井筒变形监测

矿井井筒变形监测预警系统
姓名：姜明明
班级：电子信息工程14级4班
学号：201401101115
摘要：
本文依据煤矿开采过程中遇到的安全问题，首先提出井筒变形监测的必要性；然后提出了运用激光测距法实时监测矿井内部各个高度处结构的变化以监测矿井变形的方案，最后提出了实时数据传输及分析方案。

关键词：激光垂准激光测距数据通信
1、监测方案的基本框架
2、井筒变形监测原理及大体方案
在矿筒底部安装一个传感器，矿筒由上到下，每隔一定距离，对矿筒周围作一标记点，利用激光测距传感器，对这些标记点进行测距，确定各个标记点到传感器的距离，当矿筒发生偏移时，标记点的位置必定发生改变，通过传感器即可确定出哪一位置发生变化。

矿筒由上到下，每隔一段距离，在矿筒周围安装一些激光测距传感器，测量时，将一定质量的重锤在矿筒中央放下，则激光传感器所检测到的到重锤的距离应基本上保持一致，当矿筒某一位置发生变化时，可由传感器推断出来。

如下图所示：
3、监测具体方案的提出
3.1垂线基准的确定
为了不影响矿井生产，利用检修时间，可以摒弃传统的钢丝铅垂基准，采用激光垂准基准，激光垂准基准主要具有以下优势：
(1)需要的安装条件简单，安装容易，可以选择较小空间安置相关仪器；
(2）由于垂准仪采用的激光，其穿透性能好，可以穿透超过1000m 的距离，在电源性能强劲的情况下，基本可以满足井筒观测对距离的要求；
(3）垂直度高，一般仪器其垂直度每 45000m 约有 1m 的垂直误差，在几百米深度的井内使用，其精度高于传统的钢丝铅垂基准； (4）具有上、下投光的功能，可以大大地降低垂准仪的安置高度条件及方便联测点的设置。

在实施时充分运用了激光垂准的优势，基准线安置地点如下图
所示：
（连线ac和连线bd相互垂直，同时两条线也是圆的直径）由于井筒观测条件的限制，分别利用激光垂准仪在井下水平和地面进行了上投和下投。

确定基准点a、b、c、d后，在井底和地面之间连接基准钢丝，在每根钢丝的外侧安装上轴，要求轴不能和钢丝所在的直线有相对移动稳定性、可靠性要达标。

3.2观测与采集
3.2.1超声波测距原理
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T。

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物
体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs 的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

本设计打算采用压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3.2.2测量数据的选定
在每个观测点（每个轴外）安置三个激光测距仪组成一个测距仪组，三个测距仪的安置方式如下图所示，每个观测点都要测定三条蓝色线段的长度（观测点到井壁的距离）。

这样测定的好处：一是尽可能测得够多的间距，同时保证井壁上各个点均匀分布，以便能够得到科学有效的数据用以反映井筒各个层面的结构特点；二是缩短测量距离，使测得的数据精度够高，减少测
量误差；三是尽量保证在矩形外测量，避免了箕斗或者罐笼对测量的影响。

3.3机械滑动装置
在每个轴上安装上滑动装置，以使激光测距仪组能够上下自由滑动。

同时在每根钢丝（轴）的地面水平处安置一个垂直向下的激光测距仪（最好选择一个量程在一千米左右的），在每个测距仪组的相应位置安装一个与测距仪相对应的反射板，这样就构成了一个简易矿井高度测量器件。

每次采集数据时，经矿井高度校准后，测距仪组向井底滑动，控制采集高度间隔，便可以得到井筒各个层面的结构数据。

采用此种方法采集数据的好处：
一是相比较其他测量方案简捷高效；二是采集数据的稳定性可以保证；三是四个观测点可以不同时进行数据采集；四是可以通过改变测量时间间隔改变测量高度间隔。

