（大地测量学与测量工程专业论文）矿山尾矿坝体gps形变监测系统研究.pdf

摘要 摘要 尾矿坝的安全稳定在矿山的安全生产和环境保护中具有十分重要的意义，但 传统的坝体形变监测方法由于其技术落后、对环境要求严格、监测成本高以及自 动化程度差等问题难以满足当今尾矿坝安全监测的要求。g p s 具有精度高、速度 快、全天候等优点，成为当今先进的监测手段。将g p s 应用到尾矿坝监测，不仅 精度高、不受气候条件影响，而且可实现无人值守的自动化实时监测模式。本文 以马鞍山南山矿城门峒尾矿坝为研究背景，开发基于g p s 多天线技术的尾矿坝形 变监测系统，针对系统中的关键技术进行设计和工程实现。采用该系统不仅可以 实现对尾矿坝的实时监测，而且可以降低监测成本。 本文主要研究内容如下： 1 基于g p s 多天线技术的尾矿坝监测系统总体设计。研究了尾矿坝监测系 统的设计方案，结合尾矿坝监测的实际情况，采用g p s 多天线技术和光纤有线 传输技术，实现了尾矿坝g p s 远程自动化形变监测系统。 2 光纤通信协议设计及数据通信模块开发。通过自定义的通讯协议和检校 措施，解决数据传输的误码问题，实现数据远程传输。 3 开发g p s 数据解算模块。利用g p s 一机多天线形变监测系统，采集大量 的g p s 原始数据，将接收到的多个监测点的g p s 原始数据合并转化为观测文件 与导航文件，并通过开发的软件解算锝到各监测点位移量，实时分析坝体外部形 变量。 4 设计开发尾矿坝形变监测信息管理系统。将尾矿坝上各监测点位移量录 入数据库，通过点击各个监测点进行浏览、编辑、更新等操作；绘制各监测点形 变量随时间变化的图形。 关键词；尾矿坝，形变监测，g p s 多天线，光纤通信，自动监测 a b s t r a c t n 地s t a b i l i t yo ft h et a i l i n gd a mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em i n i n gs a f e t ya n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n h o w e v e r , t r a d i t i o n a ls u r v e y i n gm e t h o d sf o rd a md e f o r m a t i m o n i t o r i n ga r ed i f f i c u l tt on l tt h er e q u i r e m e n t so fc u r r e n ts a f e t ym o n i t o r i n go f t a i l i n gd a mf o ri t so u t - o f - d a t et e c h n i q u e s ，l i m i t a t i o n si ns u r r o u n d i n g s ，h i g hc o s ta n d p o o ra u t o m a t i o n g p si s o n eo ft h em o s ta d v a n c e dt o o l si nt h ed e f o r m a t i o n m o n i t o r i n gf o r t h ea d v a n t a g e so fh i g h - p r e c i s i o n , 1 1 i g h - s p e e da n dr o u n d - t h e - c l o c k w o r k i n g a sb ea p p l i e dt ot a i l i n gd a mm o n i t o r i n g ，g p sn o to n l yp r o v i d eh i 曲 p r e c i s i o np o s i t i o n i n gb u ta l s oc a nr e a l i z et h er e a l - t i m ea u t o m a t i cm o n i t o r i n g t h i s w o r kd e s c r i b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fc h e n m e n d o n gt a i l i n gd a mi na n h u i p r o v i n c e t a i l i n gd a mm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do bg p sm u l t i - a n t e n n am e t h o dw a s d e v e l o p e d k e yt e c h n o l o g i e sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h ew o r k t h er e s u l t sh a v es h o w n t h a tr e a l - t i m ea u t o m a t i cm o n i t o r i n go ft a i l i n gd a mw a sa c h i e v e d ，a n dc o s to ft h e s y s t e mw a sg r e a t l yr e d u c e d 1 1 他e m p h a s i si nt h i sw o r kh a sb e e np l a c e do i l ： 1 1 ei n v e s t i g a t i o no f t h ed e s i g ns c h e m eo ft a i l i n gd a m m o n i t o r i n gu s i n gg p s m u l t i a n t e n n at e c h n o l o g y 1 1 圮s y s t e mi si n t e g r a t e do fg p sm u l t i - a n t e n n a t e c h n o l o g ya n df i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i th a sa c h i e v e dl o n g - r a n g a u t o m a t i cm o n i t o r i n g 2 t h ed e s i g no ff i b e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h es o f t w a r eo f d a t a c o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e d u s i n gt h eu s e r - d e f i n e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dc r c 3 2c h e e k , t h ep r o b l e mo fe r r o rd a t ah a sb e e ns o l v e d , a n d t h el o n g - r a u gd a t at r a n s m i s s i o nc a m et r u e 3 1 1 1 ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r eo fp o s i t i o n i n gs o l u t i o n s u s i n gt h eg p s m u l t i a n t e n n ad e f o r m a t i o nm o m t o f i n gs y s t e m ，t h eh u g es u mo f m wg p sd a t a w a sr e c e i v e da n dt r a n s l a t e di n t or 1 n e xf o r m a t t h e nt h es o f t - w a r ec a n c o m p m ea n da n a l y z et h ed i s p l a c e m e n to f m o n i t o r i n gp o i n t s 4 1 1 l ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo ft a i l i n gd a m d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g t h ed e f o r m a t i o nr e s u l t sw c l es a v e di nt h ed a t a b a s e n l ed a t a b a s ec 鼬b eb r o w s e d e d i t e da n du p d a t e d a n dt h ed e f o r m a t i o n i n f o r m a t i o no f e a c hm o n i t o r i n gp o i n t sc a n b ed i s p l a y e dd i r e c t l y k e yw o r d s ：t a i l i n gd a m ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，g p sm u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g