岩土工程计算机实时监测系统的应用研究.pdf

④ 灶 耀 旧 l 第1 5 卷 第2 期 岩石力学与工程学报 V o t 1 5 No 一2 1 9 9 6 1 9 9 6 年 6月 i n e c e Jo u r n a l盯 Ro c k M c h a n i c s a n d En gi ne e r i ng 1 5 1 9 96 , 1 7 8 -- 1 85 f ] 一 f 岩土 - r 程计算机实时监测系统的应用研究 兰堕 天肆表 学天津3 0 0 0 7 2 土 山东矿业学院泰寰2 7 1 0 1 9 1 j k 提要论述现代化岩 土工程监测系统的技术特征及基本功能 ， 给出系统原理框 图及层次结 构．以谐振弦式传感器为基础， 研究其理论设计依据及现代测试技术 分析丁两太类传输体 制 ． 设计了相应 的系统硬 件及软件 ． 并给出系统在顶板来压监测预报、煤体支承压力分布研 究、地音监测及冲击地压预报、 综采支架工况监测等岩土工程领域中的应用实例 关键词监溺系统， 谐振式传感器， 澳 I 试拄术， 传输体制， 撷板预报、 地音监测 1 引言 当前 在岩土工程领域 ，无论是 长期安全监测还是科学研 究的需要 ，对监测系 统性 能要 求越来越 高。归纳起来 ，系统技 术特征主要表现在“ 五 化” 1 监测参数多样化 ； 2 参数 传感器 数字 化 ； 3 测试技术智 能化 ； 4 信息传输 处理实时化 ； 5 系统结构 网络化 。本 文论 述的岩土工程用计算 机实时监 测系统 ， 代 表 了这一发展趋势 。文 中从 传感 器、系统结 构 、传输体制 、分站 、中心站，软件等方面 进行论述 ， 并给 出实际工程的应用实倒 。 2 监测系统基本功能及原理框图 现代化岩土工程监 测系统的基 本功能有 1 1多通道多参数自动连续监、测及记录功能； 2 局部集 中、总体分散式智能型信息传输网络功 能 ； 3 参数 自适应测试及信息实时处理功 能 ； 4 信息融合、 特征揭示及机理识别功能； 5 对监测对象 准确和及时预警功能 ； 6 优化监测信息管 理及分 析决 策功 能 ； 7 专家系统功能 。 特定 的监测系统功 能是上述功能集的子集 ，系统原 理框 图及 层玖结构 分别 如图 l a 、图 l b所示 。 系统 的基础 层是 传感 器 ，实现被测 非 电量 如压 力、应力 、载荷 、位 移等 到 电量的变 换 。中间层是分站 ，完成参数采集和传输功能 核 心层是信息处理 中心站 ，由微机 系统和 传输控制系统组成， 对信 息进行接收、处理、存储、输出． 并具有自诊断功能。 】 9 9 5 年 2 月 2 5日收到初稿 ． 1 9 9 5 年 7月 3日收到修改稿。 维普资讯 凫等 { 川 汁算机 拭{ l t 峨 删系统 帕 川研 究 I皇 1l 监测 系统 麒 Fi g l aFunc tional b l oc k di ag r am 】 f t he m on i t or i ng s ys t e n 3 谐振 弦式传感器及其现代测试技术 3 ． 1 传感器信号制式选择原则 f | 感 器 传 感 传感 器 基 层 传感 措 L b 系统l 王 构 bl lay e r f J J H u f e【 】 f t h 传感器是监测 系统 的基础 ．其性 能将直接影响到整个 系统 。传感 器信号制式 的选杯D 则 是 优 先选 择频 率 型 ， 其 次 是 电流 型 、电 压型 等 在岩 土工 程额 域 中 ． 应 加 强 设 计 和 - - 谐 振 弦 式 传 感 器 。其突 出优 点 是 1 输 出信号 为频率 型信 号 ，可实现 高精 度 J 量 ．并且 会 传输而 降低精 腰 ．．． i． 于远距 离传输 ； 2 可不经 A／ J 转换而方便地与计算机连接 ， 具 有数字 传感器特 征； 3 整体式 牢固的机械结 构 ，可稚性 好 ． 长期稳 定性也 好。 ‘ 3 ． 2 谐振 弦式传感 嚣设计依 据 以竖式结构谐 振弦式压 力传感器为倒 ，其周边 固定的承 压圆平膜 片的中心挠度 1 不 带 硬 中心 膜 片 一 ， l 2 带 硬 中 心膜 片 。 