畢海濤

(華北有色工程勘察院有限公司)

水位自動(dòng)監(jiān)測在礦山生產(chǎn)安全中的應(yīng)用

畢海濤

(華北有色工程勘察院有限公司)

水位自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器對現(xiàn)場的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，鋰電池和太陽能板供電裝置為系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有利的保障，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)無線模塊將水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行目刂普?，和手機(jī)無線連接，從而對水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測，采集到的水文數(shù)據(jù)可長期保存,隨時(shí)隨地監(jiān)測礦山地下水動(dòng)態(tài)變化。通過對采集到的突變水文數(shù)據(jù)的整理分析，可監(jiān)測突水等礦山重大安全事故，對礦山安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

水位自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng) 無線遠(yuǎn)程控制 突水防治

地下水自身存在補(bǔ)給、徑流、排泄三大環(huán)節(jié)，是動(dòng)態(tài)的。在不同時(shí)間由于不同的因素影響，同一位置的地下水會(huì)產(chǎn)生一定幅度的水位波動(dòng)，這就需要進(jìn)行地下水水位觀測，水位觀測數(shù)據(jù)是評價(jià)一個(gè)地區(qū)或一個(gè)礦區(qū)地下水流場變化的依據(jù)，是對環(huán)境水資源進(jìn)行保護(hù)的前提。

地下水位監(jiān)測是保證礦山生產(chǎn)安全的重要手段，而這些水位數(shù)據(jù)原來全為人工定期監(jiān)測得到，無論從時(shí)間和資金上都將造成很大的浪費(fèi)，給測量和控制帶來了一定的麻煩，同時(shí)也容易出差錯(cuò)，所以近年來普遍采用自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測。

現(xiàn)有的自動(dòng)水位計(jì)有手持式、固定式等幾種，但其仍存在很多不便。目前河流、湖泊、灌渠、礦山等均處在偏遠(yuǎn)地區(qū)，路程較遠(yuǎn)且路途艱險(xiǎn)，水位數(shù)據(jù)仍需人工現(xiàn)場采集，且自動(dòng)水位計(jì)的保養(yǎng)和維護(hù)較難，無形中增加了不必要的成本，造成浪費(fèi)。這就需要開發(fā)出一套遠(yuǎn)程控制監(jiān)測系統(tǒng)來滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測水位的要求。地下水的動(dòng)態(tài)變化在水位以下的同一標(biāo)高處必然產(chǎn)生壓力差異，通過這一特點(diǎn)，利用無線信號傳遞出壓力異常就能準(zhǔn)確地獲得水位變化的數(shù)據(jù)。

1 無線遠(yuǎn)程地下水位監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)造及原理

在現(xiàn)場設(shè)有采集水文數(shù)據(jù)的傳感器，傳感器通過電纜和GPRS RTU連接，GPRS RTU內(nèi)置CPU模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、控制模塊和GPRS/CDMA 數(shù)據(jù)通信模塊；并設(shè)有鋰電池和太陽能板供電裝置，構(gòu)成野外遙測站；GPRS RTU通過GPRS網(wǎng)絡(luò)無線模塊將水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行目刂普荆瑢?shù)據(jù)進(jìn)行檢查、存儲等處理，中心控制站和手機(jī)設(shè)有相應(yīng)的水位監(jiān)控軟件，并進(jìn)行無線連接。無線遠(yuǎn)程地下水位監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 無線遠(yuǎn)程地下水位自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)分3個(gè)部分：第一部分為太陽能供電系統(tǒng)，第二部分為GPRS網(wǎng)絡(luò)信號測控系統(tǒng)，第三部分為中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)軟件程序處理系統(tǒng)。見圖2。