y , f i b e rc o m m u n i c a t i o n , a u t o m a t i cm o n i t o r i n g ， 1 1 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签孙毕斯五御年f 月f 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：j 幺垂l 址舻月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 矿山开采出的矿石，经选厂选出有价值的矿产品后产生大量废渣，即尾矿或 尾砂，为堆存尾矿( 砂) 所建的构造系统称为尾矿库，通常包括尾矿坝、库区、排 洪设施等。一般情况下，尾矿库在堆存尾矿( 砂) 的同时，也储存选厂废水以供循 环利用。据有关资料统计i l l ，我国共有各类尾矿库3 4 6 0 座，一等库的规模不具备， 二、三等库占尾矿库总数的比例很小，只占总数的6 7 ，四、五等库占绝大部分， 占总数的6 3 4 。 作为矿山选矿生产的主要设施，尾矿库既是事故易发部位，也是隐伏巨大安 全隐患的危险源。在我国矿山诸多尾矿库中，目前处于正常运行的不足7 0 ，有 的行业4 4 的尾矿库处于险、病、超期服务状态，情况非常不利，也导致尾矿库 的重大事故时有发生1 2 j ii ，例如，云南锡业公司火谷都尾矿库1 9 6 2 年9 y j 2 6 h 发 生溃坝，造成1 7 1 人死亡，9 3 受伤，受灾人口1 3 9 7 0 人；湖南柿竹园有色矿牛角 垄尾矿库1 9 8 5 年8 月2 5 日发生溃坝，造成4 9 人死亡：安徽黄梅山铁矿尾矿库1 9 8 6 年4 月3 0 日发生溃坝，造成1 9 人死亡，9 5 人受伤；郑州铝厂灰渣坝1 9 8 9 年2 月2 5 日发生溃坝事故，造成1 人死亡；河南滦川县赤土店乡钼矿1 9 9 2 年5 月2 4 日抢修尾 矿库排洪洞时发生大规模坍塌，造成1 2 人死亡；湖北省大冶有色金属公司龙角山 铜矿1 9 9 4 年7 月1 6 日由于暴雨冲击，尾矿库溃坝，死亡2 8 人，失踪3 人；2 0 0 0 年l o 月1 8 日，广西南丹县大厂镇酸水海的林润选矿厂尾矿库突然塌坝，造成2 8 人死亡， 上百座房屋被毁。 尾矿库事故不但造成人员伤亡，而且造成巨大的经济损失，给社会带来严重 影响。美国克拉克大学公害评定小组的研究表明，尾矿库事故的危害，在世界9 3 种事故、公害隐患中，名列第1 8 位，它仅次于核爆炸、神经毒气、核辐射等灾 害，而比航空失事、火灾等其他灾害严重嘲。根据国际大型坝体协会( i c o l d ) 和美国大型坝体学会( u c s o l d ) 尾矿分会对尾矿坝事故的评价结果，造成尾矿坝 事故的原因是多方面的，包括：漫顶、静态条件下或地震引起的不稳定性、渗漏 及内部侵蚀作用等，在尾矿坝体事故的主要原因中，边坡的不稳定是远高于地震 河海大学硕士学位论文矿山尾矿坝体g p s 形变监测系统研究 和漫顶的第一因素，其联合调查的主要结论为：在尾矿库的运行期间，尾矿坝体 及周围边坡的监测和控制十分重要。因此，如何加强矿山尾矿库安全管理，提高 其规范化、标准化水平，确保尾矿库安全运行显得十分迫切和重要。 随着矿山数字化的日益重视和普及，尾矿管理最终数字化也将是个必然结 果。目前国内尾矿库基本上没有实现安全自动监测系统，更没有分析和评价系统 软件，资料的整理与分析更是滞后于工程与生产运行的需要。由于生产和管理所 造成的坝体隐患不能及时被发现，直接影响坝体的安全与稳定。针对我国尾矿库 的现状和后期生产的需要，将日趋成熟的自动化技术与水工和水工构筑物安全监 测理论有机地结合起来开发出高水平的尾矿坝安全监测自动分析评价系统，可以 大大地促进尾矿坝工程安全监测作用的发挥，及时直观地掌握坝体的实际动态， 进行安全评价、预警预报：并及时反馈信息供领导指导生产，为加固工程设计、 管理及消除隐患提供依据。因此，系统地运用自动化技术、水工理论技术、计算 机信息管理技术，设计建立一套先进、可靠并具有通用性和可扩充性的“尾矿坝 自动化安全监测系统”，以提高尾矿库的运行管理水平，确保坝体安全，充分发 挥工程效益，实现安全生产。尾矿坝安全监测自动化应用系统的建成将具有巨大 的经济效益和社会效益，该系统的建立将为尾矿坝的安全监测与管理决策提供有 力支持，使上级管理部门和工程管理人员及时掌握坝体的实际动态，进行坝体安 全评价，及时指导生产的安全运行，并根据坝体的监测结果，进行动态的生产调 节，充分发挥系统工程的社会效益和经济效益。同时通过系统对长期的监测资料 的分析，可以用来反馈指导工程设计和进行安全生产，从而提高尾矿库的安全管 理水平，本文课题研究的目的和意义即在此。 1 2 国内外研究现状 大坝监测最初是为验证设计而提出的，然而一系列重大水工事故使人们认识 到，大坝监测工作对于监视大坝安全来说是必不可少的。