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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

【期刊名称】《《煤矿安全》》

【年(卷),期】2019(050)012

【总页数】4页(P123-126)

【作者】刘尚国;杨兴建;郑文华

【作者单位】山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590

【正文语种】中文

【中图分类】TD262.5

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200m,对于深度大于

400m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200m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1500m,千米范围内激光斑直径最大不

超过35mm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。

图1激光指向仪的铅垂投射改造

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]。

图2安置于罐笼平台的测量装置示意图

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

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