CN105627981A - 一种开采沉陷变形预测预报系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开采沉陷变形预测预报系统，包括数据采集模块，人机操作模块，中央处理器，数据分析处理模块，图形绘制模块，回归计算模块，预测分析模块，专家建议模块，仿真模型建立模块，虚拟传感器，虚拟作动器和仿真分析模块，虚拟作动器通过循环执行分析将结构反馈给仿真分析模块，所述仿真分析模块自动提取数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器将自动显示结果。本发明能够实时采集地表的移动变形数据，并且实时发送数据信息，从而达到了开采沉陷变形数据的实时监测，通过三维仿真模型的设计，使得工作人员可以身临其境的观察工作面在整个开采过程中的变化，大大提高了预测的精确度；也可以进行开采参数变化的模拟和开采沉陷的变形预测模拟。

Description

一种开采沉陷变形预测预报系统
技术领域
本发明涉及采煤领域，具体涉及一种开采沉陷变形预测预报系统。
背景技术
随着采煤技术的不断提高，采煤活动的不断加剧，采煤对环境已造成巨大危害。在采煤过程中会造成的地表沉降，矿山开采造成地表下沉而带来一系列灾难性的后果，如平地积水、农田减产、道路裂缝、房屋倒塌等，不仅是耕地减少的重要原因，也是制约矿山生产的瓶颈之一。传统的煤矿开采沉陷监测数据采集通过建立观测站，采用全站仪以及水准仪进行定期观测，方法单一，手段落后、效率低、信息化程度低，造成人力物力的浪费，不能有效保证移动变形信息的准确性、可靠性和实时性。如果能有一套煤矿开采地表移动变形自动化监测系统能够实时采集监测点，并且实时发送数据信息引导预测矿区的沉陷情况，安全管理体系的健全，则对保护国家财产安全有着非常重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种开采沉陷变形预测预报系统，能够实时采集地表的移动变形数据，并且实时发送数据信息，从而达到了开采沉陷变形数据的实时监测，通过三维仿真模型的设计，使得工作人员可以身临其境的观察工作面在整个开采过程中的变化，大大提高了预测的精确度；同时也可以通过各种仿真方法对三维仿真模型进行开采参数变化的模拟，也可进行开采沉陷的变形预测模拟。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种开采沉陷变形预测预报系统，包括
数据采集模块，用于通过GNSS基准站子系统准确位置和实时监测站定位结果实时获取监测点地表的移动变形数据，并通过北斗模块将数据发送到中央处理器，发送到数据库进行储存；
人机操作模块，用于输入开采工作面的参数数据，并将所输入的数据发送到中央处理器；用于输入数据调用命令；
中央处理器，用于接收数据采集模块和人机操作模块所发送的数据，并将所接收到的数据发送到数据分析处理模块和图形绘制模块；并将所接收到的数据转换成仿真模型建立模块所能识别的格式发送到仿真模型建立模块；用于根据人机操作模块输入的数据调用命令，在数据库中进行数据的调用；
数据分析处理模块，用于根据每个工作面的参数以及对应的所采集到的地表移动变形数据，获得每个采样点的走向各变形值和倾斜方向各变形值，并根据每个采样点的走向各变形值和倾斜方向各变形值，采用概率积分法获得每个工作面的沿工作面走向各变形值和沿工作面倾斜方向各变形值，并将所获得的数据发送到仿真模型建立模块，发送到显示屏进行显示，发送到数据库进行储存；
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；
回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算；
预测分析模块，用于根据与原实测曲线的对比分析，进行沉陷变形情况的预测并修正设计参数，指导施工；
专家建议模块，用于根据监测数据中工作面变形值的大小或异常突变点从专家数据库中查询类似案例数据，从而提供解决办法；
仿真模型建立模块，包括180°立体柱状环幕、高性能图形集群服务器和六组3D投影仪，面向六通道同步并行图像运算，涵盖各种工作面组成图像，并予以详细刻画，用于根据根据每个工作面的参数以及对应的所采集到的地表移动变形数据建立工作面的仿真三维模型；