国际大坝委员会( i c o l d ) 历来十分重视大坝安全监控问题的研究，自1 9 9 2 年成立“大坝及其基础监测委 员会”以来，在些国家中进行了广泛的调查研究，先后制定颁发了系列有关 安全监测的文件，这些文件集中了各国先进成熟的经验。从目前看来，大坝监测 已成为一个综合性的需要多个专业支持的专门学科和技术，它包括从仪表量测、 第一章绪论 数据采集、传送处理、储存管理到资料解释、预测、大坝及基础的安全评估和报 警等许多环节，已形成一个完整的系统。随着传感器、计算技术和软件技术，特 别是网络、通信和数据库技术的飞速发展，人工旌测的时代将成为历史，大坝安 全监测自动化技术得到了空前发展。 国外的大坝监测自动化工作始于6 0 年代末，美国、法国、意大利、日本、 葡萄牙、加拿大等国在大坝自动化监测及遥测技术方面作了深入的研究和开发。 如意大利安全监控系统构成包括自动在线实时监视系统和离线复核及大坝管理 系统，其大坝安全监控预报模型处于世界领先水平；美国的大坝安全监测自动化 系统，比较重视大坝监测数据的集中处理，例如垦务局所属的2 5 5 座大坝的观测 数据，通过电话、卫星通讯、计算机通讯等方式传递到丹佛市的工程研究中心进 行分析处理。总的来看国外大坝监测技术的发展，以意大利取得的成就最大，水 平最高，反映了大坝安全监测技术的当今发展趋势1 9 1 。 我国大坝监测自动化工作起步于7 0 年代末，经历了从单台( 支) 仪器遥测、专 用测量装置、集中式数据采集系统到分布式数据采集系统的发展过程i i 。我国开 展实施t l 动化的路线与国外有所不同。首先实施的是内部观测的自动化，先后于 1 9 8 0 年和1 9 8 3 年在龚嘴和葛洲坝安装了大坝内部参数自动采集装置，其数据处理 和安全管理功能则很弱。到1 9 9 0 年国电自动化研究院根据国家“七五”科技攻关 的要求，成功研制第一套软硬件齐全的自动化大坝安全监测系统，并通过工程的 大量应用不断改进和完善。9 0 年代中后期，在市场经济的推动下，大坝安全监测 自动化技术在我国得到了快速的发展，并拓展到堤坝、供水、地铁、桥梁等工程 领域l u l o 这说明我国大坝安全监测自动化技术日臻成熟，并具有广阔的应用前景。 在尾矿坝安全监测方面，国外开展尾矿坝监测较早，发展遥测仪器成为近几 年科研工作的重点。国内尾矿坝安全监测普遍起步较晚，尾矿坝运行状况，大多 数只能靠直观的经验来判断。现在矿山企业所具备的尾矿管理系统，应用的最好 的，也只是将相关尾矿管理的各种文字资料实现信息化，并进一步地，人工去现 场利用全站仪采集尾矿坝体的形变、位移、库区水位等相关数据，人工整理后存 入数据库以供分析、管理、决策应用，数据采集周期长，且人工观测的精度完全 依赖观测人员的工作经验，数据读取受天气变化的影响较大，特殊时段需要加测 将加重工作人员的负担，同时观测资料的可信程度大大降低，不能做到实时、真 3 河海大学磺士学位论文 矿山尾矿坝体g p s 形变监铡系统研究 实反映出实际情况，相关的专家系统更是从无涉足。 国家“十五信息化发展规划”中明确指出，要利用信息技术改造和提升传统 产业，中国矿山作为一类典型的传统采矿业，已经或正在面临信息技术的挑战和 洗礼。在2 0 0 5 年度，中国冶金矿山企业协会也已经明确把数字化矿山作为矿山 企业的科技攻关重点和提升矿山企业竞争力的重要手段，上报国家相关部门，纳 入国家“十一五矿山行业数字化攻关规划”中。近年来，随着国家有关部门对尾 矿坝安全管理的重视，尾矿坝安全监测才得以发展，但各省、各尾矿坝的安全监 测发展极不平衡，差距极大，发展快的己开始了监测的自动化，但大多数仍然处 于初级水平甚至空白。目前少数个别的尾矿坝已开展了安全监测自动化的研究， 且正在试验阶段。大多数尾矿坝安全监测仍处于初级水平，监测以人为主，观测 项目不全，观测仪器设备陈旧、老化，资料可信度差，基本没有分析。因此，随 着科学技术的飞速发展，尾矿坝安全监测的自动化系统，实现实时实地监控，是 今后尾矿坝安全监测与管理的发展方向。 1 3 本文主要研究内容 本课题将针对尾矿坝数字化管理系统的坝体外部形变自动化监测系统进行 设计与实现。该系统是以现代卫星大地测量理论为基础，以基于多元统计分析的 数据处理和变形分析理论为核心，以现代通讯和计算机网络技术为手段，实现精 密监测工程的自动化监测系统。它是g p s 定位技术、数字通讯技术、计算机网络 技术、自动控制技术、精密工程测量技术和现代数据处理技术等高新技术的集成。 该系统在任何气候条件下可实现二十四小时不问断地实施监测，并提供能够反应 坝体安全状态的坝体表面形变、水平位移、沉降状况等数据。以便实时分析整个 尾矿坝或各坝段之间的变形情况，确保尾矿坝的安全。该系统各监测点的三维变 形量，水平和垂直位移监测精度达毫米级，实现从数据采集、传输、处理、分析、 显示、存储全自动化。 为满足系统先进性、可靠性、通用性和可扩充性的要求，尾矿坝形变监测系 统设计采用如下准则： 4 第一章绪论 ( 1 ) 系统按标准软件工程模式开发，系统开发及成果整编依据我国 3 时，则认为黾是奇异值，应将其舍弃。 ( 4 5 ) 对于舍弃的奇异值，可用一个与前一点数值相等的数据补上，以保持数据序 列的连续性。表4 1 显示了对7 个观测点1 5 0 期观测值进行奇异值探测结果。 表4 1 监测点奇异值探测结果 奇异值个数 点名 a xy z w 11l01 w 21211 w 3l413 w l2211 w 22201 w 322 2 2 w 422l2 4 4 2 数据回归模型 为了推测未来几天甚至几周内测点可能发生的变形，必须采用一定的算法建 立合适的数学模型，得到其形变趋势。本文采用最小二乘拟合方法建立多项式回 归模型。在进行多项式函数拟合计算参数估值的同时，需进行模型假设检验及模 型参数显著性检验。 对于给定一组观测序列 ( ，只) ，f = l ，2 ，以 ，采用多项式模型进行数据拟合， 建立y ( f ) = a o + o a t + a 2 t 2 + + 口。，的p 阶多项式模型，求取参数，q ，g p 使得各 期的拟合值克与实际值只的误差平方和达到最小，即最小二乘准贝俨j i 研i ： 9 = 一允) 2 = ( 弘- a o - a ：, 一口2 f 一口) 2 ( 4 6 ) 使q 达到最小，由求极值方法，令 河海大学硕士学位论文矿山尾矿坝体g p s 形变监测系统研究 筹= 一z 喜( 只咿咖们一o j 署= 之善n 一嘞一毗一啦乎口) = o ( 4 7 ) l - i 瓦a q = _ 2 喜- a o - q t , - a 2 彳一口，垆= 。 解此方程组可得到估计值氐，磊，乞，砧，故将此方程组化简改写为： ，碗+ 莩厄+ ( 莩彳) a ：+ + ( 军垆晦2 莩j ； ( ；战+ ( 军# 璃+ ( 莩f 琏4 - - - - + ( 莓华“珥2 军啊 ( 4 8 ) ( 垆) 磊+ ( 1 碗+ ( t , - 2 腹4 - - - + ( p ) = 垆x liiir 把它表示成矩阵形式，记系数矩阵为a ，常数项矢量为b ，估计值矢量为a ， 则有： a = b = 行 i 矿 11 ，l，2 t t 2 只 f m i ： 垆只 f 矿1 l 1 t 11 f 2 t 2 m m ： y 。 哇 哇 t ? ：x t x ：x t y a = ( 岛，磊，岛，a p ) 7 于是( 4 8 ) 式可表示为矩阵形式( x 7 ) a = x 7 y ，当系数矩阵4 = x 7 x 可逆 垆矿 皆 | ：p，d，d，一一 砰譬一彳 一 一 n 如 e f r b，b。d；n忆 第四章马鞍山南山矿尾矿坝6 陌多天线形变监涓系统工程实现 时，可解出 a = a 。1 b = ( x 7 x ) - 1 7 r ) ( 4 9 ) 即得，q ，呸，的估计值龟，磊，龟，a ，从而得p 次多项式拟合方程 夕= 磊+ 4 t + 色，2 + + 占， ( 4 1 0 ) 这样求得的模型方程是否合理，需经过线性模型假设检验来确定，即需要检 验假设 风：a o = q 一= = o 为此令 奠= 磊+ 磊t + 龟彳+ + a o = 1 2 ，o ( 4 1 1 ) 允即为处观测数据咒的一个拟合值，对该模型进行，检验，即 肚揣 ( 4 1 2 ) 绕，( 栉一p 1 ) 其中 罗= 昙喜咒 绋= ( 允一刃2 绕= 一允) 2 对给定的显著水平a ，查表可得疋( 弘刀一p 一1 ) ，把计算的，值与之比较， 若f 兄，则认为该多项式模型合适。 当然，模型多项式的阶次取得太低，拟合模型粗糙：阶次太高，使数据噪声 也被纳入模型。判断拟和阶次是否恰当，可对参数q ，a 2 9 oo ，进行统计检验，检 验某个参数q ( ，= 1 , 2 ，p ) 是否为零，相当于检验相应的f 7 的阶次是否适当。 在多项式模型上假设：吩= 0 ( 1 s ，s p ) ，为检验峨是否成立，令 河海大学硕士学位论文矿山尾矿埂体g p s 形变监测系统研究 t = l 。夕。t ，= 1 ，2 ，p 歌= = ( r t j ) 钟一t k ) ，( ，k = l ，2 ，p ) s = s 。s ： 翰 墨。 品， s 吐s n 。s 彦：些 n p - 1 若风成立，则 弘者叫( n - p - 1 ) ( 4 1 3 ) 其中c i 是矩阵s 。的主对角线上第_ ，个元素。 给定显著水平口，查表得乞，：一p 1 ) ，计算出r 的数值，若 丁除乞，：( n - p - 1 ) ，则拒绝峨，即认为q 显著地不等于零，则f 阶次适当。 南山矿城门垌尾矿坝坝面上布置监测点位8 个，于2 0 0 6 年9 月开始试验性 监测，2 0 0 6 年1 2 月末开始正式监测。对2 0 0 6 年1 2 月2 5 日至2 0 0 7 年3 月9 日 部分点位的平面位移与垂直沉降的7 5 天观测值分别作了一次、二次、三次多项 式拟合，下列表显示了拟合模型以及模型f 检验和模型参数t 检验结果。 