CN111829441A - 一种基于激光测距原理的巷道表面位移变形监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于激光测距原理的巷道表面位移变形监测方法，步骤为：将由激光测距模块、传动模块和系统控制模块构成的位移监测装置安装在巷道壁上部的平台上，将数据接收装置布置在巷道底部；激光测距模块按设定的转动角度θ与转动间隔时间t进行360°周期性旋转与复位，每转动一个角度θ发射一次激光束至巷道断面监测点作为一次单点距离测量，将激光测距模块与监测点的距离及对应角度记录并保存；通过重复监测得出巷道断面多次监测数据；通过构建和比对巷道断面二维监测信息平面图获得巷道两帮位移量和顶底板位移量。该监测方法激光测距模块多次旋转不会产生累积机械误差影响测量精度；利用二维监测信息平面图从整体角度进行数据分析，可进一步提高监测精度。

Description

一种基于激光测距原理的巷道表面位移变形监测方法
技术领域
本发明涉及巷道表面位移变形监测领域，特别是一种基于激光测距原理的巷道表面位移变形监测方法。
背景技术
在矿山地下开采过程中，随着采掘深度的不断提高，地应力也随之升高，由此带来的巷道变形问题日益突出，对巷道围岩的稳定性和矿山生产施工安全造成了极大的隐患。
传统的巷道表面位移监测主要采用接触式测量，由工作人员手持监测器具对巷道围岩变形量进行人工测量与数据记录。按监测器具不同，有钢卷尺监测法，测杆监测法，测枪监测法，收敛计监测法等。这些监测法因操作简单，能够满足一般测量精度要求，使其在巷道位移监测领域应用比较广泛；但在实际监测工作中，存在如下缺陷：①在工程岩体比较松软的巷道中布置监测点难度较大；②随着巷道断面面积的增大，测量误差也会增大；③测量工作是间断性的，不能连续监测记录巷道表面位移；④监测工作量大、测量人员劳动强度高，工作效率低。
针对上述问题，国内相关学者从不同方面对传统的巷道表面位移监测方法进行了改进。其中有代表性的如：CN109098763A专利披露的一种煤矿巷道表面位移自动监测装置，通过机械部件将监测传感器安装到巷道壁端，以此来适应不同轮廓大小的各种巷道，通过装置内部的沉降传感器和压力传感器可实时监测煤矿巷道，判断在巷道表面是否有沉降断裂现象的发生。CN109356651A专利提供的一种有效测量巷道内壁位移变化的装置以及基于这种装置的监测系统，是利用应变片在不同变形情况下的电阻变化产生不同大小的电流信号，通过处理器的识别放大使装置上的LED灯显示出不同颜色的灯光作为预警标志，达到了监测和预警效果。
这些改进方法虽然实现了对巷道表面位移变化的连续性监测，在一定程度上提高了监测工作效率，但存在设备安装困难、在工程岩体较松软条件下应用受限、因设备造价较高在矿山生产现场难以大范围普及应用等问题。
为进一步提高监测精度和监测工作效率，近年来出现了基于激光测距原理的非接触式巷道表面位移监测装置和方法，如CN109470151B专利公开的一种基于激光测距原理的连续监测记录巷道表面位移的方法。该方法采用非接触式角位移传感器控制激光测距仪旋转360°，对巷道壁四周进行隔扫测量，同时用数据记录器记录下旋转过程中激光测距仪与巷道壁的距离及对应的角度，通过对数据记录器记录的相邻两个时间段内相同角度测点的位移监测值进行比对，将两者之间的差值视为巷道位移变形量。该方法存在三个缺陷：①采用非接触式角位移传感器控制激光测距仪旋转360°对巷道壁四周进行隔扫测量，因角位移传感器控制激光测距仪旋转时，激光测距仪单次测量旋转360°后未进行机械复位即再次运行，很容易导致激光测距仪旋前后两次转固定角度投射激光到所布置测点时出现位置偏差，在系统长期运行情况下，多次旋转则会产生累积机械误差，导致针对单个测点的数据处理产生一定的测量误差，影响监测装置的监测精度。②保存监测数据的数据记录器安装在激光测距仪的对角位置，需要人工进行数据收集，增加了工人的工作量。③将监测装置用锚杆和框架安装在巷道顶板上，安装难度较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光测距原理的巷道表面位移变形监测方法，以克服上述连续监测记录巷道表面位移方法存在的缺陷。
