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Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 井筒是煤矿生产的必经通道,也担负着开采安 全的重要使命。在煤矿长期的运营中,受竖向附加 力等多种因素影响[1], 井筒极易出现变形导致井壁 破裂及运输困难,给煤矿生产带来诸多安全隐患, 因此须对井筒变形进行监测。 目前,井筒监测方法主要包括传感器法和几何 测量法。传感器法的原始测量数据一般为应力、 应 变、 温度等物理量, 例如在井壁埋设应变计, 根据钢 筋受力、 混凝土应变数据判断钢筋混凝土结构安全 性[2], 或者布设线性位移传感器, 基于数据网络通信 技术, 构建井筒变形监测系统[3-4]。近几年来, 光纤光 栅传感技术已在井筒变形监测中得以成功应用, 基 于光纤光栅波长变化与井壁岩层压缩变形的对应 关系, 采用分布式传感机制, 构建在线监测系统, 实 现井筒井壁结构的信息化监测[5-7]。几何测量法则主 要是通过测算三维坐标及尺度,监测井筒随时间在 空间域内的变化, 相比于传感器法, 尽管难以做到在 线实时监测, 但其量程大、 测量范围可达整体, 故仍 被广泛采用。 对立井井筒而言,由于井筒垂直度可反映其整 体偏斜与挠曲变形信息,故井筒垂直度检测是井筒 变形监测的重要内容。垂直度检测的关键问题是如 何构建铅垂基准,目前主要有钢丝基准线法和激光 准直法。钢丝基准线法应用较为普遍,一般在井筒 内下放 2 根或 4 根钢丝, 通过升降罐笼作业平台, 测 量井壁特定点位至钢丝基准的水平距离,依距离交 会及最小二乘原理平差计算各断面点坐标,进而评 判井筒的垂直度[8-9]。山东科技大学近年来组合 6部 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.028 基于激光准直的深井井筒垂直度检测方法 刘尚国, 杨兴建, 郑文华 (山东科技大学 测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266590) 摘要 立井井筒垂直度检测是井筒变形监测的重要内容, 但目前的激光铅垂仪难以满足深井 检测需求。通过改造激光指向仪, 解决了千米深井激光准直基准的长距离投垂问题, 并组合利用 激光接收装置、 激光测距传感器等, 研制了基于激光准直的井筒垂直度检测系统, 研究并解决了 激光光斑边缘提取与中心定位、 检测系统的基准校准等关键问题。经工程测试, 该检测系统方案 可行, 相比于双钢丝法的检测偏差可控制在1 cm 以内, 而检测时间缩减近 50, 能够较好地解 决深井井筒垂直度检测难题。 关键词 井筒变形; 垂直度检测; 激光准直; 激光铅垂仪; 千米深井 中图分类号 TD262.5文献标志码 B文章编号 1003-496X (2019 ) 12-0123-04 Deep Shaft Verticality Detection Based on Laser Collimation LIU Shangguo, YANG Xingjian, ZHENG Wenhua (College of Geomatics, Shandong University of Science Technology, Qingdao 266590, China) Abstract Verticality detection of vertical shaft is an important part of shaft deation monitoring, but the current laser plumb instrument is difficult to meet the needs of deep shaft detection. By modifying the laser pointing instrument, the problem of long distance drop of laser collimation datum in a kilometer deep well is solved. And a shaft verticality detection system based on laser collimation is developed by combining laser receiving device, laser ranging sensor, etc. The key problems of laser spot edge extraction, center location and reference calibration of detection system are studied and solved. The project test shows that the scheme of the detection system is feasible. Compared with the double