采动动态地裂缝发育特征监测装置的设计与应用

刘秀伟

（贵州省地质环境监测院，550004）

0 引言

由于目前煤炭开采频繁，大规模开采不断，造成了许多地表损伤，而地裂缝就是显著伤害之一。地裂缝的不稳定因素极易引发附加性的矿难，不仅如此，地裂缝更会对土地的原生态环境造成影响与破坏，贵州省的一些地区生态环境就受到严重影响脆弱且易破坏。而对于此种情况，我们应尽量避免其在不可避免的情况下发生，所以，开展地区地裂缝发育动态过程监测研究及定量研究的装置设计具有显而易见的需要意义。目前对于采动动态地裂缝的监测装备比较落后，因为多利用于现场监测来获得地裂缝的空间分布状态，而不能掌控它的发育变化的数据提供参考，根据此情势，需要设计研发一套简易并且易携带的裂缝监测装置，让其在此类监测中发挥作用。

1 采动动态地裂缝监测装置系统的设计

1.1 装置设计出发点及其原理

据开采沉陷学的理论来推测，当地下煤层被开采出后，必将引起地表不规则的变形，也会造成地表的拉伸产生地裂缝。而随着采矿作业挖掘的进行，地裂缝随着作业会呈现不同程度及方位的扩张与挤压造成的闭合两种特征，鉴于此，就必须在地裂缝的两端采取指示装置的安装措施，以根据地裂缝在水平方向及垂直方向的同级位置移动的变化情况就可以对地裂缝发育特征进行肯定的定量叙述。

1.2 监测装置需要解决的问题

根据对贵州一些地区动态地裂缝的最初形成状态实地调查研究可以得出，在最初形态下裂缝宽度仅有1至3毫米，比较不易被发现，而采掘工作的持续进行却会加剧地裂缝的扩张趋势，再加上区域内天气降雨等自然环境因素的影响等造成地裂缝的形态发展迅速，形成不必要的损失隐患，而这些自然因素及采动因素无疑都会使监测地裂缝发育过程的进程进一步难以发展。所以系统监测装置时应首要考虑此类关键问题，如监测系统的监测数据必须准确而迅速的将地裂缝在采动过程中的发育变化即时的反映出来。并且在系统监测过程中应尽量精确，减少测量度的误差，准确的表达所产生的数据。

1.3 监测装置的主要构成部件

图1 裂缝位移监测总体方案框图

通过图一表示是可以看出裂缝位移监测仪的基础构造组成部分是由线性位移传感器来测定裂缝的位置移动变化，而经过装置程序将裂缝移动的实际位移测量值转换成电压信号来保证上面装置的接收。而原始位移电压信号经过滤波，放大等一些列系统程序，调整电路，并且将其信息传输进入AD转换器进行转换，在转换为数字信号后，再经过STM32微型控制器收集所收到的信息，并且照系统设置处理完毕后直接送入显示器。在将数据存入本地磁盘的同时，还可以通过无线传输模块设程将所确定的信息直接传输进入控制中心。准确的运行实现了对裂缝位移的远程监控自动化。

其主要构件的详细构成部分为：

（1）选用KTC系列线性式位移传感器。此设备可以在被测裂缝发生变化时，直接带动线性位移传感器拉杆产生与裂缝同步的位移，同时可知己转换模块并传递给滑动式电阻器，电阻器将物理量转换成电信号量，然后经过电缆传输到检测主机位置，通过此一系列完成对裂缝位移变化的感知。

（2）传感器恒流电路及继电器驱动电路。此装置为更好的使位移传感器的位移变化信号更好的进行远距离长距离的传输，在设计此装置时，采用图2方法进行供电，更好的保证了位移监测设备的稳定性及执行性。并且为了防止设备部分构建收到外部干扰而出现问题采用了继电器驱动电路。