为实现此目的，本发明提供的基于激光测距原理的巷道表面位移变形监测方法，包括以下步骤：
步骤1、安装监测装置
该监测方法使用的监测装置包括位移监测装置和数据接收装置；
所述位移监测装置(按内部模块具体功能不同划分)包括激光测距模块、传动模块和系统控制模块；其中激光测距模块用于采集巷道表面位移变形数据；传动模块用于控制激光测距模块沿巷道断截面进行固定角度旋转与复位，从而在巷道壁面上选取固定的巷道位移监测点；系统控制模块用于通过预先安装的软件对激光测距模块和传动模块的工作模式进行调节与控制，及存储和发送监测到的巷道表面变形数据；
在巷道壁的上部通过锚杆固定安装平台，将位移监测装置固定在该安装平台上；
将所述数据接收装置布置在巷道的底部，采用无线网络互联方式与所述位移监测装置进行通讯，以实时接收位移监测装置中系统控制模块存储的监测数据，方便工作人员进一步处理；
步骤2、单次监测数据采集
监测装置启动后，传动模块控制激光测距模块按照设定的转动角度θ与转动间隔时间t进行360°周期性旋转与复位；旋转的起始点(即角度零点)默认为垂直指向巷道顶板；激光测距模块每转动一个角度θ在转动间隔时间t内发射一次激光束至巷道断面监测点，作为一次单点距离测量，由系统控制模块自动记录在此角度下激光测距模块与监测点的距离及对应角度；激光测距模块旋转360°完成一次周期性监测后由系统控制模块将各个监测点的监测数据进行汇总，创建一份独立的巷道断面监测数据文件保存在系统控制模块中；
步骤3、激光测距模块的复位与重复监测
激光测距模块每旋转360°完成一次周期性监测后受传动模块控制进行机械复位(机械归零)，复位点为初次旋转的起始点(即默认为垂直指向巷道顶板的角度零点)，以确保前后两次监测过程中转动角度θ对应的监测点位置不会出现偏差；复位过程中不进行数据监测，复位后重复步骤2，得出多次巷道断面监测数据；
步骤4、数据传输与分析
将系统控制模块中保存的监测数据，通过无线传输方式发送到数据接收装置，由工作人员对数据进行拷取、浏览，或通过有线网络传输到地表工作站进行数据分析；数据分析方法为：将激光测距模块根据某次监测获取的转动角度和监测距离信息构建的二维空间点ρ\θ极坐标系换算为二维空间点的x\y坐标系，进一步构建巷道断面二维监测信息平面图；通过软件(自主研发)对前后两次监测构建的巷道断面二维监测信息平面图的轮廓形状进行比对，根据对比结果获得巷道两帮位移量和巷道顶底板位移量位移变形数据。
与现有技术(CN109470151B专利)相比，本发明巷道表面位移变形监测方法的优点是：
1、本发明中激光测距模块在预先安装控制软件的系统控制模块控制下进行单次监测数据采集过程中，模块每旋转360°完成一次完整的巷道断面数据监测后受传动模块控制进行机械复位，多次旋转后不会产生累积机械误差，从而确保前后两次监测过程中转动角度θ对应的监测点位置不会出现偏差，使监测精度得以提高。
2、本发明根据不同监测时间段的单次监测数据构建巷道断面单次监测信息平面图，通过对任意两次监测信息平面图的图形轮廓进行对比，即可得到巷道两帮位移量和巷道顶底板位移量巷道表面位移变形监测数据，这种从整体角度进行数据分析的方法可进一步减小测量误差，提高监测精度。
3、本发明通过系统控制模块中的控制软件可随时对激光测距模块的转动角度θ、转动间隔时间t与旋转周期T等工作参数等进行调整，改变监测系统的工作状态和监测点的数量，使监测装置能够适应不同形状和尺寸大小的巷道监测断面。
4、本发明将监测装置通过平台安装在巷道壁面上，较通过锚杆和框架安装在巷道顶板上安装难度小。
