井筒變形監(jiān)測

1、礦井井筒變形監(jiān)測預警系統(tǒng) 姓名：姜明明 班級：電子信息工程14級4班 學號：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；然后提出了運用激光測距法實時監(jiān)測礦井內部各個高度處結構的變化以監(jiān)測礦井變形的方案，最后提出了實時數(shù)據(jù)傳輸及分析方案。關鍵詞：激光垂準 激光測距 數(shù)據(jù)通信1、監(jiān)測方案的基本框架建立數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行分析處理，得出實時信息 設置觀測點，并采用機械滑動裝置進行數(shù)據(jù)采集激光垂準，安置 基準鋼絲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，對礦筒周圍作一標記點，利用激光測距傳感器，對這

2、些標記點進行測距，確定各個標記點到傳感器的距離，當?shù)V筒發(fā)生偏移時，標記點的位置必定發(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基本上保持一致，當?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垂線基準的確定為了不影響礦井生產，利用檢修時間，可以摒棄傳統(tǒng)的鋼絲鉛垂基準，采用激光垂準基準，激光垂準基準主要具有以下優(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儀器； (2）由于垂準儀采用的激光，其穿透性

3、能好，可以穿透超過 1000m 的距離，在電源性能強勁的情況下，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使用，其精度高于傳統(tǒng)的鋼絲鉛垂基準； (4）具有上、下投光的功能，可以大大地降低垂準儀的安置高度條件及方便聯(lián)測點的設置。 在實施時充分運用了激光垂準的優(yōu)勢，基準線安置地點如下圖所示： （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，分別利用激光垂準儀在井下水平和地面進行了上投和下投。確定基準點a、b、c、d后，在井底和地面之間連接基準鋼絲，在每根鋼絲的外側安裝上軸，要求軸不

4、能和鋼絲所在的直線有相對移動穩(wěn)定性、可靠性要達標。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算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×T。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；T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、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，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到毫米級的測量精度，但是目前

5、國內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溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達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=C×T，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確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。本

6、設計打算采用壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當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，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 3.2.2測量數(shù)據(jù)的選定   在每個觀測點（每個軸外）安置三個激光測距儀組成一個測距儀組，三個測距儀的安置方式如下圖所示，每個觀測點都要測定三條藍色線段的長度（觀測點到井壁的距離）。這樣測定

7、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均勻分布，以便能夠得到科學有效的數(shù)據(jù)用以反映井筒各個層面的結構特點；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位置安裝一個與測距儀相對應的反射板，這樣就構成了一個簡易礦井高度測量器件。每次采集數(shù)據(jù)時，經礦井高度校準后，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

8、構數(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；三是四個觀測點可以不同時進行數(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，尤其是在測量點附近時，防止由于激光發(fā)射與接收的時間間隔產生誤差；四個觀測點的速度相近或者相似。3.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 構建安全性高以及可擴展性強的煤礦井下數(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具有重要的意義。在分析井下數(shù)據(jù)源的基礎上，通過研究礦井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的需求特點和可用信道，提出一種適合煤礦井下使用的高速工業(yè)以太網+現(xiàn)場總線+星形網絡的

9、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并分析了它的特點。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，由于煤礦生產環(huán)境的特殊性，生產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)能適應移動和隨機接入的需要；其三，接入井下數(shù)據(jù)傳輸網絡的通常是以微處理器為核心的監(jiān)測單

10、元或者分站，不具備強大的聯(lián)網功能；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)的基本結構和傳輸過程 井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結構 具體的數(shù)據(jù)傳輸過程為：井下主干網絡采用環(huán)形結構，組成井下數(shù)據(jù)傳輸主干道，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令的實時高速傳輸。控制指令（控制測量的井筒高度以及高度間隔）由井上服務器發(fā)出，經光纖傳輸，最終傳給相應數(shù)據(jù)采集設備（激光測距儀）。由采集到的數(shù)據(jù)先傳至井下光端機，再由井下光端機把電信號轉換成光信號在光纖中傳輸，傳往井上光端機，進而傳至井上主站服務器。井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應用3.4.3數(shù)據(jù)采集過程在主服務器或者主站設置數(shù)據(jù)采集頻率及待采系數(shù)，然后自動進入工作狀態(tài)。當?shù)竭_用戶

11、設置的時間點時，主站執(zhí)行操作1，確認分站設備是否工作正常，如果工作正常，則發(fā)出應答信號，執(zhí)行操作2。當主站收到分站設備應答信號后，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)實測的水平距離及四根鋼絲的平面坐標，計算出在每個高度位置所測的12個井壁點的平面坐標。采用 MATLAB 軟件利用六個井壁點的平面坐標進行圓的擬合，求出井筒每個橫斷面的圓心的平面坐標及圓半徑。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點位坐標產生的粗差應進行剔除，保證擬合圓圓心坐標的精度。最后，依據(jù)圓心的平面坐標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行檢測，需要建立統(tǒng)一的基準，在本文的井筒監(jiān)測方法中，以四條鋼絲垂線為基準，因此每次測量完成后需要保護好鋼絲和滑動軸。在實際應用中，為了防止鋼絲損壞后對定期檢測工作造成影響，還需要保護好近井控制點。而且每次監(jiān)測都應從地面十字