基于高精度北斗卫星定位的矿山安全监测系统

2024-03-05张锐

山西电子技术 2024年1期

张锐

(山西省信息产业技术研究院有限公司,山西太原 030012)

0 引言

矿山安全历来是我国安全生产的重中之重。近年来国家持续加大防范力度,但坍塌事故仍然时有发生。2023年2月,内蒙古阿拉善盟左旗新井煤业有限公司的一个露天煤矿发生了大面积坍塌事故,现场坍塌超1000万m3,给人民生命财产安全造成了重大损失,给许多家庭带来了巨大的悲痛。2023年是全面贯彻落实党的二十大精神的开局之年,国务院总理李克强作的政府工作报告中,鲜明提出要更好统筹发展和安全,并对安全生产监管和防灾减灾救灾工作提出明确要求。

在煤矿露天开采过程中,随着采掘工作的进行,土堆在矿坑边逐层堆叠,螺旋向下,矿坑形状为倒金字塔型的斜坡。向下挖采逐渐加深,边坡不断增高,形成超高、超陡边坡,结合持续降水、车辆荷载、爆破作业等多种因素影响,边坡稳定性就会进一步弱化,容易造成滑坡、坍塌等。边坡失稳是造成安全生产事故的重要因素,为避免事故的发生,建立完善的边坡监测体系,对不稳定边坡进行24小时实时监测刻不容缓。2023年2月27日,国家矿山安全监察局发布文件《国家矿山安全监察局关于开展露天矿山安全生产专项整治的通知》中要求:围绕控大风险、除大隐患、治大灾害、防大事故目标,全面排查露天矿山安全风险,扎实开展重点露天矿山安全“体检”。矿山治理环境复杂,影响因素、诱发因素多样,监测实施前必须对监测系统进行认真的设计,需要对矿山地表进行相对位移监测、内部位移监测、地表倾斜监测等[1-3]。

1 总体设计

本次研究设计的基于高精度北斗卫星定位的矿山安全监测系统利用北斗高精度定位技术、传感器技术、系统软件技术、网络信号传输技术,对矿山边坡的位移、地下水和降雨量等情况进行实时监测,通过多种数据的融合分析,预测其失稳的可能性和滑坡的危险性,并实现自动化多传感联动报警,同时积累历史监测数据,为矿山现场安防部门提前做出预警应急措施提供支撑保障,精准预防地质灾害,规避灾害风险,守护矿山安全,图1为整体布局图。

2 建设方案

2.1 系统架构

基于高精度北斗卫星定位的矿山安全监测系统由数据采集传感器子系统、数据传输通讯子系统、数据处理分析子系统、辅助支持等子系统组成。该系统监测内容主要实现对矿山环境的监测、山体表面及深部位移的监测以及地下水监测等功能,通过多种通讯系统、风光互补供电系统、工业级防雷防电系统及专业变形监测数据处理分析软件完成对矿山的安全监测[4],系统整体架构如图2所示。

图2 系统整体架构图

1) 高精度北斗卫星定位接收机

高精度北斗卫星定位接收机可实现本地解算或者云端解算的毫米级的高精度定位,通过高精度天线接收和处理北斗、GPS等卫星信号,实现本地毫米级终端解算定位,同时支持数据回传到云平台结合北斗地面增强系统进行联合结算,实现毫米级后处理定位,分析被监测物体的位移量及形变趋势,持续对监测物体位置状态进行预警,实现24小时全天候无人值守监测[5]。该设备通过接收、跟踪、变化和测量卫星信号,通过分析卫星电文及对相关数据进行处理而获得定位,并且解算获取矿山边坡的地表位移量与沉降位移量,为矿山边坡提供毫米级地表位移、沉降位移监测。

2) 固定式测斜仪

固定式测斜仪采用平衡式的伺服系统,测量单元通过串联或并联的方式,可以测量孔不同深度的位移数据。当传感器探头相对于重心方向产生倾角时,由于重力作用,其敏感元件相对于铅垂方向摆动一个角度,通过高灵敏的换能器将此角度转换为电信号,获取矿山边坡深部角度变化。该设备安装在观测人员不易到达的危险高边坡上,观测人员只要在观测室进行遥测即可获得监测数据。

3) 振弦式渗压计

振弦式渗压计具有稳定性好、抗干扰能力强、温度漂移小、零点漂移小、精度高、灵敏度反应快的特点,当被测水荷载作用在渗压计上,将引起感应膜板的变形,其变形带动振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。通过测量钢弦的振动频率,再用校正系数推算出作用于感应元件上的压力值,从而实现对地下水压力的监测,同步可测量埋设点的温度值。

4) 变形监测数据处理软件

变形监测数据处理软件采用了先进的卡尔曼滤波的算法来计算各监测点的三维坐标,能实时进行载波相位差分观测值解算,该算法不同于传统的北斗单点定位解算,既满足了实时、准实时解算需求,又大大地提高了系统监测精度[6]。