一 c 一 等一 妄tn ． 式 中 膜 片半 径 一 磋中心半 径 E 膜 片材料的弹性模量 膜 片 r ． 膜 片材 事 } 的 泊 松 比 ； r 膜 片承 受 的 压 力 统起 见 ， 记 ．． 其 中 K 是常 数 在 1 作 用 下 ．振 弦 引起 的 附 加 纵 向 变 形 于 ，令张 紧的均匀 性 弹性 轻弦作 微幅横 向振动 ．经推导可得出 卜 ， 式 中 ， - - 当 一0时的频率 ； 振弦工 作 } ∈ 度； 弦体密度 ； E 弦材料 的弹性 女 } 晕一 一 翌 一绁 舒 心 厨 维普资讯 岩石力学与工程学报 1 9 9 6 年 传感器 的灵 敏度 d ， d 2 8 。 可见 ， ， 一 特 性及灵 敏度特性均是 非线性的 适 当选取膜 片及弦 的材料 和尺寸 需要 的灵敏度 。 3 ． 3 谐 振弦 式传感器现代测试技术 可获得 所 3 ． 3 ． 1 利用单 片机 实现频率信号 的多倍周期测量方法 传感器输 出的频率信号经放大 、整形后 ，接入 Mc s 5 l系列 单片机的 T o 引脚 。令 T。 为计数器 ，工作于方式 l ， 作 为周期数计数器 ， 对频率信号 ，的下 降沿 加“ l ” 计数 ； 令 T 为 定时器 ， 工 作于方 式 l ， 作 为参考脉 冲数计数 器 ， 对 ， 加“ l J ， 计数 ，其中 ， 一， ／ 1 2 ， ， 一是 单 片机晶振频率 。在单 片机 控制 下 ，在准确 的 mT 是 正整 数 ， T 一 1 ／ y 时 间间隔内 ， 参 考脉冲计数器对 计数。 设计数值为 Ⅳ， 则 从而 误 差分析 绝对误差 相对误 差 m Ⅳ i i f ， 一 篆 Ⅳ 一 号 一 Ⅳ 孚一 等一 可见 ， 增 大 m、， 可提 高测 量精度 。 3 ． 3 ． 2测量分辨率 测频分辨率 一 而1 测压分辨率 。一 式 中 { l ， ，， 0 一 l ／ S 。 5 6 r 7 8 9 1 0 基本 的振弦式传感器 的分 辨率是 无限的 ，采用多倍周期 测量技 术后 ，选 择适 当妁 ， 、 m，可实现高分 辨率 测量 3 ． 3 ． 3 静态综合误差 合成 方法 在 静态标定试验 中，设对振弦式传感器输 入量 盖共分 档 “一 l ， 2 复标定 。对每标定档 z 。 ，得到 m 个输 出值 。 j一 1 ，2 ，⋯ ， m ， 从 而有 一 ，0 ‘ ， 。 ， 1 ， ⋯ ， Ⅱ 其中 。 ， 。 。 ， 以 是未知参数 ， e O ． ≠J 相互独立， 且 q ， ～ Ⅳ 0 ， 。 利用逐 步回归方 法进行 多项式 回归分析 ， 得 估计 值 6 ， 其 中 6 ， 是 的最小二乘估 计 第 档的随机误 差 一 ∑ 。j 式中 一 ∑ ” ， ， 进 行重 1 1 1 2 1 3 维普资讯 第1 5 卷 第2 期 崔 玉 亮 等 岩 土 工 程 计 算 机 实 时 监 测 系 统 的 廛 堕 第 档 的系统误差 A C , ， 一 由各档随机误差 合成综合随机误 差 一 由各 挡系统误差合成综合 系缆误差 综 合误差 S 号 ∑ 研 √ 4 监测系统传输体制及硬件设计 1 5 1 6 1 7 4 ． 1 传输体制 现代化监测系统信息传输体制主要有两大类 ， 一类是额分多路传输体制 简称 I 类 ． 另一类是 时分多 路传输体制 简称 Ⅱ类 对 r 类 传输 体制 ，各路 信号 分别被调制到不 同频段上 同时传输 ，在接 收端 解调 出各路 信号 ，实现信道的频率划 分 。 对 I类传 输体制 ， 现 在基本上都采用数字传输方式 。该方式又分基带 传输方式和 额带 传输方 式 基带传输 中，宜用光 电耦 合 电流传输方 式或平衡 隔离 传输 方 式。频 带传输 中 ， 多采用数字调额方式 。 4 ． 2 监测系统 硬件设计 4 ． 2 ． 1 I类系统 分站原理框 图如图 2 所 示 。 谐振 弦式传感 器输 出的额 率信号 ，经适 当分额后成 为 5 Hz ～ J 5 Hz统 一调制 信号进 行 调 制发送 。