井筒變形監(jiān)測(cè)

1、礦井井筒變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng) 姓名：姜明明 班級(jí)：電子信息工程14級(jí)4班 學(xué)號(hào)：201401101115 摘要：本文依據(jù)煤礦開(kāi)采過(guò)程中遇到的安全問(wèn)題，首先提出井筒變形監(jiān)測(cè)的必要性；然后提出了運(yùn)用激光測(cè)距法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)部各個(gè)高度處結(jié)構(gòu)的變化以監(jiān)測(cè)礦井變形的方案，最后提出了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及分析方案。關(guān)鍵詞：激光垂準(zhǔn) 激光測(cè)距 數(shù)據(jù)通信1、監(jiān)測(cè)方案的基本框架建立數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出實(shí)時(shí)信息 設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，并采用機(jī)械滑動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集激光垂準(zhǔn)，安置 基準(zhǔn)鋼絲2、井筒變形監(jiān)測(cè)原理及大體方案 在礦筒底部安裝一個(gè)傳感器，礦筒由上到下，每隔一定距離，對(duì)礦筒周?chē)饕粯?biāo)記點(diǎn)，利用激光測(cè)距傳感器，對(duì)這

2、些標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，確定各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)到傳感器的距離，當(dāng)?shù)V筒發(fā)生偏移時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)的位置必定發(fā)生改變，通過(guò)傳感器即可確定出哪一位置發(fā)生變化。礦筒由上到下，每隔一段距離，在礦筒周?chē)惭b一些激光測(cè)距傳感器，測(cè)量時(shí)，將一定質(zhì)量的重錘在礦筒中央放下，則激光傳感器所檢測(cè)到的到重錘的距離應(yīng)基本上保持一致，當(dāng)?shù)V筒某一位置發(fā)生變化時(shí)，可由傳感器推斷出來(lái)。如下圖所示：3、監(jiān)測(cè)具體方案的提出3.1垂線基準(zhǔn)的確定為了不影響礦井生產(chǎn)，利用檢修時(shí)間，可以摒棄傳統(tǒng)的鋼絲鉛垂基準(zhǔn)，采用激光垂準(zhǔn)基準(zhǔn)，激光垂準(zhǔn)基準(zhǔn)主要具有以下優(yōu)勢(shì)： (1)需要的安裝條件簡(jiǎn)單，安裝容易，可以選擇較小空間安置相關(guān)儀器； (2）由于垂準(zhǔn)儀采用的激光，其穿透性

3、能好，可以穿透超過(guò) 1000m 的距離，在電源性能強(qiáng)勁的情況下，基本可以滿(mǎn)足井筒觀測(cè)對(duì)距離的要求； (3）垂直度高，一般儀器其垂直度每 45000m 約有 1m 的垂直誤差，在幾百米深度的井內(nèi)使用，其精度高于傳統(tǒng)的鋼絲鉛垂基準(zhǔn)； (4）具有上、下投光的功能，可以大大地降低垂準(zhǔn)儀的安置高度條件及方便聯(lián)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。 在實(shí)施時(shí)充分運(yùn)用了激光垂準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，基準(zhǔn)線安置地點(diǎn)如下圖所示： （連線ac和連線bd相互垂直，同時(shí)兩條線也是圓的直徑） 由于井筒觀測(cè)條件的限制，分別利用激光垂準(zhǔn)儀在井下水平和地面進(jìn)行了上投和下投。確定基準(zhǔn)點(diǎn)a、b、c、d后，在井底和地面之間連接基準(zhǔn)鋼絲，在每根鋼絲的外側(cè)安裝上軸，要求軸不

4、能和鋼絲所在的直線有相對(duì)移動(dòng)穩(wěn)定性、可靠性要達(dá)標(biāo)。3.2觀測(cè)與采集 3.2.1超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測(cè)距的公式表示為：L=C×T。式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前

5、國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專(zhuān)用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。超聲波測(cè)距誤差分析根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。本

6、設(shè)計(jì)打算采用壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 3.2.2測(cè)量數(shù)據(jù)的選定   在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（每個(gè)軸外）安置三個(gè)激光測(cè)距儀組成一個(gè)測(cè)距儀組，三個(gè)測(cè)距儀的安置方式如下圖所示，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)都要測(cè)定三條藍(lán)色線段的長(zhǎng)度（觀測(cè)點(diǎn)到井壁的距離）。這樣測(cè)定

7、的好處：一是盡可能測(cè)得夠多的間距，同時(shí)保證井壁上各個(gè)點(diǎn)均勻分布，以便能夠得到科學(xué)有效的數(shù)據(jù)用以反映井筒各個(gè)層面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；二是縮短測(cè)量距離，使測(cè)得的數(shù)據(jù)精度夠高，減少測(cè)量誤差；三是盡量保證在矩形外測(cè)量，避免了箕斗或者罐籠對(duì)測(cè)量的影響。3.3機(jī)械滑動(dòng)裝置在每個(gè)軸上安裝上滑動(dòng)裝置，以使激光測(cè)距儀組能夠上下自由滑動(dòng)。同時(shí)在每根鋼絲（軸）的地面水平處安置一個(gè)垂直向下的激光測(cè)距儀（最好選擇一個(gè)量程在一千米左右的），在每個(gè)測(cè)距儀組的相應(yīng)位置安裝一個(gè)與測(cè)距儀相對(duì)應(yīng)的反射板，這樣就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)易礦井高度測(cè)量器件。每次采集數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)礦井高度校準(zhǔn)后，測(cè)距儀組向井底滑動(dòng)，控制采集高度間隔，便可以得到井筒各個(gè)層面的結(jié)