虚拟传感器，为仿真三维模型中插入的能达到直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与仿真三维模型中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析模块针对不同的参数进行计算求解；
仿真分析模块，用于将输入参数划分为单元、特性和载荷，分别作用到仿真三维模型中的各个部位，并通过预设的仿真方法和仿真算法进行仿真分析；
虚拟作动器通过循环执行分析将结构反馈给仿真分析模块，所述仿真分析模块自动提取数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器将自动显示结果。
优选地，所述工作面的参数包括下沉系数、水平移动系数、拐点偏距、主要影响正切值、开采影响传播角、最大下沉角、煤层倾角、工作面尺寸、采深和采厚。
优选地，所述的变形值包括下沉值、倾斜值、曲率值、水平移动值和水平变形值。
优选地，所述GNSS基准站子系统包括CORS专用接收机、CORS专用天线、馈线、避雷针、馈线避雷器、电源避雷器、强制对中装置、观测墩，架设在观测墩顶部强制对中装置的CORS专用天线用馈线连接CORS专用接收机的GNSS接口，馈线避雷器连接避雷针和电源避雷器，CORS专用接收机实时跟踪、采集、传输、存储GNSS卫星数据，并将结果传递到数据采集模块。
优选地，所述实时监测站子系统包括地表形变空地一体化监测装置和非连续实时监测站，地表形变空地一体化监测装置包括，包括固定台、竖直安装在固定台上的GPS观测杆以及通过带伺服装置的旋转轴安装在固定台上的InSAR人工角反射器，所述GPS观测杆的顶端安装有北斗模块，固定台上还埋设有高出固定台面的水准测量标志；非连续实时监测站是以移动平台为控制终端，集GPS、全站仪、数字水准仪一体化的外业采集终端系统。
优选地，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随开挖面推进的变化规律。
优选地，所述数据曲线采用折线和平滑曲线绘制，所述平滑曲线选用拉格朗日和三次样条算法，并在绘制时添加各种标注信息。
优选地，还包括
显示屏，用于显示输入的数据、采集到的以及生成数据；
语音模块，用于通过语音的方式进行输入的数据、采集到的数据以及生成的数据的播放。
优选地，所述仿真分析模块连接有仿真分析方法和算法数据库，用于储存各种仿真分析算法和方法。
优选地，所述专家建议模块连接有专家数据库，用于储存各种开采沉陷变形预测经典案例。
本发明具有以下有益效果：
能够实时采集地表的移动变形数据，并且实时发送数据信息，从而达到了开采沉陷变形数据的实时监测，通过三维仿真模型的设计，使得工作人员可以身临其境的观察工作面在整个开采过程中的变化，大大提高了预测的精确度；同时也可以通过各种仿真方法对三维仿真模型进行开采参数变化的模拟，也可进行开采沉陷的变形预测模拟。
附图说明
图1为本发明实施例一种开采沉陷变形预测预报系统的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种开采沉陷变形预测预报系统，包括
数据采集模块，用于通过GNSS基准站子系统准确位置和实时监测站定位结果实时获取监测点地表的移动变形数据，并通过北斗模块将数据发送到中央处理器，发送到数据库进行储存；
人机操作模块，用于输入开采工作面的参数数据，并将所输入的数据发送到中央处理器；用于输入数据调用命令；
中央处理器，用于接收数据采集模块和人机操作模块所发送的数据，并将所接收到的数据发送到数据分析处理模块和图形绘制模块；并将所接收到的数据转换成仿真模型建立模块所能识别的格式发送到仿真模型建立模块；用于根据人机操作模块输入的数据调用命令，在数据库中进行数据的调用；
数据分析处理模块，用于根据每个工作面的参数以及对应的所采集到的地表移动变形数据，获得每个采样点的走向各变形值和倾斜方向各变形值，并根据每个采样点的走向各变形值和倾斜方向各变形值，采用概率积分法获得每个工作面的沿工作面走向各变形值和沿工作面倾斜方向各变形值，并将所获得的数据发送到仿真模型建立模块，发送到显示屏进行显示，发送到数据库进行储存；
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；
回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算；
预测分析模块，用于根据与原实测曲线的对比分析，进行沉陷变形情况的预测并修正设计参数，指导施工；