对 其它类 型传感器 输 出为 电压、电流或 电阻 ， 则 需加输入模 块 、V／ F转换器 等 。 中心站原理框 图如图 3所示 。 4 ． 2 ． 2Ⅱ 类 系统 系统框 图如图 4 所 示。 对 基带 NRZ编码传输 系统 ， 通 讯接 口为光耦 或平衡 隔离传输接 口；对数字 调频 式频 带 传输 系统 ， 通迅接 口为 MODE M 。 5 实时监测系统软件设计 既 可以在多 任务 实时操作系统环境 中开发 系统 软件 ，也可 以在 MS--DOS环境下 ，通 过二次开发 ，建立多任 务内核 ， 使其具 有前后 台工作能 力。带智能 型分 站实时监 测 系统软 件菜单一般层次结构 如图 5所 示。 维普资讯 l 8 2 岩石力学与工程学报 1 9 9 6 图 2 分站撅理框图 F／S．2 Fun ct i ona l bl oc k di a gr a m of t he s ub st a t i 0 n 传输 线 传 输 线一叵一匝 卜 匹 匝 圃 传感器 图 3中心站 原理 框图 Fi g．3 Funct i on al b l ock di a gr a m 。f t he c en t r a l s t a t i 0n 一 鱼 片 机 一 系 I ． ． ．． ．． ．． __ 统 EPROM 图 4系统框 图 Fi g 4 Bl oc k d i a gr a m o f s ys t em 国 图 5 系统软件菜单层次结构 Fi g 5 La ye r s t r uc t ur e of t he s y s t em s 。f t wa f e m e nu 维普资讯 第1 5 卷 第2 期 崔 玉 亮 等 岩 土 工 程 计 算 机 实 时 监 测 系 竺塑 垦 里 翌 塑 6 工程 应用实例 6 ． 1 顶板 来压监测预 报 6 ． 1 ． 1意 义 我 国煤矿顶板死亡事故 约 占总死亡 事故 的 4 o ％， 而 回采工作面顶板死亡事故叉 约占顶 板死亡事故 的 8 0 ％ ，对 回采工作面 中坚硬顶板 实旖监测预报 ，可实现安全高效 生产 ，具有 重大的社会经济效益 。 6 ． 1 ． 2 监 测 方 法 在工 作面上下顺槽 煤壁前方 附近 布置监测顶底板 移近速度 的测 区 每个测 区布置 d ～6 台高 分辨 率大 量程锕 弦式位 移传感器 ，问距 3 m～5 m，随工作 面推进将 靠近煤 壁 2 m 左 右 的位 移传感器 移设 至前方 。 传感器 与分站相连 ， 通过 传输 线将信号传至地面 中心 站 ，由计算机计算 移近速度 并储 存 。在计算机控制下 ， 实现 自动定 时检测 。 6 ． 1 ． 3 预报机理 以监测 系统获得的数据为基础， 利用模糊数学理论 ， 建立煤矿超前巷道顶底板相对移 近速 度变化 的戒 下隶 属 函数模型 ，确定判别前 兆异常的无 量纲 的阁值 ， 根据异 常次数作 出 来 压预报 。初压和周 压分 别 出现 3次和 2次异 常 ， 据 此进 行预 报 ，如表 l所示 。对 坚硬 顶 板 ， 预报可提前 4天左右 ，对 中硬顶板 ， 提前 l 天 ～3天 表 1 顶板来压预报信息表 Tab l e 1 I nf or m at i on t ab l e f or t i l e p r e d| e t l o n o f r oo f pr e s s u re 异常情况 初次来压预报信息 周期来压预报信息 第一次 预报老顶将第一次断裂 预报老顶将从煤壁前方断裂 第二次 预报老顶将第二次断裂 预报老顶周期来 压 第三次 预报老顶初次来压 6 ． 1 _ d预报实例 在木城澜 矿千军台坑具有强烈初次和周期来 压的 1 0 槽煤工 作面及 杨村矿有 明显 初次 和周 期来 压的 l 6上煤层工 作面 ，成功 地进行 了 l 3次 顶板来 压预 报 ，其 中初次来 压 4 孜 ， 周期来 压 9 次 ，为保证工作面安全生产提 供了准确 的信 息 ， 受到现场欢迎 6 ． 