表4 2 拟合模型方程 点位拟合模型 y = 0 0 2 6 x + 2 4 平面y = 0 0 0 0 4 2 x 2 0 0 0 6 1 x + 2 8 y = 1 8 = , - o o s 印o 0 0 1 6 + 0 0 5 6 x + 2 4 w ll 一 y = - o 0 2 7 x - 0 0 6 4 垂直 y = 。o o 0 0 3 s 铲0 0 0 0 5 2 x 0 4 y = 1 e e - - o o s * x 3 一o 0 0 2 5 0 + 0 0 6 5 x 0 8 3 第四章马鞍山南山矿尾矿埂6 p s 多天线形变监测系统工程实现 续表4 2 点位拟合模型 y = 0 0 0 0 2 9 4 + 1 2 平面y = 0 0 0 0 2 3 + 0 0 1 8 4 + 0 9 6 w 21 y = 1 6 e 0 0 5 印0 0 0 2 1 磁+ 0 0 7 5 4 + o 5 8 一 y = - 0 0 2 x + 2 9 垂直y = o o o o 群0 0 4 气+ 3 2 y = 2 3 e - 0 0 5 0 0 0 2 3 硭+ 0 0 3 9 4 + 2 7 y = - 0 0 0 1 8 4 + 1 8 平面y = o o o 耐+ 0 0 4 4 x + 1 3 w 3l y = 3 5 e - 0 0 5 窜+ o 0 0 3 4 ) c 2 0 0 7 8 4 + 2 1 一 y = 一0 0 3 5 x 一0 9 垂直y = 3 6 洲譬0 0 3 8 x 一0 8 7 y = 4 7 e - 0 0 6 ) ( 3 o 0 0 0 5 ) p 0 0 2 1 x 0 9 8 y = 0 0 2 7 4 + 1 1 平面y = 0 0 0 0 1 7 4 2 + 0 0 4 + 0 9 7 w l2 y = 5 9 e 0 0 6 p o o 0 0 8 4 p + o ) 【+ o 8 3 一 y = 一0 0 2 3 气+ 0 1 9 垂直y = o o 0 0 3 3 譬+ 0 0 0 2 3 气0 1 3 y = 7 1 e - 0 0 6 p 0 0 0 1 1 砰+ 0 0 2 7 4 0 3 y = 0 0 1 8 | x + 1 7 平面y = o o 0 0 4 耐+ 0 0 5 2 气+ 1 2 w 22 y = 2 8 争0 0 5 - ) ( 3 + o 0 0 2 7 韬0 0 4 5 气+ 1 9 一 y = - 0 0 0 5 6 气- 0 4 7 垂直y 2 o o 0 0 4 v + 0 0 2 5 4 0 8 6 y = 3 6 争o 审o 0 0 4 5 砰+ 0 1 5 4 1 7 y = 0 0 0 7 9 ) 【+ 2 1 平面y 2 o o 0 0 5 v + 0 0 4 6 气+ 1 6 w 32 y = 2 3 鲫0 5 印+ 0 0 0 2 1 譬0 0 3 3 气+ 2 2 一 y = 一0 0 3 5 + x - 0 5 垂直y = o o 0 0 3 2 x 2 0 0 0 9 9 x 0 8 2 y = 1 1 争0 0 5 x 3 o 0 0 1 5 t ( 2 + 0 0 2 7 x 1 1 y 20 0 4 2 4 + 2 平面y = o o 0 0 1 8 譬+ 0 0 2 8 气+ 2 2 w 42 y 2 1 5 印+ o 0 0 1 3 中0 0 0 7 1 4 + 2 4 一 y = 一0 0 1 8 4 + 0 4 2 垂直y = 0 0 0 0 1 5 牮0 0 0 6 5 ) ( + 0 2 7 y = 1 2 争0 0 5 曙o 0 0 1 6 中+ 0 0 3 7 4 0 0 1 3 4 5 河海大学硬士学位论文矿山尾矿坝体g p s 形变监测系统研究 表4 3 模型检验结果 模型f 检验 一阶模型检验二阶模型检验三阶模型检验 点位 f m ( 1 ，7 3 ) = 3 9 9f ( 2 ，7 2 ) = 3 1 3f o m 5 ( 3 ，7 d = 2 7 4 平面垂直 平面垂直平面垂直 w 1l2 6 4 7 64 0 4 0 31 4 6 4 92 2 1 0 81 8 。0 7 92 3 5 6 8 w 210 0 3 92 5 1 2 30 9 3 31 3 7 1 52 2 7 01 3 4 0 1 w 310 2 9 95 3 2 4 13 5 3 72 6 6 7 28 5 4 32 5 8 9 9 w l2 3 9 0 1 2 4 6 4 0 91 9 8 0 12 5 4 5 71 9 4 2 71 9 8 2 6 w 222 5 3 7 16 7 3 4 75 9 7 22 7 7 82 0 3 6 69 7 9 4 w 323 0 1 1 87 1 7 5 31 6 5 2 33 5 1 1 21 5 9 9 53 4 0 7 3 w 426 5 3 7 l1 8 0 3 03 2 1 6 49 0 8 62 9 9 4 61 5 3 9 7 