图2 传感器恒流源电路设计图

（3）信号调理电路设计及微控制器电路设计，这两种电路设计很好的起到了电压隔离及让裂缝变化的位移信号以缓变得直流信号进行传输，并选用低通滤波电路滤除传感器位移信号中的高频干扰。而且监测系统为不使监测仪系统在未连接传感器时数据显示清零，还将电路中的放电电阻设置为了100kΩ ，更好的确保了设备安全稳定放心的运行。而作为裂缝位移监测仪的核心控制部分的微控制器，则用了最先进的技术及设备组成，系统电路也比较安全可靠，可自动定时完成采集任务，发挥其自动化的优秀特征。并采用了GSM网络实时将数据发送到监控中心，实现远程监控的主要目的。

通过对以上信息的了解我们可以看出，裂缝位移监测仪的设备及系统都能更加完善的提供监测所需数据，为采动动态地裂缝的发育特征位移变化监测提供了很大便利。

2 监测设备的具体使用方法

通过坐标控制系统的坐标信息，寻找到刚产生的地裂缝，并且及时布置该监测装置，来获取裂缝在采动动态下的变化数据，得到所需要的数据情报。裂缝位移监测仪使用方法具体为：

（1）首先要确定监测对象，根据采掘工程平面图来确定地裂缝的具体位置并在合理位置放置线性式位移传感器。确定安装固定稳定。

（2）因为裂缝位移监测仪装置多为自动化装置系统程序，所以，将设备放在固定位置，连接线路，将设备照程序安装应用，其程序软件系统及自动化运行装置就会开始运行测量数据。工作人员应在设备主机前实时或定时观察所监测数据，以保证所需数据的准确性及需要数据的及时性。

3 裂缝位移监测仪的模拟实验

研究人员在完成裂缝位移监测仪的硬件焊接及软件系统编写后及时对该设备进行了室内的模拟实验，实验过程为：将裂缝位移传感器连接在监测仪的通道1上，然后初步模拟唯一的变化，在不断拉动位移传感器的拉杆的同时用万用表和裂缝位移监测仪测量传感器得瑟输出电压，得出最后的实验测试数据如下图所示：

?

从表1的实验数据可以得出以下结论，自行研制的裂缝位移监测仪相比较万用表的测量数据并没有多大误差，误差值最大只有1.2mv，完全可以满足实际操作裂缝位移监测仪时的监测结果需求。对于采动动态地裂缝发育特征的监测也能达到预期效果，提供可靠的数据信息，保证对监测信息的准确性，为相关工作提供更大便利。而在裂缝位移监测系统在野外的应用实验操作过程中，找到了一个真实裂缝，并根据裂缝的开裂程度布设了5只两项的位移传感器来进行对地表裂缝的监测程序。而且在现场布置检测仪器时采取了太阳能装置来确保监测系统长时间工作。而经过实地的实验结果表明，监测系统监测的裂缝位移并没有发生什么显著变化，而该设备与相比设备的共同结果更进一步确定了裂缝位移监测仪的准确性。

4 结语

本文对于我贵州地区土地裂缝的发育特征及过程中数据问题的缺失问题进行了一系列讨论，并详细描述了监测装置的功能及使用方法，及其后数据的信息采集方式。相信不久的将来地裂缝的监测装置将得到更大的应用和普及，以实例研究成果及发育规律深度做更深课程的探讨，此装置作为地裂缝监测的新发展，有望在其他矿区也得到很好的发展空间及应用，为采动动态裂缝发育特征及监测做出进一步的改善贡献。

[1]王新静.胡振琪.杨耀淇.王培俊.郭雨明.采动动态地裂发育特征监测装置的设计与应用[J].煤炭工程2014（03）

[2]张晓飞.郝文杰.张青.史彦新.孟宪玮.韩永温.基于STM32的裂缝位移监测系统[J].微计算机应用2011（05）

[3]徐友宁;李智佩;陈社斌;陈华清;袁汉春;;大柳塔煤矿采煤塌陷对土地沙漠化进程的影响[J];中国地质;2008年01期

[4]任建国;大同市地裂缝分布及防灾对策[J];大同职业技术学院学报;2004年02期

[5]王秀艳;王金哲;臧逸中;韩双平;陈江;李向全;;衡水地区地裂缝空间发育特征与地下水位降深关系[J];地球科学进展;2006年04期

[6]陈红旗,黄润秋,彭建兵;与地震相关的西安地裂事件的全过程研究[J];工程地质学报;2003年04期