注意：滑动测量时，滑动速度不宜过快，尤其是在测量点附近时，防止由于激光发射与接收的时间间隔产生误差；四个观测点的速度相近或者相似。

3.4数据传输系统
构建安全性高以及可扩展性强的煤矿井下数据传输系统，使井下各类系统的数据能够安全可靠的传输，对保证煤矿的安全生产具有重要的意义。

在分析井下数据源的基础上，通过研究矿井下数据传输系统的需求特点和可用信道，提出一种适合煤矿井下使用的高速工业以太网+现场总线+星形网络的数据传输系统，并分
析了它的特点。

注意；本系统不只是考虑井筒变形监测系统数据的传输，还考虑了井下其他监测系统数据的传输。

3.4.1井下数据源
本文主要针对的是井筒变形安全性能的监测，所以井下数据源主要是四路测距仪传输的数据，除此之外，考虑到井下其他监测系统也需要数据的传输，信号源也包括语音信号、视频信号等其他信号。

3.4.2需求特点以及信道的分析
其一，煤矿井下数据传输过程中，数据流向是不均匀的，上行数据较多，下行数据相对较少；其二，由于煤矿生产环境的特殊性，生产事故等意外事件的突发性，要求煤矿井下数据传输系统能适应移动和随机接入的需要；其三，接入井下数据传输网络的通常是以微处理器为核心的监测单元或者分站，不具备强大的联网功能；其四，要考虑到未来各种数据的综合传输。

3.3数据传输系统的基本结构和传输过程
井下数据传输系统结构
具体的数据传输过程为：井下主干网络采用环形结构，组成井下数据传输主干道，实现监测数据和控制指令的实时高速传输。

控制指令（控制测量的井筒高度以及高度间隔）由井上服务器发出，经光纤传输，最终传给相应数据采集设备（激光测距仪）。

由采集到的数据先传至井下光端机，再由井下光端机把电信号转换成光信号在光纤中传输，传往井上光端机，进而传至井上主站服务器。

井下数据传输系统的应用
3.4.3数据采集过程
在主服务器或者主站设置数据采集频率及待采系数，然后自动进入工作状态。

当到达用户设置的时间点时，主站执行操作1，确认分站设备是否工作正常，如果工作正常，则发出应答信号，执行操作2。

当主站收到分站设备应答信号后，随即发出数据采集指令，执行操作3，分站接收到指令后进入采集程序，执行操作4。

主站接收到数据后，将数据存储起来，完成一次数据采集。

1是发出握手信号；
2是返回握手信号；
3是发出采集指令；
4是返回采集数据
4、数据处理与分析
4.1数据处理
测量结束后，对同一高度处的测距数据分别求出其平均值，依据实测的水平距离及四根钢丝的平面坐标，计算出在每个高度位置所测的12个井壁点的平面坐标。

采用 MATLAB 软件利用六个井壁点的平面坐标进行圆的拟合，求出井筒每个横断面的圆心的平面坐标及圆半径。

在圆的拟合过程中，对于极个别由于注浆等原因造成的井壁某处凸起或脱落而使井壁测量点点位坐标产生的粗差应进行剔除，保证拟合圆圆心坐标的精度。

最后，依据圆心的平面坐标及圆半径绘制出井筒在 X 方向及 Y 方向的横切面图。

以高度为Z轴，利用MATLAB建立有关井筒的立体三维图形。

4.2井筒变形周期性检测
为了定期对井筒变形情况进行检测，需要建立统一的基准，在本文的井筒监测方法中，以四条钢丝垂线为基准，因此每次测量完成后需要保护好钢丝和滑动轴。

在实际应用中，为了防止钢丝损坏后对定期检测工作造成影响，还需要保护好近井控制点。

而且每次监测都应从地面十字中线点精确测量固定后的钢丝的平面坐标。

除此之外，还要做好每次测量前的校准工作，包括高度的校准、测距仪的校准等。

5、总结
本文依据煤矿开采过程中遇到的安全问题，首先提出井筒变形监测的必要性；然后提出了运用激光测距法实时监测矿井内部各个高度处结构的变化以监测矿井变形的方案，最后提出了实时数据传输及分析方案。

尽管该系统还未进行实践证实可行性，但是从理论上为矿山的生产实践提供了依据。