5、本发明可以实时连续监测并记录巷道表面位移，并通过软件无线发送的形式将监测数据进行及时的传输汇总，对减少人工操作及减轻劳动强度、提高监测效率和降低监测成本具有明显效果；对岩体工程支护及开采安全具有重要意义。
附图说明
图1为本发明中所用位移监测装置的结构和安装示意图；
图2为本发明中位移监测装置的工作原理图；
图3为本发明监测数据信息处理流程图；
图4为本发明监测装置在地下矿井环境中的整体布置示意图；
图5为本发明中监测数据分析方法的示意图。
附图标记：1-安装平台，2-锚杆，3-位移监测装置，4--井筒，5-数据接收装置，6-无线热点或WIFIAP。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
该实施例为某矿山采用本发明方法对其巷道表面位移变形进行监测，其步骤如下：
步骤1、安装监测装置
如图1和图4所示，该监测方法使用的监测装置包括位移监测装置3和数据接收装置5。
如图2所示，所述位移监测装置3按内部模块具体功能不同划分，包括激光测距模块，传动模块和系统控制模块；其中激光测距模块用于采集巷道表面位移变形数据；传动模块用于控制激光测距模块沿巷道断截面进行固定角度旋转与复位，从而在巷道壁面上选取固定的巷道位移监测点；系统控制模块用于存储监测到的巷道表面变形数据，同时通过预先安装的软件对激光测距模块和传动模块的工作模式进行调节与控制。基于矿山现场的220VDC的实际供电环境，选择220V转24V与24V转5V两种不同的电源转换与模块搭配使用，确保监测系统中各用电模块的正常工作；根据监测工作的需要与待监测巷道断面的实际情况，在设备的系统控制模块中预先设定好激光测距模块的旋转角度θ、旋转间隔时间t与旋转周期T等设备工作参数。
为了给位移监测装置创建平稳的工作环境，如图1所示，在巷道壁的上部通过锚杆2固定安装平台1，将位移监测装置3固定安装在该安装平台上。插入巷道壁内部的锚杆长度不小于1.8m，安装平台的高度及位置可根据待监测巷道断面的实际高度确定，原则上应避免影响井下正常工作人员和车辆通行及线缆布置。将表面位移监测设备固定在安装平台上以后，连接供电电源，监测装置正常启动后，观察装置的工作状态，并对监测系统整体进行最终调试。
将所述数据接收装置5如图4所示，布置在巷道的底部，数据接收装置通过无线热点或WIFIAP6采用无线网络互联方式与位移监测装置进行通讯，实时接收位移监测装置中控制模块存储的监测数据，方便工作人员随时进行数据拷取或浏览历史监测数据，具有相应设施条件的矿山也可采用有线网络方式将监测数据由井筒4传输汇总到地表工作站进行数据分析；一台数据接收装置可同时与多台位移监测装置进行通讯，便于设备调试与数据采集。
步骤2、单次监测数据采集
如图2所示，监测装置启动后，系统控制模块控制激光测距模块与传动模块的工作状态，通过传动模块控制激光测距模块按照设定的转动角度θ与转动间隔时间t进行360°周期性旋转与复位，旋转的起始点a1(即角度零点)默认为垂直指向巷道顶板；激光测距模块每转动一个角度θ在转动间隔时间t内发射一次激光束至巷道断面监测点，作为一次单点距离测量，系统控制模块自动记录在此角度下的激光测距模块与巷道壁监测点的距离及对应角度；激光测距模块旋转360°完成一次周期性监测后系统控制模块将各个监测点的监测数据进行汇总，创建一份独立的巷道断面监测数据，并以csv数据文件的格式将单次采集的数据以初始监测时间命名后保存在位移监测装置的系统控制模块中。
由于激光测距模块本身只能实现对单一测点位移的观测，为了使激光测距模块实现周期性旋转、复位及测量采集工作，本发明在系统控制模块中预先安装了自主编写的控制软件，控制转动机构带动激光测距模块沿整个巷道断截面进行360°旋转与复位，该控制软件同时控制激光测距模块在转动一个角度θ后的转动间隔时间t内发射一次激光束至巷道断面测点，进行一次单点距离测量。