表4 4 一阶模型参数t 检验结果 一阶模型参数t 检验t o o s ( 7 3 ) = 1 6 6 点位 一次项( 平面)一次项( 垂直) w 1l5 4 0 77 9 8 0 w 21 0 1 4 16 6 5 1 w 31 - 0 4 4 0 8 1 1 3 w l27 6 9 81 0 7 5 9 w 227 4 9 0- 1 7 9 l w 321 0 9 62 8 2 5 w 428 3 0 0- 5 3 4 1 表4 5 二阶模型参数t 检验结果 二阶模型参数t 检验t o 0 5 ( 7 2 ) = 1 6 6 点位 平面垂直 一次项二次项一次项二次项 w l1- 0 3 0 01 6 2 5一o 0 3 l1 6 1 2 w 2l1 3 5 1- 1 3 5 4- 2 4 7 91 2 6 4 w 3l2 4 1 12 5 7 81 9 4 20 1 4 4 w l22 2 7 60 7 5 90 1 7 11 。9 2 7 w 223 7 0 42 5 1 41 5 4 0 1 9 3 2 w 321 8 2 51 5 5 50 5 1 31 3 0 2 w 421 3 2 50 6 6 8- 0 3 7 70 6 8 2 第四章马鞍山南山矿尾矿埂6 p s 多天线形变监嗣系统工程实现 表4 6 三阶模型参数t 检验结果 三阶模型参数t 检验t o 0 5 ( 7 1 ) = 1 6 6 点位 平面垂直 一次项二次项三次项 一次项二次项三次项 w 11 i 0 8 71 0 2 01 3 2 61 5 1 71 9 1 61 6 8 3 w 212 2 3 4- 2 0 5 31 8 0 80 9 5 8- i 8 5 52 1 4 4 w 3l- i 7 6 42 5 2 4- 3 0 0 30 4 1 9- 0 3 2 70 3 5 6 w 121 3 3 5- 0 6 1 30 4 9 80 7 7 9- i 0 4 1 0 7 7 7 w 22- i 3 2 82 6 1 53 1 3 4 3 9 0 6- 3 8 4 63 5 5 6 w 32- 0 5 3 71 1 2 2一1 4 2 l0 3 3 7一o 6 1 50 5 2 2 w 42 - 0 1 3 10 7 8 7- 0 7 0 00 8 3 1- i 1 8 01 0 2 3 结合以上检验结果，分析原始观测数据，由于观测期短，各监测点水平与垂 直位移的变化量在几个毫米之间，变化范围很小，而6 p s 的观测误差为毫米级， 导致实测值被观测误差湮没，因此，高阶模型拟合曲线拟合不能准确地描述监测 点的变化状况，各点的形变趋势采用一阶模型描述即可。 4 4 3 形变分析 在城门垌尾矿坝坝体表面形变监测中，通过监测软件的高精度变形解算函数 库计算监测点每一期的w 6 s 8 4 坐标( 五，r ，互) ，其中，一天为一期，计算每天前 1 2 个小时与后1 2 个小时的结果，取其平均值作为这一期的最终结果。将第一期 精确计算的坐标( x o ，y o ，z o ) 作为起始量，此后每期与第一期之差 ( 五一x o ，l k ，互一z 0 ) 作为本期监测点的形变量。其平面位移形变量为： ，= ( 置一。碥) 2 + ( r y o ) 2 ，即w g s 8 4 坐标系下的平面合位移。z = 互一z o 为 w g s 8 4 坐标系下的沉降变化量。 各监测点的平面及沉降变化曲线图如图4 9 4 2 2 所示。图中折线为每期实 际观测计算得出的形变量，图中还显示一次拟合曲线，并在下方的条形图中显示 一次拟合效果拟合后的残差值。 4 7 河海大学硕士学位论文矿山尾矿坝体c , p s 形变监嚣系统研究 喜 嚣 盏 蝴 天数( 曲 天藏 图4 9 w l 一1 点水平合位移 天教 天敲( d ) 图4 1 0 w l 一1 点垂直位移 4 8 一三皇州 第四章马鞍山南山矿尾矿埂a ，s 多天线形变监捌系统工程实现 天数呻 天数d ) 图4 1 1w 2 1 点水平合位移 天数由 天翘d ) 图4 1 2w 2 - 1 点垂直位移 4 9 一量州醛 塑塑查堂堡主兰垡丝奎 坐星! 塑竺! 笪丝奎些型墨! 塑塞 星 螽 g h 蝴 天教 天瓤由 图4 1 3w 3 1 点水平合位移 天数由 天敷 图4 1 4w 3 1 点垂直位移 5 0 一ly瑚毹 一lv瑚蘸 第四章马鞍山南山矿尾矿埂g p s 多天线形变监嗣系统工程实现 量 潍 电i 嚣 天数( m 天散( c o 图4 1 5 w i 一2 点水平合位移 天粼d ) 天敷神 图4 1 6 w i 一2 点垂直位移 5 1 一星一饕掣喧 一；芒一瓤 一l嘲艇 河海大学硕士学位论文 矿山尾矿坝体c , p s 形变监测系统研究 重 嚣 翟 天箍( 由 天知旧 图4 1 7w t 2 点水平合位移 天敷( 西 天数( d ) 图4 1 8w 2 2 点垂直位移 5 2 一l一簿犁咀 一lv捌蘸 第四章马鞍山南山矿尾矿坝g p s 多天线形变篮测系统工程实现 