煤炭与化工
Coal and Chemical Industry
第43卷第12期
变速箱试验台2020年12月
Vol.43 No. 12
Dec. 2020
机电与自动化
刘先弊1，甘勇2，刘国旺彳
(1.开滦集团矿业工程有限责任公司，河北 唐山063000； 2.广州南方测绘科技股份有限公司唐山分公司，河北 唐山063000；
3.开滦 傑团)有限责任公司唐山矿业分公司，河北 唐山063000)
摘要：地表沉陷监测是煤矿开采，尤其是“建下”开采的一项重要工作。为了提高监测的 密度和保证数据质量，特别是在现场环境条件受限的条件下，需改变传统监测方式和监测手
段。针对这些问题，以开滦唐山矿为研究对象，引入北斗卫星导航系统，运用静态观测后差
分技术实现对地表沉陷监测数据的获取、传输、解算、分析全自动处理，并可通过网页随时
浏览、打印结果。实践表明，该技术实现了煤矿开采地表沉陷监测的智能化，应用效果良好。
关键词：压煤；地下开采；北斗卫星导航系统；差分；地表沉陷；智能监测；4G 通信中图分类号：TD76
文献标识码：B 文章编号：2095-5979 ( 2020 ) 12-0088-05
Intelligent monitoring of surface subsidence in mines using
Beidou satellite navigation system
Liu Xianye 1, Gan Yong 2, Liu Guowang 3
(1. KaUuan Group Mining Engineering Corporation Ltd., Tangshan 063000, China; 2. Tangshan Branch, Guangzhou Southern Surveying and Mapping Technology Corporation Ltd., Tangshan 063611, China; 3. Tangshan Mining Branch, Kailuan (Group)
Corporation Ltd., Tangshan 063611, China )
Abstract : Surface subsidence monitoring is an important task in coal mining, especially under construction. In order to improve the monitoring density and ensure the data quality, especially under the restricted environmental conditions, the
traditional monitoring methods and monitoring means need to be changed. To address these issues, the BeiDou satellite navigation system was introduced to Kailuan Tangshan Mine, and the static observation and post-diSerential technology was adopted to fully automate the acquisition, transmission, resolution, surface subsidence monitoring data was analyzed. The
practice showed that this technology realized the intelligence of surface subsidence monitoring in coal mining and had good
application eflect.
Key words : coal compression; underground mining; BeiDou satellite navigation system; differential; surface subsidence;
intelligent monitoring; 4G communication
0引 言
对地表及建(构)筑物的沉陷变形监测是“建
下”开采中的一项重要工作。常规的观测方法主要
是在采区上方建立地面观测站，用经纬仪或全站
仪、水准仪定期进行观测。但受人员、时间、气候 和现场地形地物等条件影响，存在易受外因干扰、
周期长、人力物力耗费量大等问题，难以满足技术 分析和指导生产管理的需要。随着全球卫星导航系统技术的发展，尤其是我国北斗卫星导航系统的建
成和开通，运用静态观测后差分技术可以实现对地 表沉陷的智能化监测。
1概况
开滦唐山矿建于1878年，由于开采历史和城 市发展的原因，形成矿井处于唐山市中心区域，使
得”建下”采煤成为煤炭资源开发和企业持续发展
的必选途径。矿井所属铁三区和新风井煤柱区的开
责任编辑：张彤 DOI: 10.i.2020.12.027作者简介：刘先牌(1964-)，男，江西遂川人，高级工程师。
引用格式：刘先傘甘勇，刘国旺.应用北斗卫星导航系统实现煤矿地表沉陷智能监测[J].煤炭与化工，2020 , 43 (12)： 88-92.