专家建议模块，用于根据监测数据中工作面变形值的大小或异常突变点从专家数据库中查询类似案例数据，从而提供解决办法；
仿真模型建立模块，包括180°立体柱状环幕、高性能图形集群服务器和六组3D投影仪，面向六通道同步并行图像运算，涵盖各种工作面组成图像，并予以详细刻画，用于根据根据每个工作面的参数以及对应的所采集到的地表移动变形数据建立工作面的仿真三维模型；
虚拟传感器，为仿真三维模型中插入的能达到直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与仿真三维模型中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析模块针对不同的参数进行计算求解；
仿真分析模块，用于将输入参数划分为单元、特性和载荷，分别作用到仿真三维模型中的各个部位，并通过预设的仿真方法和仿真算法进行仿真分析；
虚拟作动器通过循环执行分析将结构反馈给仿真分析模块，所述仿真分析模块自动提取数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器将自动显示结果。
所述工作面的参数包括下沉系数、水平移动系数、拐点偏距、主要影响正切值、开采影响传播角、最大下沉角、煤层倾角、工作面尺寸、采深和采厚。
所述的变形值包括下沉值、倾斜值、曲率值、水平移动值和水平变形值。
所述GNSS基准站子系统包括CORS专用接收机、CORS专用天线、馈线、避雷针、馈线避雷器、电源避雷器、强制对中装置、观测墩，架设在观测墩顶部强制对中装置的CORS专用天线用馈线连接CORS专用接收机的GNSS接口，馈线避雷器连接避雷针和电源避雷器，CORS专用接收机实时跟踪、采集、传输、存储GNSS卫星数据，并将结果传递到数据采集模块。
所述实时监测站子系统包括地表形变空地一体化监测装置和非连续实时监测站，地表形变空地一体化监测装置包括，包括固定台、竖直安装在固定台上的GPS观测杆以及通过带伺服装置的旋转轴安装在固定台上的InSAR人工角反射器，所述GPS观测杆的顶端安装有北斗模块，固定台上还埋设有高出固定台面的水准测量标志；非连续实时监测站是以移动平台为控制终端，集GPS、全站仪、数字水准仪一体化的外业采集终端系统。
所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随开挖面推进的变化规律。
所述数据曲线采用折线和平滑曲线绘制，所述平滑曲线选用拉格朗日和三次样条算法，并在绘制时添加各种标注信息。
还包括
显示屏，用于显示输入的数据、采集到的以及生成数据；
语音模块，用于通过语音的方式进行输入的数据、采集到的数据以及生成的数据的播放。
所述仿真分析模块连接有仿真分析方法和算法数据库，用于储存各种仿真分析算法和方法。
所述专家建议模块连接有专家数据库，用于储存各种开采沉陷变形预测经典案例。
所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器，所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。所述数据库用于储存人机操作模块所输入的数据以及整个监测过程中所产生的所有数据，同时内设自动打包上传模块，用于当数据库内数据的量到底设定的数量时，自动将数据打包上传到指定邮箱，并发送清除数据库中的这些数据的请求到指定终端，若指定终端回复“确定清除“的信息，则清除数据库中的这些数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，包括
数据采集模块，用于通过GNSS基准站子系统准确位置和实时监测站定位结果实时获取监测点地表的移动变形数据，并通过北斗模块将数据发送到中央处理器，发送到数据库进行储存；
人机操作模块，用于输入开采工作面的参数数据，并将所输入的数据发送到中央处理器；用于输入数据调用命令；
中央处理器，用于接收数据采集模块和人机操作模块所发送的数据，并将所接收到的数据发送到数据分析处理模块和图形绘制模块；并将所接收到的数据转换成仿真模型建立模块所能识别的格式发送到仿真模型建立模块；用于根据人机操作模块输入的数据调用命令，在数据库中进行数据的调用；
数据分析处理模块，用于根据每个工作面的参数以及对应的所采集到的地表移动变形数据，获得每个采样点的走向各变形值和倾斜方向各变形值，并根据每个采样点的走向各变形值和倾斜方向各变形值，采用概率积分法获得每个工作面的沿工作面走向各变形值和沿工作面倾斜方向各变形值，并将所获得的数据发送到仿真模型建立模块，发送到显示屏进行显示；