steel wire , the detection deviation can be controlled within 1 cm, and the detection time can be reduced by nearly 50. So, the system can solve the problem of vertical detection of deep shaft. Key words shaft deation; verticality detection; laser collimation; laser plumb instrument; kilometer deep mine 基金项目 山东省本科高校教学改革研究资助项目 (Z2016M002) ; 山东科技大学优秀教学团队建设计划资助项目 (JXTD20160502) 123 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 2安置于罐笼平台的测量装置示意图 图 1激光指向仪的铅垂投射改造 手持式激光测距仪,研制了可用于立井井筒垂直度 检测的组合式激光测距系统[10-11], 已成功应用于多 家煤矿企业。但是由于悬挂钢丝操作较为繁琐, 钢 丝易遭锈蚀, 且铅垂基准易受风力、 淋水、 颤动等因 素影响,故一些工程采用激光铅垂仪,构建双激光 基准[12-13], 用以取代钢丝基准。但是, 激光铅垂仪的 投射范围一般为上下各 200 m,对于深度大于 400 m 的深井将无法一次性完成检测[13]。 针对千米深井的井筒垂直度检测需求,通过改 造激光指向仪提供长距离激光准直基准,组合激光 接收装置、激光测距传感器等,研制了基于激光准 直的井筒垂直度检测系统,并在实际工程中进行了 初步测试。 1激光准直垂直度检测原理与方案 1.1激光指向仪的铅垂投射改造 目前,激光铅垂仪的研制主要是针对建筑工程 领域, 投垂深度多在 200 m 左右, 激光功率普遍较 小、 光斑发散较大, 难以用于深井井筒垂直度检测。 相对而言,隧道及巷道掘进所采用的激光指向仪, 激光功率及投射距离则普遍较优。如 YBJ-1500 型 激光指向仪, 投射距离最远可达 1 500 m, 千米范围 内激光斑直径最大不超过 35 mm 且无飘移, 可为立 井井筒垂直度检测提供可靠的铅垂基准。 通过设计加工连接构件,可将 YBJ-1500 型激 光指向仪稳定地安装在全站仪通用基座之上,借助 于全站仪脚螺旋微调,可使其投射铅垂基准线, 从 而改造为可用于千米深井检测的 “激光铅垂仪” , 激 光指向仪的铅垂投射改造如图 1。 1.2激光准直垂直度检测系统方案 为提高激光准直井筒垂直度检测的工作效率, 设计了安置于罐笼平台的测量装置。安置于罐笼平 台的测量装置示意图如图 2,该装置构造主要包括 激光接收装置、激光测距传感器、支架及可伸缩连 杆, 并通过安置于罐道的编码器测量罐笼运行垂距, 配置单片机实现观测数据的自动采集,从而构建了 基于激光准直的井筒垂直度检测系统[14]。 在井架上安置经改装的 YBJ-1500 型激光指向 仪, 使其垂直向下投射激光, 给出井筒垂直度测量的 基准线。将测量装置安置于罐笼顶部,通过激光接 收装置自动量算激光光斑坐标, 结合罐笼垂距测量, 确定测量平台的空间位置。以每个接收装置中心为 基准 (命名为 “测距中心” ) , 各辐射安置 6 个激光测 距传感器,测算测距中心至井壁的距离。同时设置 可伸缩连杆, 配合激光测距传感器, 可测定罐道的垂 直度姿态。上述各类测量任务的触发,以及测量数 据的存储, 均采用单片机技术实现自动控制。 1.3井筒断面坐标的测量原理 井筒断面坐标的测量原理如图 3,采用经纬仪 工业测量系统, 可精确测定 1~6 号测距仪轴线与测 量平台基准线的夹角 βi。 当设置 2 套接收装置时, 测 量平台基准线为 2 个测距中心 O1和 O2的连线, 若 只有 1 套接收装置, 基准线则采用平台上刻画线。 通过精密导线测量,在井口附近设置 1~2 个控 制点。然后采用高精度全站仪,测定测量平台基准 线在煤矿工业广场坐标系统中的方位角 α0, 则根据 所标定测距轴线与基准线的夹角 βi,可推算各测距 仪测距轴线的坐标方位角 αi。设井筒内第 j 层由接 收装置测算的测距中心坐标为 (xj0, yj0) , 则该层测得 的井壁坐标为 xjixj0Djicosαi yjiyj0Djisinαi {(1 ) 124 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 5激光光斑图像及其边缘检测 图 4激光光斑中心检测装置 图 3井筒断面坐标的测量原理 式中 i1, 2, , 6; Dji为第 j 层依据 i 号激光测 距值所归算的测距中心 O 至 i 点的水平距离。 每套激光接收装置配置 6 个激光测距传感器, 若采用 2 套接收装置, 则每层观测最多可获取 12 个 井壁坐标。依最小二乘原理, 可在 MATLAB 中拟合 平面圆,求取圆心坐标,进而通过系列观测层圆心 坐标的偏差值, 评判井筒垂直度[10-11]。 