8、構(gòu)數(shù)據(jù)。 采用此種方法采集數(shù)據(jù)的好處： 一是相比較其他測(cè)量方案簡(jiǎn)捷高效；二是采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性可以保證；三是四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)可以不同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；四是可以通過(guò)改變測(cè)量時(shí)間間隔改變測(cè)量高度間隔。 注意：滑動(dòng)測(cè)量時(shí)，滑動(dòng)速度不宜過(guò)快，尤其是在測(cè)量點(diǎn)附近時(shí)，防止由于激光發(fā)射與接收的時(shí)間間隔產(chǎn)生誤差；四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的速度相近或者相似。3.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 構(gòu)建安全性高以及可擴(kuò)展性強(qiáng)的煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，使井下各類(lèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠安全可靠的傳輸，對(duì)保證煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。在分析井下數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究礦井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的需求特點(diǎn)和可用信道，提出一種適合煤礦井下使用的高速工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線+星形網(wǎng)絡(luò)的

9、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并分析了它的特點(diǎn)。注意；本系統(tǒng)不只是考慮井筒變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，還考慮了井下其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。3.4.1井下數(shù)據(jù)源 本文主要針對(duì)的是井筒變形安全性能的監(jiān)測(cè)，所以井下數(shù)據(jù)源主要是四路測(cè)距儀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，除此之外，考慮到井下其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也需要數(shù)據(jù)的傳輸，信號(hào)源也包括語(yǔ)音信號(hào)、視頻信號(hào)等其他信號(hào)。3.4.2需求特點(diǎn)以及信道的分析 其一，煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)流向是不均勻的，上行數(shù)據(jù)較多，下行數(shù)據(jù)相對(duì)較少；其二，由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，生產(chǎn)事故等意外事件的突發(fā)性，要求煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能適應(yīng)移動(dòng)和隨機(jī)接入的需要；其三，接入井下數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的通常是以微處理器為核心的監(jiān)測(cè)單

10、元或者分站，不具備強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能；其四，要考慮到未來(lái)各種數(shù)據(jù)的綜合傳輸。 3.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和傳輸過(guò)程 井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 具體的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程為：井下主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，組成井下數(shù)據(jù)傳輸主干道，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制指令的實(shí)時(shí)高速傳輸。控制指令（控制測(cè)量的井筒高度以及高度間隔）由井上服務(wù)器發(fā)出，經(jīng)光纖傳輸，最終傳給相應(yīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備（激光測(cè)距儀）。由采集到的數(shù)據(jù)先傳至井下光端機(jī)，再由井下光端機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在光纖中傳輸，傳往井上光端機(jī)，進(jìn)而傳至井上主站服務(wù)器。井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用3.4.3數(shù)據(jù)采集過(guò)程在主服務(wù)器或者主站設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率及待采系數(shù)，然后自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)用戶(hù)

11、設(shè)置的時(shí)間點(diǎn)時(shí)，主站執(zhí)行操作1，確認(rèn)分站設(shè)備是否工作正常，如果工作正常，則發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，執(zhí)行操作2。當(dāng)主站收到分站設(shè)備應(yīng)答信號(hào)后，隨即發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，執(zhí)行操作3，分站接收到指令后進(jìn)入采集程序，執(zhí)行操作4。主站接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，完成一次數(shù)據(jù)采集。1是發(fā)出握手信號(hào)；2是返回握手信號(hào)；3是發(fā)出采集指令； 4是返回采集數(shù)據(jù)4、數(shù)據(jù)處理與分析 4.1數(shù)據(jù)處理 測(cè)量結(jié)束后，對(duì)同一高度處的測(cè)距數(shù)據(jù)分別求出其平均值，依據(jù)實(shí)測(cè)的水平距離及四根鋼絲的平面坐標(biāo)，計(jì)算出在每個(gè)高度位置所測(cè)的12個(gè)井壁點(diǎn)的平面坐標(biāo)。采用 MATLAB 軟件利用六個(gè)井壁點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行圓的擬合，求出井筒每個(gè)橫斷面的圓心的平面坐標(biāo)及圓半徑。在圓的擬合過(guò)程中，對(duì)于極個(gè)別由于注漿等原因造成的井壁某處凸起或脫落而使井壁測(cè)量點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)產(chǎn)生的粗差應(yīng)進(jìn)行剔除，保證擬合圓圓心坐標(biāo)的精度。最后，依據(jù)圓心的平面坐標(biāo)及圓半徑繪制出井筒在 X 方向及 Y 方向的橫切面圖。以高度為Z軸，利用MATLAB建立有關(guān)井筒的立體三維圖形。4.2井筒變形周期性檢測(cè)為了定期對(duì)井筒變形情況進(jìn)行檢測(cè)，需要建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)，在本文的井筒監(jiān)測(cè)方法中，以四條鋼絲垂線為基準(zhǔn)，因此每次測(cè)量完成后需要保護(hù)好鋼絲和滑動(dòng)軸。在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止鋼絲損壞后對(duì)定期檢測(cè)工作造成影響，還需要保護(hù)好近井控制點(diǎn)。而且每次監(jiān)測(cè)都應(yīng)從地面十字