步骤3、激光测距模块的复位与重复监测
结合图3，为得到图3中第4步所示巷道表面位移变形数据，需使激光测距模块对同一巷道断面开展多次重复性监测，激光测距模块每旋转360°完成一次完整的巷道断面数据监测后受传动模块控制进行机械复位(机械归零)，复位点为初次旋转的起始点(即图1所示默认为垂直指向巷道顶板的角度零点)，以避免多次旋转后累积机械误差使前后两次监测过程中转动角度θ对应的监测点位置出现偏差而影响测量精度；复位过程中不进行数据监测，复位后重复步骤2，得出多次巷道断面监测数据，实现对巷道表面位移的实时连续监测。
步骤4、数据传输与分析
如图4所示，将控制模块中保存的监测数据，通过无线传输方式发送到数据接收装置，工作人员可在数据接收端随时进行数据拷取或浏览历史监测数据，也可通过有线网络传输到地表工作站进行数据分析；最后通过数据可视化软件将按不同监测时间段的任意两次监测获取的转动角度和监测距离信息构建的二维空间点ρ/θ极坐标系换算为二维空间点的x/y坐标系，进一步构建如图5所示不同监测时间段内的巷道断面单次监测信息平面图，通过自主研发的软件对前后两次(M次与M+1次)监测信息平面图的轮廓形状进行对比，根据对比结果即可获得巷道两帮位移量和巷道顶底板位移等巷道表面位移变形数据。

Claims (1)

1.一种基于激光测距原理的巷道表面位移变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、安装监测装置
该监测方法使用的监测装置包括位移监测装置(3)和数据接收装置(5)；
所述位移监测装置(3)包括激光测距模块、传动模块和系统控制模块；其中激光测距模块用于采集巷道表面位移变形数据；传动模块用于控制激光测距模块沿巷道断截面进行固定角度旋转与复位，从而在巷道壁面上选取固定的巷道位移监测点；系统控制模块用于通过预先安装的软件对激光测距模块和传动模块的工作模式进行调节与控制，及存储和发送监测到的巷道表面变形数据；
在巷道壁的上部通过锚杆(2)固定安装平台(1)，将位移监测装置(3)固定在该安装平台上；
将所述数据接收装置(5)布置在巷道的底部，采用无线网络互联方式与所述位移监测装置进行通讯，以实时接收位移监测装置中系统控制模块存储的监测数据，方便工作人员进一步处理；
步骤2、单次监测数据采集
监测装置启动后，传动模块控制激光测距模块按照设定的转动角度θ与转动间隔时间t进行360°周期性旋转与复位；旋转的起始点默认为垂直指向巷道顶板；激光测距模块每转动一个角度θ在转动间隔时间t内发射一次激光束至巷道断面监测点，作为一次单点距离测量，由系统控制模块自动记录在此角度下激光测距模块与监测点的距离及对应角度；激光测距模块旋转360°完成一次周期性监测后由系统控制模块将各个监测点的监测数据进行汇总，创建一份独立的巷道断面监测数据文件保存在系统控制模块中；
步骤3、激光测距模块的复位与重复监测
激光测距模块每旋转360°完成一次周期性监测后受传动模块控制进行机械复位，复位点为初次旋转的起始点，以确保前后两次监测过程中转动角度θ对应的监测点位置不会出现偏差；复位过程中不进行数据监测，复位后重复步骤2，得出多次巷道断面监测数据；
步骤4、数据传输与分析
将系统控制模块中保存的监测数据，通过无线传输方式发送到数据接收装置，由工作人员对数据进行拷取、浏览，或通过有线网络传输到地表工作站进行数据分析；数据分析方法为：将激光测距模块根据某次监测获取的转动角度和监测距离信息构建的二维空间点ρ\θ极坐标系换算为二维空间点的x\y坐标系，进一步构建巷道断面二维监测信息平面图；通过软件对前后两次监测构建的巷道断面二维监测信息平面图的轮廓形状进行比对，根据对比结果获得巷道两帮位移量和巷道顶底板位移量位移变形数据。
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