刘先弊等：应用北斗卫星导航系统实现煤矿地表沉陷智能监测2020年第12期
采工作面，距离矿井工业广场较近，其中井筒、风压机房和充填开采投料井等重要建（构）筑物关系到矿井安全生产和系统正常使用，必须确保安全。在采取充填开采、条带开采等有效保护措施的同时，还需对地下开采引起的地表沉陷情况进行连续监测，为技术分析和生产管理提供科学依据。
实施地表沉陷连续监测面临诸多问题：一是监测队伍紧张，难以长期安排一队测量人员负责连续测量工作，而且野外作业、内业工作量大；二是监测现场条件复杂，城区通视条件受限，监测区距离稳定 区较远，人工监测每次准备工作量大，尤其是高程控制测量；三是受交通安全、天气、气候的影响，难以实现不间断连续监测，采集数据有限。
通过分析研究，在唐山矿新风井工业广场区域实施自动化监测具有多方面的优势条件：一是开滦集团现有的平面控制网测量精度满足国家絵球定位系统（GPS）测量规杨絵球定位系统城市测量技术规砂的相关要求，高程控制测量精度满足三等水准测量精度要求；二是全球导航卫星系统信号接收技术先进可靠，Net S8+C型GNSS监测主机以我国北斗系统为主，并能兼容美国GPS和俄罗斯GLONASS导航卫星系统，实现“三星”系统数据同时参与解算；三是开滦集团原有的全球导航卫星连续运行参考站（CORS）通过升级改造，能够服务于唐山矿监测区域，保证监测数据精度。
2智能监测系统
智能监测系统由北斗卫星连续运行参考站、北斗卫星监测点和数据处理中心构成，如图1所示。
图1智能监测系统构成
Fig.1Composition of intelligent monitoring system
2.1北斗卫星连续运行参考站（CORS）
采用Net S8+C型GNSS监测主机，定位精度静态平面±2.5mm+1ppm，咼程±5mm+1ppm o 通过监测软件，利用24h以上静态后査分解算，平面和高程解算精度可以到达0.5mm，最小显示可以达到0.01mm，满足监测等级要求。数据传输可通过网络进行数据传输和远程控制，满足CORS 长时间无人值守稳定运行的需求。
2.2北斗卫星监测点
根据需要，分别在井筒、风压机房和充填开采
2020年第12期
煤炭与化工
第43卷
投料井旁建设一类卫星监测点（图2），基础埋深
至冻土层以下0.5 m o 每个监测点安装北斗系统接
收机、天线（三系统七频测量型天线）、GPRS 数 据传输模块和太阳能供电等设施。
图
2 —类卫星监测点位置
Fig. 2 Location of a class 1 satellite monitoring point
2.3数据处理中心
数据处理中心即变形监测系统（简称SMOS ）, 由变形监测采集端、变形监测处理软件、变形监测
服务器和变形监测客户端组成。
客户端采用网页云平台的方式，后台统一部 署，用户无需进行安装部署。根据管理员提供的账
号信息进行登录，验证通过后进入主页，主页界面 显示的是当前用户所管理的所有平台的地理位置信
息。具有展示现场的设备信息、实时数据信息、历 史数据查询（包括历史数据曲线，报表导出）、预
警信息査询等功能。
2.4二类监测点
为了对监测区域地面沉陷更加全面监测，在一 类监测点的基础上又设置了二类监测点，二类监测
点采用定期人工短时间测量的方式进行监测O
沿建设南路、南湖大道、大学路呈十字型布设 4条监测线，以40 m 的间距沿着监测线布设二类 监测点，4条监测线分别布设10个监测点，共计 40个。各个点位布设在道路的近边缘处，方便査
和保存。
二类监测点采取人工获取监测数据，可以单独
解算和分析，也可以加入到一类监测点监测数据中
一并进的算、分析。
3精度检核
3.1
CORS 精度检测
采用三脚架对中整平，银河1型接收机设置网苒苒草
络模式后与CORS 连接测量控制点测量和快速 静态测量两种方式进行验证。采用此办法测量唐山
矿A 区内4个点和B 区内6个点，再将测量结果
与旧坐标进行比较。参照CORS 的精度指标，检测 结果精度符合指标要求，满足日常工作需要。
3.2 一类监测点的检核
分期利用其他GNSS 接收机替换一类点观测墩 上的天线进行静态观测，然后对比两个仪器的观测
数据，不符值限差为2倍水平位移中误差。高程测 量精度利用水准测量方式检核各期测量间的高差,
与自动观测数据对比，不符值限差为2倍垂直位移 中误差。
根据自动化监测与GNSS 接收机手动测量数值
对比，最小差值为0.05 mm，最大差值为0.47 mm, 满足水平位移观测精度要求。
自动化监测与水准测量数值对比，最小差值为
-0.12 mm，最大差值为0.61 mm，满足高程沉降观 测精度要求。
通过对监测站边上预设的检核点进行水准测
量，检核监测娜的可靠性，误差在-0.5 ~+05 mm 。
检核结果表明，监测系统测量精度达到毫米
摄影箱级，满足规程要求。
4智能监测情况
4.1井下开采工作面
监测区域井下共有3个开采工作面，如图3所
示，具体情况见表1。
表1开采工作面情况
Table 1 Mining working iace
工作面
参数开采方式开采时间与监测点关系
F5001工作面标高-582.2~—706.0 m, 煤层平均倾角11。，煤厚平均2.2 m 肝石充填开采2016.10 ~ 2017.9
位于三个一类监测点的东北侧，距离一号点420 m,
距离二号点605叫 距离三号点700 m F5002
工作面标高-582.0—-709.0 m, 煤层平均倾角13。，煤厚平均2.4 m 肝石充填开采2017.11 ~ 2018.12位于三个一类监测点的东北侧，距离一号点270 m,
距离二号点455 m，距离三号点550 m F5009
工作面标高-573.5—-772.2 m, 煤层平均倾角19。，煤厚平均2.7 m
顶板垮落法开采
2018.1-2019.6
位于三个一类监测点的西南侧，距离一号点570m,
距离二号点365 m，距离三号点385 m
刘先弊等：应用北斗卫星导航系统实现煤矿地表沉陷智能监测2020年第12期
图3监测点与工作面位置
Fig.3Location of monitoring point and working face
4.2地表沉陷监测结果
