井筒變形監(jiān)測

1、礦井井筒變形監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)姓名：姜明明班級：電子信息工程14級4班學(xué)號：201401101115摘要：本文依據(jù)煤礦開采過程中遇到的安全問題，首先提出井筒變形監(jiān) 測的必要性；然后提出了運(yùn)用激光測距法實(shí)時監(jiān)測礦井內(nèi)部各個高度 處結(jié)構(gòu)的變化以監(jiān)測礦井變形的方案，最后提出了實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸及分 析方案。關(guān)鍵詞：激光垂準(zhǔn) 激光測距數(shù)據(jù)通信1、監(jiān)測方案的基本框架激光垂準(zhǔn)，安 置基準(zhǔn)鋼絲設(shè)置觀測 點(diǎn)，并采用機(jī) 械滑動裝置 進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集建立數(shù)據(jù)通信 系統(tǒng)，對數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析處 理，得出實(shí)時 信息2、井筒變形監(jiān)測原理及大體方案在礦筒底部安裝一個傳感器，礦筒由上到下，每隔一定距離， 對礦筒周圍作一標(biāo)記點(diǎn)，利用激光測距傳

2、感器，對這些標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測 距，確定各個標(biāo)記點(diǎn)到傳感器的距離，當(dāng)?shù)V筒發(fā)生偏移時，標(biāo)記點(diǎn)的 位置必定發(fā)生改變，通過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，在礦筒周圍安裝一些激光測距傳感器，測 量時，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，可由 傳感器推斷出來。如下圖所示：3、監(jiān)測具體方案的提出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：(1)需要的安裝條件簡單，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)

3、儀采用的激光，其穿透性能好，可以穿透超過 1000m的距離，在電源性能強(qiáng)勁的情況下，基本可以滿足井筒觀測 對距離的要求；(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)測點(diǎn)的設(shè)置。在實(shí)施時充分運(yùn)用了激光垂準(zhǔn)的優(yōu)勢，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，同時兩條線也是圓的直徑）由于井筒觀測條件的限制，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

4、軸，要求軸不能和鋼絲所 在的直線有相對移動穩(wěn)定性、可靠性要達(dá)標(biāo)。3.2 觀測與采集3.2.1 超聲波測距原理超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測 量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間 差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與 雷達(dá)原理是一樣的。測距的公式表示為：L=CXT。式中L為測量的距離長度；C為超 聲波在空氣中的傳播速度；1為測量距離傳播的時間差（T為發(fā)射到接 收時間數(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、與被測量物 體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。在精密 的液位測量中需要達(dá)到毫米級

5、的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測 距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤 差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器 進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到 毫米級的測量精度。超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=CXT,可知測距的誤 差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值 精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的 12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時器能方便的計(jì)數(shù)到1 us 的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時

6、間誤差在1mm的測量范 圍內(nèi)。本設(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，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其 頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶 動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電 信號，這時它就成為超聲波接收器了。黑身放發(fā)射蟀史隋礙物、1炮聲波整收探頭圖1越聲波測距原理圖3.2.2 測量數(shù)據(jù)的選定色線段的長度（觀測點(diǎn)到井壁的距離）。在每個觀測點(diǎn)（每個軸外）安置三個激光測距儀組成一

7、個測距儀組，三個測距儀的安置方式如下圖所示，每個觀測點(diǎn)都要測定三條藍(lán)這樣測定的好處：一是盡可能測得夠多的間距，同時保證井壁上各個點(diǎn)均勻分布，以便能夠得到科學(xué)有效的數(shù)據(jù)用以反映井筒各個層 面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；二是縮短測量距離，使測得的數(shù)據(jù)精度夠高，減少測量誤差；三是盡量保證在矩形外測量，避免了箕斗或者罐籠對測量的 影響。3.3 機(jī)械滑動裝置在每個軸上安裝上滑動裝置，以使激光測距儀組能夠上下自由滑 動。同時在每根鋼絲（軸）的地面水平處安置一個垂直向下的激光測 距儀（最好選擇一個量程在一千米左右的），在每個測距儀組的相應(yīng) 位置安裝一個與測距儀相對應(yīng)的反射板，這樣就構(gòu)成了 一個簡易礦井 高度測量器件。每次采

8、集數(shù)據(jù)時，經(jīng)礦井高度校準(zhǔn)后，測距儀組向井 底滑動，控制采集高度間隔，便可以得到井筒各個層面的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。采用此種方法采集數(shù)據(jù)的好處：一是相比較其他測量方案簡捷高效；二是采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性可以 保證；三是四個觀測點(diǎn)可以不同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；四是可以通過改變 測量時間間隔改變測量高度間隔。注意：滑動測量時，滑動速度不宜過快，尤其是在測量點(diǎn)附近時， 防止由于激光發(fā)射與接收的時間間隔產(chǎn)生誤差；四個觀測點(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 下各類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠安全可靠的傳輸，對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，通過研究礦

9、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)場總線+星形網(wǎng)絡(luò)的數(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)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，還考慮 了井下其他監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。3.4.1 井下數(shù)據(jù)源本文主要針對的是井筒變形安全性能的監(jiān)測，所以井下數(shù)據(jù) 源主要是四路測距儀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，除此之外，考慮到井下其他監(jiān) 測系統(tǒng)也需要數(shù)據(jù)的傳輸，信號源也包括語音信號、視頻信號等 其他信號。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

10、發(fā)性，要求煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸系 統(tǒng)能適應(yīng)移動和隨機(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)測單元或者分站，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)和傳輸過程井上服旁is I網(wǎng)買1井下工業(yè)以太光線環(huán)同事現(xiàn)場呼+受毒吧井下藐3井下分站”:光的機(jī)【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)測數(shù)據(jù)和控制指令的實(shí)時高速傳輸?？刂浦?令（控制測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（激光測距儀）。由采集到的數(shù)據(jù) 先傳至井下光端機(jī)，

11、再由井下光端機(jī)把電信號轉(zhuǎn)換成光信號在光纖中 傳輸，傳往井上光端機(jī)，進(jìn)而傳至井上主站服務(wù)器。光端機(jī)置端機(jī)4留電纜485電爆485電賽井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用向好標(biāo)井口據(jù)傳輸網(wǎng)第秸梅光崎w雙電罐潺主機(jī)3.4.3數(shù)據(jù)采集過程在主服務(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 進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)用戶設(shè)置的時間點(diǎn)時，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，執(zhí) 行操作2。當(dāng)主站收到分站設(shè)備應(yīng)答信號后，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)存儲起來，完成一次數(shù)據(jù)采集。1是發(fā)出握手信號；2是返回握手信號；3

12、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)處理測量結(jié)束后，對同一高度處的測距數(shù)據(jù)分別求出其平均值，依據(jù) 實(shí)測的水平距離及四根鋼絲的平面坐標(biāo)，計(jì)算出在每個高度位置所測 的12個井壁點(diǎn)的平面坐標(biāo)。采用MATLAB軟件利用六個井壁點(diǎn)的平 面坐標(biāo)進(jìn)行圓的擬合，求出井筒每個橫斷面的圓心的平面坐標(biāo)及圓半 徑。在圓的擬合過程中，對于極個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2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為了定期對井筒變形情況進(jìn)行檢測，需要建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)，在本 文的井筒監(jiān)測方法中，以四條鋼絲垂線為基準(zhǔn)，因此每次測量完成后 需要保護(hù)好鋼絲和滑動軸。在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止鋼絲損壞后對定 期檢測工作造成影響，還需要保護(hù)好近井控制點(diǎn)。而且每次監(jiān)測都應(yīng) 從地面