基于高精度北斗衛(wèi)星定位的礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)

張 銳

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司,山西 太原 030012)

0 引言

礦山安全歷來是我國安全生產(chǎn)的重中之重。近年來國家持續(xù)加大防范力度,但坍塌事故仍然時有發(fā)生。2023年2月,內(nèi)蒙古阿拉善盟左旗新井煤業(yè)有限公司的一個露天煤礦發(fā)生了大面積坍塌事故,現(xiàn)場坍塌超1000萬m3,給人民生命財產(chǎn)安全造成了重大損失,給許多家庭帶來了巨大的悲痛。2023年是全面貫徹落實黨的二十大精神的開局之年,國務院總理李克強作的政府工作報告中,鮮明提出要更好統(tǒng)籌發(fā)展和安全,并對安全生產(chǎn)監(jiān)管和防災減災救災工作提出明確要求。

在煤礦露天開采過程中,隨著采掘工作的進行,土堆在礦坑邊逐層堆疊,螺旋向下,礦坑形狀為倒金字塔型的斜坡。向下挖采逐漸加深,邊坡不斷增高,形成超高、超陡邊坡,結合持續(xù)降水、車輛荷載、爆破作業(yè)等多種因素影響,邊坡穩(wěn)定性就會進一步弱化,容易造成滑坡、坍塌等。邊坡失穩(wěn)是造成安全生產(chǎn)事故的重要因素,為避免事故的發(fā)生,建立完善的邊坡監(jiān)測體系,對不穩(wěn)定邊坡進行24小時實時監(jiān)測刻不容緩。2023年2月27日,國家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布文件《國家礦山安全監(jiān)察局關于開展露天礦山安全生產(chǎn)專項整治的通知》中要求:圍繞控大風險、除大隱患、治大災害、防大事故目標,全面排查露天礦山安全風險,扎實開展重點露天礦山安全“體檢”。礦山治理環(huán)境復雜,影響因素、誘發(fā)因素多樣,監(jiān)測實施前必須對監(jiān)測系統(tǒng)進行認真的設計,需要對礦山地表進行相對位移監(jiān)測、內(nèi)部位移監(jiān)測、地表傾斜監(jiān)測等[1-3]。

1 總體設計

本次研究設計的基于高精度北斗衛(wèi)星定位的礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)利用北斗高精度定位技術、傳感器技術、系統(tǒng)軟件技術、網(wǎng)絡信號傳輸技術,對礦山邊坡的位移、地下水和降雨量等情況進行實時監(jiān)測,通過多種數(shù)據(jù)的融合分析,預測其失穩(wěn)的可能性和滑坡的危險性,并實現(xiàn)自動化多傳感聯(lián)動報警,同時積累歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),為礦山現(xiàn)場安防部門提前做出預警應急措施提供支撐保障,精準預防地質災害,規(guī)避災害風險,守護礦山安全,圖1為整體布局圖。

2 建設方案

2.1 系統(tǒng)架構

基于高精度北斗衛(wèi)星定位的礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸通訊子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)、輔助支持等子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容主要實現(xiàn)對礦山環(huán)境的監(jiān)測、山體表面及深部位移的監(jiān)測以及地下水監(jiān)測等功能,通過多種通訊系統(tǒng)、風光互補供電系統(tǒng)、工業(yè)級防雷防電系統(tǒng)及專業(yè)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析軟件完成對礦山的安全監(jiān)測[4],系統(tǒng)整體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構圖

1) 高精度北斗衛(wèi)星定位接收機

高精度北斗衛(wèi)星定位接收機可實現(xiàn)本地解算或者云端解算的毫米級的高精度定位,通過高精度天線接收和處理北斗、GPS等衛(wèi)星信號,實現(xiàn)本地毫米級終端解算定位,同時支持數(shù)據(jù)回傳到云平臺結合北斗地面增強系統(tǒng)進行聯(lián)合結算,實現(xiàn)毫米級后處理定位,分析被監(jiān)測物體的位移量及形變趨勢,持續(xù)對監(jiān)測物體位置狀態(tài)進行預警,實現(xiàn)24小時全天候無人值守監(jiān)測[5]。該設備通過接收、跟蹤、變化和測量衛(wèi)星信號,通過分析衛(wèi)星電文及對相關數(shù)據(jù)進行處理而獲得定位,并且解算獲取礦山邊坡的地表位移量與沉降位移量,為礦山邊坡提供毫米級地表位移、沉降位移監(jiān)測。

2) 固定式測斜儀

固定式測斜儀采用平衡式的伺服系統(tǒng),測量單元通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式,可以測量孔不同深度的位移數(shù)據(jù)。當傳感器探頭相對于重心方向產(chǎn)生傾角時,由于重力作用,其敏感元件相對于鉛垂方向擺動一個角度,通過高靈敏的換能器將此角度轉換為電信號,獲取礦山邊坡深部角度變化。該設備安裝在觀測人員不易到達的危險高邊坡上,觀測人員只要在觀測室進行遙測即可獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3) 振弦式滲壓計

振弦式滲壓計具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、溫度漂移小、零點漂移小、精度高、靈敏度反應快的特點,當被測水荷載作用在滲壓計上,將引起感應膜板的變形,其變形帶動振弦轉變成振弦應力的變化,從而改變振弦的振動頻率。通過測量鋼弦的振動頻率,再用校正系數(shù)推算出作用于感應元件上的壓力值,從而實現(xiàn)對地下水壓力的監(jiān)測,同步可測量埋設點的溫度值。

4) 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件采用了先進的卡爾曼濾波的算法來計算各監(jiān)測點的三維坐標,能實時進行載波相位差分觀測值解算,該算法不同于傳統(tǒng)的北斗單點定位解算,既滿足了實時、準實時解算需求,又大大地提高了系統(tǒng)監(jiān)測精度[6]。

2.2 系統(tǒng)特點

1) 由于礦山地處偏遠無網(wǎng)絡信號,數(shù)據(jù)無法有效地通過5G傳輸,基于高精度北斗衛(wèi)星定位的礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設備增加了LoRa網(wǎng)關功能,進行數(shù)據(jù)中繼上傳,降低功耗,增加遠距離傳輸,在傳輸、解算環(huán)節(jié),不會造成數(shù)據(jù)丟失。

2) 北斗高精度定位終端配合多傳感器實行布點監(jiān)測,形成完整的監(jiān)測剖面和監(jiān)測網(wǎng),成為系統(tǒng)化、立體化的形變監(jiān)測系統(tǒng)。

3) 各監(jiān)測點提供全天候的監(jiān)測數(shù)據(jù),實時掌握礦山邊坡的安全狀態(tài),系統(tǒng)根據(jù)不同閾值觸發(fā)進行預警,系統(tǒng)能及時以短信、郵件和平臺頁面發(fā)出報警信息。

4) 基于高精度北斗衛(wèi)星定位的礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時快速對邊坡區(qū)域做出評價,為管理人員和相關專家規(guī)劃場地建設提供決策依據(jù),并實現(xiàn)基礎資料管理,歷史資料存檔,為礦山邊坡的安全管理提供真實直觀的參考信息。

3 總結

本項目的研究以北斗定位核心技術為依托,針對礦山監(jiān)測的行業(yè)特點,通過設計基于高精度北斗衛(wèi)星定位的礦山安全監(jiān)測系統(tǒng),解決了礦山行業(yè)大范圍全覆蓋監(jiān)測、實時監(jiān)測、精準預警的難題,有效的進行災前隱患點精準識別,可以全面提高礦山企業(yè)安全監(jiān)管水平,增強企業(yè)、社會、政府對于災害的預警響應能力。