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；
回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算；
预测分析模块，用于根据与原实测曲线的对比分析，进行沉陷变形情况的预测并修正设计参数，指导施工；
专家建议模块，用于根据监测数据中工作面变形值的大小或异常突变点从专家数据库中查询类似案例数据，从而提供解决办法；
仿真模型建立模块，包括180°立体柱状环幕、高性能图形集群服务器和六组3D投影仪，面向六通道同步并行图像运算，涵盖各种工作面组成图像，并予以详细刻画，用于根据根据每个工作面的参数以及对应的所采集到的地表移动变形数据建立工作面的仿真三维模型；
虚拟传感器，为仿真三维模型中插入的能达到直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与仿真三维模型中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析模块针对不同的参数进行计算求解；
仿真分析模块，用于将输入参数划分为单元、特性和载荷，分别作用到仿真三维模型中的各个部位，并通过预设的仿真方法和仿真算法进行仿真分析；
虚拟作动器通过循环执行分析将结构反馈给仿真分析模块，所述仿真分析模块自动提取数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器将自动显示结果。
2.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述工作面的参数包括下沉系数、水平移动系数、拐点偏距、主要影响正切值、开采影响传播角、最大下沉角、煤层倾角、工作面尺寸、采深和采厚。
3.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述的变形值包括下沉值、倾斜值、曲率值、水平移动值和水平变形值。
4.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述GNSS基准站子系统包括CORS专用接收机、CORS专用天线、馈线、避雷针、馈线避雷器、电源避雷器、强制对中装置、观测墩，架设在观测墩顶部强制对中装置的CORS专用天线用馈线连接CORS专用接收机的GNSS接口，馈线避雷器连接避雷针和电源避雷器，CORS专用接收机实时跟踪、采集、传输、存储GNSS卫星数据，并将结果传递到数据采集模块。
5.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述实时监测站子系统包括地表形变空地一体化监测装置和非连续实时监测站，地表形变空地一体化监测装置包括，包括固定台、竖直安装在固定台上的GPS观测杆以及通过带伺服装置的旋转轴安装在固定台上的InSAR人工角反射器，所述GPS观测杆的顶端安装有北斗模块，固定台上还埋设有高出固定台面的水准测量标志；非连续实时监测站是以移动平台为控制终端，集GPS、全站仪、数字水准仪一体化的外业采集终端系统。
6.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随开挖面推进的变化规律。
7.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述数据曲线采用折线和平滑曲线绘制，所述平滑曲线选用拉格朗日和三次样条算法，并在绘制时添加各种标注信息。
8.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，还包括
显示屏，用于显示输入的数据、采集到的以及生成数据；
语音模块，用于通过语音的方式进行输入的数据、采集到的数据以及生成的数据的播放。
9.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述仿真分析模块连接有仿真分析方法和算法数据库，用于储存各种仿真分析算法和方法。
10.根据权利要求1所述的一种开采沉陷变形预测预报系统，其特征在于，所述专家建议模块连接有专家数据库，用于储存各种开采沉陷变形预测经典案例。
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