血栓疏通机器是真的吗通过在SMOS变形监测系统的客户端平台，选定监测设备和任一时段，系统会调取该观测时段的数据库信息，进行自动分析解算，解算出监测点X、Y、Z三个方向上的移动数据，并通过数据过滤和计算，就可得到监测值。以智能监测系统建成使用的2018年11月观测数据为基准，计算各监测点沉陷变化情况，见表2。
4.3监测数据分析
从上述监测数据可以看出，监测点］（监测风井）在2019年下沉速率为-0.31mm/月，平面移动速率为0.25mm/月；2020年下沉速率为-0.4 mm/月，平面移动速率为0.39mm/月，移动方向指向F5001和F5002采空区方向。监测点1移动因素主要受F5001和F5002这两个开采工作面的影响，2020年移动速
率较2019年有所变大，原因可能与监测点距离这2个工作面更近有关，但这2 个工作面的开采方式为充填开采，开采后用筛选出的肝石回填采空区，减弱了地表沉陷变化，未对风井的安全正常使用产生影响。
监测点2（监测充填投料井）在2019年下沉速率为-0.34mm/月，平面移动速率为0.91mm/月；2020年下沉速率为-0.05mm/月，平面移动速率为0.26mm/月，移动方向指向F5001和F5002采空区方向。监测点2移动因素受F5001、F5002、F5009三个开采工作面影响。监测数据显示，该监测点2020年相比2019年平移和下沉速率明显减小，可能与F5009工作面为条带开采有关。充填投料井也一直保持着正常的安全使用。
监测点3（监测风压机房）在2019年下沉速率为-0.77mm/月，平面移动速率为0.96mm/月; 2020年下沉速率为-0.24mm/月，平面移动速率为0.31mm/月，移动方向指向F5009采空区方向。移动因素主要受F5009开采工作面影响，但2020年相比2019年平移和下沉速率明显减小。风机房一宜保持着正常的安全使用。
从地面实地勘察情况看，地表没有发生明显沉陷变化，与观测结果相吻合，达到开采设计预期效果。
根据监测数据及上述分析表明，3个一类监测点能够精确反映地表沉陷变化情况，满足地表沉陷监测的需要，提高了监测工作效率和质量。通过使用地表沉陷智能监测技术，每年可以节省人工观测费用qam调制器
约100万元。
2020年第12期煤炭与化工第43卷
表2—类监测点监测数据变化情况
Table2Changes in monitoring data of the first class monitoring points
时间
监测点]监测点2监测点3 AX/mm A Y/mm AZ/mm AX/mm A Y/mm AZ/mm AX/mm A Y/mm AZ/mm 2018.11000000000 2018.12 2.34 2.56-0.130.070.05-1.230.260.230 2019.01 2.55 3.21-0.220.070.12-1.650.050.11-0.65 2019.02 2.59 3.33-0.35-2.170.11-2.20-0.20-0.10-0.84 2019.03 2.21 3.52-2.05-2.40-0.43-2.33-0.32-1.58-0.86 2019.04 1.71 3.98-2.96-2.63-1.38-2.39-0.45-2.99-2.05 2019.05 1.28 4.14-3.11-4.27-2.65-2.66-1.72-3.26-3.84 2019.06-0.49 2.12-3.25-5.76-3.33-2.7-3.17-3.84-4.33 2019.07-0.57 2.44-3.30-7.36-3.95-2.9-5.00-3.99-4.58 2019.08-0.89 2.61-3.30-7.81-4.33-3.23-6.84-4.66-4.86 2019.09-0.54 2.11-3.41-&45-4.59-3.54-4.79-7.32 2019.100.48 2.44-3.50-9.63-5.17-3.82-9.47-5.06-9.14 2019.110.75 2.57-3.90-9.80-5.83-3.82-10.44-5.42-9.51 2019.12 1.18 3.01-4.09-10.01-6.38-3.96-11.14-5.51-10.02 2020.01 1.43 3.36-4.81-10.05-6.89-4.07-11.68-5.66-10.26 2020.02 1.59 3.47-5.45-10.19-7.38-4.12-11.91-5.74-10.45 2020.03 1.61 3.51-5.67-10.22-7.45-4.16-12.16-6.06-10.66 2020.04 2.12 3.90-6.16-10.14-7.75-4.18-12.55-6.17-11.29 2020.
05 2.87 4.21-6.40-10.27-7.92-4.13-12.86-6.38-11.66 2020.06 3.08 4.30-6.62-10.31-8.30-4.13-12.84-6.62-11.88 2020.07 3.62 4.36-7.12-10.39-8.42-4.09-13.22-6.86-11.99 2020.08 4.10 4.48-7.51-10.51-&51-4.21-13.31-6.87-12.11 2020.09 4.32 4.63-7.69-10.67-&65-4.39-13.50-7.00-12.21
5结语参考文献:
缓冲块基于北斗卫星导航系统的煤矿开采地表沉陷监测技术，实现了数据获取、传输、解算、分析和浏览的全自动处理，提升了地表沉陷监测技术。监测系统数据准确可靠，测量精度达到毫米级，具备了煤矿开采地表变形智能化、高精度连续监测的能力。实践表明，地表沉陷智能监测技术具有扩展性和推广应用潜力。[1]GB/T12898-2009，国家三、四等水准测量规范[S].
[2]GB50026-2007，工程测量规范[S].
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(上接第35页)
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