天教l m 天孰旧 图4 1 9w 3 - 2 点水平合位移 天麴【曲 天教( m 图4 2 0w 3 2 点垂直位移 l一瓣掣咀 一l|荆 (iej)簿掣h惭 一ly捌蘸 河海大学硕士学位论文矿山尾矿坝体g p s 形变监测系统研究 童 誊 睾 堇 誊 嚣 天囊h m 天戴曲 图4 2 1w 4 2 点水平合位移 天数 天数【d ) 图4 2 2w 4 _ 2 点垂直位移 一l一瑚 量制毹 第四章马鞍山南山矿尾矿坝g p s 多天线形变监蔫系统工程实现 为了更加直观的显示所有监测点位的整体变化状况，取监测点对应天数的位 移形变量来绘制高程位移矢量图，反映2 0 0 6 年1 2 月2 5 日至2 0 0 7 年3 月9 日监 测点位的高程变化情况。 1 0 0 o 善1 0 0 震 怒2 0 0 - 3 0 0 8 0 图4 2 3 监测点高程方向位移矢量图 图4 2 3 显示了高程变化( 放大1 0 0 倍) 结果，可以看到所有监测点的高程变 化都呈下降趋势，这与之前一次拟合趋势线的结果一致。较之其它监测点，w 3 _ 1 点的高程变化量较大，从现场的情况分析来看，由于尾矿坝还处于施工期，点位 w 3 - 1 附近时有施工材料堆放，造成了点位沉降加速。此外，点位w 2 2 、忱_ 1 的 高程变化量虽不异常，但由于两个监测点靠近车道，施工车辆的来往也会对其高 精度监测造成干扰。因此，对w 2 2 、w 2 _ l 、w 3 1 这些监测点应予以重视，结合 实际情况，对其今后获取的观测数据作进一步分析。 4 5 本章小结 南山矿城门峒尾矿坝g p s 形变监测系统自从去年1 2 月份正式运行至现在一直 不间断工作，实现了数据的实时采集与自动化传输。经过处理大量数据获得了尾 矿坝面上各监测点位的变形曲线及趋势线，反映出尾矿坝施工期各点位变化情 况。3 台g p s 接收机工作一直正常，采集资料完整、正确，控制中心的服务器与工作 河海大学硕士学位论文 矿山尾矿坝体g p s 形变监铡系统研究 站也未发生任何部件故障，说明系统中的硬件性能稳定、可靠。数据采集、传输 及数据处理程序自运行以来工作一直正常，表明了系统软件完善、可靠性高。1 0 个天线安装在野外，从安装至今，未遭任何天然或人为的破坏，表明g p s 接收设备 及天线的安全保护措施有效、可靠，并在暴风雨天气仍能稳定地工作。尾矿坝g p s 自动化形变监测系统不仅可以满足尾矿坝形变监测的需要，而且，可以运用到其 他更多的水工或大形建筑物形变监测中。在降低监测成本，提高工作效率的同时， 推广g p s 在更广泛的测量系统中的应用。 第五章总结与展望 第五章总结与展望 5 1 总结与结论 本文设计了马鞍山南山矿城门峒尾矿坝坝体形变监测系统，在综合考虑坝体 形变监测的精度要求和成本要求的基础上，将g p s 多天线技术和光纤有线通信 的数据实时传输结合起来，实现了尾矿坝g p s 自动化形变监测系统，主要研究 工作如下： ( 1 ) 采用光纤有线传输方式，开发了串口通信模块，通过通信协议与c r c 检 校，解决了数据传输的误码问题，实现了数据的远程传输。实践表明，基于光纤 传输的g p s 数据通信方式，在数据传输上解决了信号不稳定等方面的问题，提高 了数据传输的可靠性。 ( 2 ) 采用g p s 多天线技术，在不损失g p s 数据精度的前提下，编程实现对 g p s 数据按时间顺序进行合并，既保证了数据质量，又满足形变监测的解算软件 的要求。此外，分析了g p s 原码结构组成，开发了将g p s 原码转化为r e n i x 标准格式的模块。 ( 3 ) 研究并实现了g p s 数据的采集、数据后处理、成果报表、变形分析与预 报以及变形矢量图的绘制。开发的数据库管理具有查询记录和导出记录等功能， 并可直接启动成果报表程序，根据数据库中的数据自动生成所需要的成果报表。 整个系统实现了监测数据从采集、解算、数据管理等一系列自动化操作，其具有 实时性、可靠性、扩展性、简易性等特点，达到了设计要求。 ( 4 ) 通过对前期的实验和监测，收集了大量数据，并对其进行了处理和分析。 绘制了各监测点的平面位移与沉降位移折线图，通过曲线拟合得到监测点形变趋 势，利用监测点的三维矢量图，更直观地描述了监测点的高程变化情况，结果表 明所有监测点沉降变化趋势一致，结合现场实际情况，分析了个别点沉降变化异 常的原因。 5 2 进一步研究的内容 本文在研究实现尾矿坝g p s 自动化形变监测系统方面作了大量工作，虽然 达到了设计效果并在实际中成功应用，但由于自己基础理论知识、专业知识以及 科研能力有限，该系统有待进一步完善。作者认为，此系统还可以在以下几个方 面作进一步的研究与开发： ( 1 ) 监测数据的管理虽然实现了数据库的录入与管理，但处于简单应用阶 段，如何加强数据库方面的操作与应用，并与当地的温度、湿度、压强、降雨 河海大学硕士学位论文 矿山尾矿坝体g p s 形变监测系统研究 量等气候信息以及地质力学观测数据一同分类保存，