2 煤 体支 承压力分布研 究 6 ． 2 ． 1 KGH一8 0 型 钻孔 测力计 KGH一8 0型钻 孔测力计 安 装在顺 槽煤体 中，监测 支承 压 力受采动影 响发 生 的变 化 ， 其结构示 意 图如 图 5所示 。前 端为带斜楔 的油压枕 ， 后边接 液压铜 弦测 力计 使用 时 ，莉 用 4 5 mm深孔钻钻孔 ，用 Ts l型推进器推动承压板措斜 楔前进 ，可与 孔的上 下壁紧密 接触 ，以反 映煤体 内受采 动而 引起 的压力变 化 。 一 维普资讯 岩石力学与工程学报 6 ． 2 ． 2 监 测 实 例 在千军 台坑 7 4 1 0 0 3工作面下巷 内 ，从煤壁前方 2 0 ． 5 m 处 ，依次安 装 4台钻 孔测力计 平 均间距 为 3 ． 3 m，工作 时间为 2 9天 1 锕弦测力计 2 樱块 3油压枕 图 6 钻孔测力计结构示意图 F ．6 Sc hema t i c di a gr a m o f bc r e hol s t r es s me t er 分析 所测数 据发现 ，工作面前方煤体 支承压力峰值 在 5 m8 m 范围内 ，支承 压力的剧 烈作用范 围达 到工作面前方 1 5 m 左右 ，明显作用范 围达到工作面前方 2 0 m左 右 。 6 ． 3 地音监测预报 6 ． 3 ． 1 基本原理 地音探 头拾取 的岩石 声发射 信号 ，通过分站 内的单 片机进 行就地处理 ，形成反映 声发 射额度的每分钟事件数、大事件数和反映其声发射频度的每分钟能率数 数据经传输系统 连 续地 传至地面 中心站 进行 处理 。由于 可实现地 音 自动连 续监测 ，为顶板 来压预报及 冲击 地 压预报提供 了有力的依据 。 6 ． 3 2 顶板来压预报 在 千军 台坑进行 8个月 的地 音遥 测 ，共获得 d次来压 的完整 资料 ，其 中直 接顶初次垮 落 1次 ，老顶周期来 压 3次 。 每次来压之前都有 明显的前兆 ， 表 现为事件数 大 事件 数及 能 率 数的 3 次平滑 曲线 上出现同步上升的双峰 ， 而在第 2十波峰 出现之后 约 l天 ～2 天 时间 与采掘推 进有关 来压发生 6 ． 3 ． 3 冲击地压预报 ● 在 华丰矿进行 3个月 的冲击地压监测 ， 发现岩体声发射信 息表现出 了特别 明显的冲击 地压前 兆 ，前兆过去 之后 约 2 4小时 冲击地压发 生 大的冲击地压之后 应力并未完全 消除 ， 还不断有余震及顶板下塌发生 ，仪器监测仍能清楚地看到余震前兆 。 6 ． 综 采支 架工况 监测 6 ． ． 1 意义 实时监测综采支架工况 ， 有 利 于及 时采取措施 ， 将事故 消灭在 萌芽状 态 ，并且可 以对 支护质 量进行准 确评 价 ， 有 利于保证 支护 质量 ， 提高 生产效率 6 ． 4 ． 2 监涮 内容及 实例 综采支架工况实时监测系统 ， 采用 Z G H一6 0 型钢弦式压力传感器， 对支架前探粱、 前 维普资讯 第 1 5卷第 2期 崔玉亮等；岩土工程计算机实对监测系统的应用研究 柱 、后柱 的阻力进 行 监测 在 鲍店矿 2 3 0 5 1工 作 面 ，共 监测 9 2点 ，其 中支架 9 0点 3 0 架 ， 泵站 2点 系统进行 6 个月的工业试验， 达到了预期 目的， 并通过了部级鉴定。 参考文献 崔玉亮； 高分辨率锕弦式位移遥测系统研究．电子测置与仪器学报，1 9 9 4 ； 8 2 3 1 --3 6 Gi o va nn i 。Fl a t a nd Cor r u ga t e d Dlap hr m De s i g n H且 n d 0 k．W a d s wo r t h Pu b Co mp．．