圖2 無線遠(yuǎn)程地下水位自動(dòng)監(jiān)測裝置

第一部分和第二部分組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與第三部分組成多對一的關(guān)系，即一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件程序處理系統(tǒng)可以采集來自多個(gè)GPRS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的水位信號。太陽能供電系統(tǒng)是利用單晶硅太陽能板將天然陽光轉(zhuǎn)化為電能，然后通過微電腦充電電路存儲進(jìn)鋰電池中，為GPRS信號測控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的12 V 電源。系統(tǒng)考慮了太陽能充電過程中的過充電與過放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)，當(dāng)鋰電池電源充滿電后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)停止充電；當(dāng)鋰電池電量低于安全容量時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)斷電并進(jìn)行充電工作。GPRS網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)是將采集到4～20 mA的水位計(jì)電流信號通過GPRS電路轉(zhuǎn)換為微電壓信號，然后再通過AD采集電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成GPRS網(wǎng)絡(luò)信號，以備傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序上。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)軟件程序處理系統(tǒng)是利用GPRS信號通過以太網(wǎng)和花生殼域名解析傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，通過無線遠(yuǎn)程水位測控系統(tǒng)軟件將GPRS網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲到數(shù)據(jù)庫中，以供程序系統(tǒng)瀏覽和打印水位波動(dòng)情況。

2 工程應(yīng)用

中關(guān)鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)中關(guān)村附近，北距邢臺30 km，南距邯鄲53 km。礦體南北長2 000 m，寬800 m左右，礦體平均厚38 m，最大厚193.06 m，埋深為300～720 m，總儲量為9 345萬t。帷幕注漿鉆孔需穿越第四系、石炭二迭系、中奧陶系、燕山期閃長巖，其中包括蝕變灰?guī)r帶、斷層帶、破碎帶等復(fù)雜地層，注漿施工難度大。

2011年底完成了帷幕注漿施工，保護(hù)了區(qū)域地下水資源，避免了因礦區(qū)疏干造成的地下水降落漏斗的現(xiàn)象。但是帷幕內(nèi)灰?guī)r含水層的地下水凈儲量也不可忽視。同時(shí)，灰?guī)r含水層的特點(diǎn)為裂隙巖溶發(fā)育的不均一性，導(dǎo)致了礦坑突水事故。

為觀測帷幕內(nèi)外的水位變化和實(shí)時(shí)監(jiān)測帷幕內(nèi)地下水的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)計(jì)了23個(gè)長期觀測孔，并采用無線遠(yuǎn)程地區(qū)水位監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行長期監(jiān)測(見圖3)。2013年9月25日，中關(guān)鐵礦在巷道開拓過程中發(fā)生突水事故，無線遠(yuǎn)程地下水監(jiān)測系統(tǒng)精確地監(jiān)測到了地下水位的變化情況，表1為突水事故治理過程中G1#和G2#觀測孔的部分水位觀測情況。

以表1中水位監(jiān)測情況分析，隨著井筒排水的進(jìn)行，周邊水位也呈逐漸下降的趨勢。在本次礦山突水事故治理過程中本系統(tǒng)及時(shí)監(jiān)測到了地下水的變化情況，為制定治理措施提供了指導(dǎo)依據(jù)，從而減少了人員的傷亡和資金的損失。本系統(tǒng)對水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測，反映地下水動(dòng)態(tài)的變化，對礦山開采過程中突水事故的處置起到積極指導(dǎo)作用。

圖3 無線遠(yuǎn)程水位自動(dòng)監(jiān)測現(xiàn)場

表1 水位監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

無線遠(yuǎn)程地下水位監(jiān)測系統(tǒng)可方便、準(zhǔn)確、及時(shí)、快速地進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的無線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低成本，提高工作效率，可廣泛用于水庫、江河、湖泊、灌渠和礦山等水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測。其無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用，改變了以往的定點(diǎn)接收和查看數(shù)據(jù)的狀況，可隨時(shí)隨地監(jiān)測水位的變化，制定相應(yīng)的措施，對大水礦山的安全生產(chǎn)具有重大意義。

2014-08-26)

畢海濤(1981—)，男，助理工程師，050021 河北省石家莊市。