尤为重要。

建筑物变形监测[1]现阶段主要有常规变形监测方法、三维激光扫描技术、近景摄影测量、GPS测量等方法。常规变形监测方法（全站仪、水准仪等）具有人员操作简单、监测精度高等优点，使其成为现阶段工程项目使用频繁的监测方式，但其需花费较大的人力物力且监测周期较长，无法实现实时远程监测。三维激光扫描技术（实景复制技术）[2]和近景摄影测量技术[3]可以在获取变形体表面三维点云数据的基础上，分析得到变形体变形起始位置、动态过程及整体变形趋势，但就其单点测量精度难以满足充填采煤建筑物变形监测的要求。GPS测量技术[4]具有操作简单、限制条件较少等特点，在大坝、山体滑坡、基坑等变形监测中应用较为广泛，但其高程精度远远达不到充填开采地表建筑物的监测精度要求。

本文针对充填开采地表建筑物微变形特点，在常规液体静力水准仪构件上加装无线传输模块及数据处理预警模块，使其达到远程实时监测并预警功能。

1 系统结构

液体静力水准远程监测与预警系统主要由3大模块构成：数据监测采集单元、无线通讯单元和数据处理预警单元。由数据监测采集单元实时监测竖向形变数据及传感器数据（主要为温度数据），再通过无线通讯单元将所有采集数据通过公共网络传输至数据处理中心，最后由数据处理中心进行数据预处理及精细处理，分析变形体形变量，形变量超出设防指标时，发出预警信号。系统结构如图1所示。

图1 液体静力水准远程监测与预警系统构成图

1.1 数据监测采集单元

该单元主要为常规液体静力水准仪、温度传感器和数据采集器。

液体静力水准仪是利用在外界环境（温度、气压、重力等）相同的条件下，同一密度液体静止时，其表面总是保持同一水平的特性，来监测仪器安装点之间竖向位移变化差值，其原理如图2所示。

图2 液体静力水准仪原理图

如图2（1）所示，当外界环境（温度、气压等）相同时，若仪器中液体密度相同，则液体表面处于同一水平，其液面高度分别为h1，h2…hn。当仪器安装点发生竖向形变时，则液面高度发生改变，形成新的水平，如图2（2）所示，此时液面高度分别为 h1'，h2'…hn'，各仪器液面高度变化量分别为 Δh1=h1'-h1，Δh2=h2'-h2…Δhn=hn'-hn。选定其中某一仪器（一般位于形变范围外）为基准点，求得其它各测点垂直位移形变量为ΔH2=Δh1-Δh2…ΔHn=Δh1-Δhn。

在静力水准仪采集液面高度的同时，温度传感器同步采集温度数据，数据采集器将采集来的静力水准仪数据和传感器数据传入无线通讯单元。

1.2 无线通讯单元

一般矿区生活环境复杂，人员频繁进入现场采集数据，易发生安全事故，同时为减少监测成本，本文在监测系统中加入无线通讯单元，从而实现远程监测。

目前，无线数据通讯方式根据距离远近、传播途径等主要分为无线电台、GSM、GPRS/CDMA、卫星通讯等方式[5]。考虑实际监测点距离数据处理中心较远，同时卫星通讯费用过于高昂，本系统数据监测采集单元与数据处理预警单元之间的通讯最终通过IPmodem模块和域名（静态或动态）相结合而实现。IP modem模块即为远程无线数据传输终端，在设定好服务器的端口及IP地址后，将数据采集器中数据利用GSM、GPRS/CDMA上传至网络，再将服务器与域名相连，实现数据远程传输。

1.3 数据处理预警单元

在对建筑物实行监测预警之前，首先对充填工作面上方受采动影响建筑物进行实地考察，根据建筑物保护等级、建筑质量、地质采矿条件等因素，评估建筑物抗变形能力，综合确定保护建筑物的设防指标。

当液体静力水准仪液面高度数据和传感器温度数据远程传输至数据处理中心后，中心将形变数据根据相应传感器数据进行分析处理，求得仪器安装点垂直形变量，进而获取被监测建筑物的倾斜形变值和曲率形变值。当建筑物形变值（倾斜、曲率）超过相应的设防指标时，中心发出预警信号，现场人员根据情况采取相应措施，同时指导井下充填开采工作，优化充填开采参数，提高充实率，减小地表移动变形量。其工作流程如图3。

图3 数据处理预警单元流程图

图4 实验区情况图

2 系统精度分析

2.1 实验概况

实验区域位于安徽省北部某矿，实验充填开采工作面为近水平煤层，平均采深约160m，其开采宽度约100m，推进长度约100m，开采高度约3.0m，工作面上方主要为11栋砖混结构建筑物。

选择位于开采工作面边界上方两栋建筑物作为本次实验监测对象，在其外墙上安装液体静力水准远程监测与预警系统1套（最小监测周期为0.3s，灵敏度为0.01mm），将纯净水作为连通液体，为减小纯净水挥发，在其表面覆盖少许机油，选取180s数据采样间隔。充填工作面与地表建筑物井上下对照关系及液体静力水准监测点分布位置如图4所示。

2.2 系统测量精度

充填采煤区地表建筑物监测目的是能及时准确地通过监测地表建筑物变形情况及时对建筑物损害进行预警，为了检验液体静力水准远程监测系统能否满足这一要求，对充填工作面未开采之前的监测数据进行了精度分析。

下文以其中一台8月2日至8月5日的液体静力水准仪液面高度数据为例进行分析（如图5所示），对系统监测精度做出相应评估。

图5 仪器液面高度观测值

以原始液面高度为基准，4天内液面变化最高值为 +1.43mm，最低值为 -0.59mm。根据公式，其中误差为0.64mm。

根据“三下”采煤规程中规定：当建筑物受到倾斜i≤3.0mm/m、曲率 K≤0.2mm/m2、水平变形 ε≤2.0mm/m时，仅产生轻微损坏，为Ⅰ级采动损害。为了达到动态监测的目的，采动区上方建筑物变形观测的精度一般小于或等于允许变形值的1/10～1/20。建筑物上安置的相邻监测的最小距离为5m，按1/20允许变形值的监测精度要求，则其倾斜形变监测精度需满足0.15mm/m，垂直位移监测精度需达到0.75mm，该系统垂直位移监测精度完全满足建筑物变形监测要求。

3 结论

本文针对充填采煤区地表建筑物微变形的特点及已有变形监测方法存在的局限性，在常规液体静力水准仪的基础上，融合无线通讯远程传输技术，构成了液体静力水准远程监测与预警系统。同时对该系统监测数据进行分析，其垂直位移监测精度达到0.64mm，完全满足建筑物变形监测的需求，实现了对充填开采地表建筑物微变形实时远程监测的同时，并能对建筑物损害做出及时预警。