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

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
作者：陈龙浩；






       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（实景复制技术和近景摄影测量技术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。

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。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，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 △h1=h1'-h1，△h2 =h2' -h···鈻△hn=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△H2=△h1-△h2…△Hn=△h1-△hn。

        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 IP mo-dem 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。

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。
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，样板引路，由发包人告知监理单位、承包人对完成的样板进行验收，现场操作中需与经验收的样板保持一致。

2.2 原材料质量检验

       为确保本工程使用的材料机械的质量，必须对原材料在采购时就进行控制，拒绝使用劣质产品，作统一标识，所有标识均应建立台帐，作好记录，使之具有追溯性。

2.3 计量、检测及试验

       在工程施工中，试验检测工作尤为重要，施工单位必须重视此项工作，因为它是对工程质量进行检验和验证的关键性环节和手段。针对整个项目，施工单位应按照现行的有关工程施工验收规范和标准的规定执行。

6.4 技术资料信息的收集管理

       资料管理是在施工过程中不可或缺，对工程质量有一定的说服力，因此资料也是质量控制和质量保证体系的关键一环，是反应管理水平极其有效的证据。所以，在收集各种施工资料的时候要注意检查各种检查记录是否完整，检查日期是否与试验报告、施工日志同步，各种施工记录与施工日志是否一致。质量记录是否涵盖整个工程，与检查记录是否能对的上。各份报验单与技术资料是否契合，以便确保整个工程资料的完整性、真实性和可追溯性。

7 结论

       质量问题斑驳复杂，而建筑工程项目质量控制更是任重而道远，切实做好施工现场的质量控制是整个建筑行业不懈努力地追求。工程质量大如天，做好质量工作，不管是对人民、对社会，还是对参建单位本身都有不可推卸的责任。







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