2激光光斑中心的检测方法 研制了激光光斑中心检测装置 (图 4) , 即在激 光光斑一侧设置刚性支架,并固定安置数码相机, 拍摄激光光斑影像,通过数字图像处理,提取光斑 中心坐标。 通过试验发现 YBJ-1500 型激光指向仪所形成 的光斑图像具有多条绿色光环 (图 5) , 光斑边缘识 别较困难。经测试, 可利用 MATLAB 二维离散小波 变换函数 dwt2 首先进行滤波处理,然后采用函数 Filter2 对滤波图像进行平滑,进而采用 im2bw 函数 进行二值化处理,最后采用基于像素灰度梯度峰值 检测的边界直接搜索算法识别光斑边缘[15]。 采用灰度加权重心法,即以激光光斑边缘内各 像素的灰度值为权重,计算所有像素坐标的加权平 均值, 作为激光光斑的中心坐标 (xj0, yj0) 。再根据像 平面坐标系与工业广场坐标系之间的转换关系, 依 四参数模型求取测距中心坐标 (Xj0, Yj0) , 进而按式 (1) 计算系列井壁坐标。 3系统校准与工程测试 3.1激光铅垂基准的校准 由于激光垂准的光束是井筒垂直度测量的基 准, 应在工程应用之前进行校准, 校准方法为 ①将 改造的铅垂仪在井架上安装固定,并借助全站仪水 准器进行整平;②将测量平台随罐笼运行至一定深 度 (如井深的 1/2) , 打开垂准光束; ③依次按 90旋 转激光铅垂仪, 记录 4 个对称的激光光斑中心, 取 4 个位置的中心作为基准点;④在井架上微动全站仪 脚螺旋,将光束精确调整至基准点;⑤升降罐笼和 测量平台至新位置,旋转激光铅垂仪检查激光光斑 中心是否偏移, 若偏移量大于 1 mm, 重复上述步骤。 3.2工程测试方法 为了验证检测系统的可行性,结合山东省某煤 矿主副井井筒垂直度检测项目,进行了现场测试。 测试系统的设备选型分别为 YBJ-1500 型激光指向 仪、 RWRFA2-HT10 型激光测距仪、 EOS 5D Mark II 数码相机以及 LPC1768 ARM 型单片机。 受设备防水性能及现场条件限制,仅采用 1 台 套测量装置,在副井井筒中选取 100、 200、 300、 400 m 4 个横断面进行测试。 125 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 从测试结果来看,激光准直法与双钢丝法的偏 差可控制在 1 cm 以内。鉴于井壁粗糙, 2 类方法所 观测的井壁点未必重合,故可以判定 2 类方法的检 测结果趋于一致, 方法可行。且测试过程表明, 相比 于传统的双钢丝法,所研制的激光准直垂直度检测 系统操作简便,等量检测内容的作业时间可缩减近 50, 故作业效率得以显著提高。 4结语 相比于目前应用的井筒垂直度检测方法,所研 制的激光准直检测系统具有量程大、作业效率高、 测量性能可靠等技术优势,尤其适用于深井整体及 分层垂直度检测。但作为一种新方法,尚需开展如 下研究与开发工作①以视频动态检测技术取代静 态影像后处理模式,提高系统的集成化和自动化程 度;②敷设双轴倾角传感器,用以实时获取测量平 台的姿态参数,进一步提高系统测量精度;③研究 解决测量装置的防水问题,提高检测系统的环境适 应性。 参考文献 [1] 赵仁乐, 杨胜硕, 李廷春.郭屯煤矿主井井壁变形破坏 治理技术研究 [J] .煤炭技术, 2018, 37 (4) 61-63. 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[15] 刘尚国.基于三角法测量系统的工业设备形位检测 技术研究 [D] .青岛 山东科技大学, 2011. 表 1激光准直垂直度检测的工程测试结果 3.3测试结果及分析 每层观测 6 个井壁点坐标,分别拟合计算 4 个 井筒断面的中心坐标,以 400 m 的断面中心为参 考, 依坐标差计算井筒垂直度检测值, 并与双钢丝组 合式激光测距系统的检测成果进行对比分析 [10], 激 光准直垂直度检测的工程测试结果见表 1。 作者简介 刘尚国 (1979) , 山东菏泽人, 副教授, 博 士, 2011 年毕业于山东科技大学, 主要从事矿山测量、 精密 工程与工业测量方面的教学与研究工作。 (收稿日期 2019-03-01; 责任编辑 李力欣) 井深 /m 激光准直法 拟合的断面中心坐标 激光准直法 垂直度检测值 双钢丝法 垂直度检测值 2 种方法的检测偏差 x/my/m△x/mm△y/mm△x/mm△y/mmδx/mmδy/mm 100 200 300 400 3 906 600.951 3 906 600.964 3 906 600.969 3 906 600.990 398 273.129 398 273.132 398 273.116 398 273.093 -39 -26 -21 0 36 39 23 0 -37 -26 -18 0 31 39 15 0 -2 0 -3 0 5 0 8 0 126 ChaoXing
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