Ca l L r n l a,1 9 8 2 F 7一 l 5 Ri c h a r d C． M e ye rA N e w d i g i t a l pr m a u r et r a r dd atmr／ S A Tr a i o n s，1 9 7 3 F 1 26 1 -- 6 7 Dr a pe r a nd S m i t h Ap pl i e d Ra g r e a i o n A n a l y s i J 口 h n W il e yLo n do n1 981 APPLI CATI oN STUDY oF CoM PUTER CoNTRoLLED REAL TI M E M oNI ToRI NG SYS TEM I N GEoTECHN I CAL ENGI NEERI NG Cui Yul i ang 伽Un i v e s i t y， ， m 3 0 fl fl 7 2 Y u Fe ng s h a n d o n q Mi n i n g I n t i S u t e ． T a i 口 2 7 1 0 1 9 Abs i r a c t The t e c hni c a 1 f e a t ur e s a nd f und a m e nt a l f un c t i o ns o f a m ode r n mo ni t or i ng s y s t e m f or ge o t e t h ni c al e ngi ne e r i ng a r e de s c r i be d． T he t he o r e t i c a l de s i g n a nd m ode r n me a s u r i n g t e c h n i q u e o f t h e v i b r a t i n g wi r e t r a n s d u c e x s a r e i n v e s t i g a t e d ． Two t y p e s o f t r a ns m i s s i o n s ys t e m a r e ana l y z e d and t he ha r d w ar e a s w e l l a s s o f t w a r e s o f c 0r r es pondl ng m o ni t or i ng s ys t e ms a l e de s L g ne d． The m o ni t or i ng s y s t e m o a n be u se d t o s ol ve m any pr o bl e m s i n ge o t e c hni c a l eng i nee r i ng ， s uc h a s r oo f pr e s s ur e m o ni t o r i ng a nd p r e d i ct i on ， s t udy o f ab ut me t l t pr e ss ur e di s t r i but i o n o f c aal m a s 目po we r e d s uppo r t s m o ni t o r i ng in t he f ul l y m e c ha ni z e d c o a l f a c e，and s om e pr a c t i c a l a ppl i c a t i o n e xa m pl es a r e a l s o g i ve n、 K e y w o r ds m o ni t or i ng s ys t e m ，r e s o na nt t r a ns duc e r s，m ea s ur i ng t e c hn i q ue，t r a ns m i s s i o n s y s t e m ，p r e di c t i on o f№ o f p r e s s ur e 下期将集中发表应用于岩石力学与工程的 3维有限元、3 维离散元、 D D A、 F L AC、 耦 合计算等数值分 析方 面的文章 以及岩石力学在水 利与矿 山工程 中的应 用方面 的论 文多 篇 。 随着我国基本建设 的持续发展， 道路、 桥梁、厂房和高层建筑物的地基加固与处理中的岩 土力学 问题越来越引起人 们的关注 自下期起 ， 岩石力学 与工程 学报 也将 注意发 表这 方 面的文章 维普资讯