2024年4月25日发(作者：)

第

22

卷第

2

期

2020

年

4

月

滁州学院学报

JOURNALOFCHUZHOUUNIVERSITY

Vol.22No.2

Ar.2020

p

基于激光巷道变形监测仪的巷道变形特征分析

孔伟亮

,

谢有浩

,

姜阔胜

,

韩刘帮

,

李

阳

摘

要

:

巷道的断面尺寸在不同的开采时期会有不同的变化

,

这种变化可以反应出巷道围岩在不同开采时期的变形特征

和变形规律

,

这些规律为巷道的支护和巷道变形的控制提供了依据

。

传统的人工测量方法难以准确的测量巷道的变形数

据

。

文章中以某个煤矿的回风巷道为工程背景

,

采用虚拟仪器软件和

LabVIEW

编程语言对

STM32

单片机进行程序的设

计

。

文中采用激光测距传感器和

ZiBee

数据传输协议对巷道的变形数据进行实时的测量和数据传输

。

文中设计的系统

g

可以使监测人员近距离的通过显示屏观察数据或者远距离通过计算机观察数据

。

在完成数据的测量后

,

也可以使用文中

设计的仪器对巷道的变形进行分析

。

关键词

:

激光巷道变形监测仪

;

巷道支护

;

巷道变形

;()

中图分类号

:

TM7TP277

文献标识码

:

A

文章编号

:

1673-1794202002-0027-04

);

作者简介

:

孔伟亮

,

姜阔胜

,

韩刘帮

,

李阳

,

安徽理工大学机械工程学院

(

安徽淮南

2

通信作者

:

谢有浩

,

安徽理工大

32062

),

学机械工程学院研究生导师

,

滁州学院机械与电气工程学院教授级高级工程师

(

安徽滁州

2

研究方向

:

汽车智能

39000

化与制造技术

、

智能装备制造

。

收稿日期

:

2020-00-00

1

引言

矿井巷道和其他许多地下结构一样

,

是在施

工过程中逐步形成的

,

其支护功能的形成要经过

较长的时间

,

在此期间井壁因受到各种外界因素

的影响和施工水平的限制

,

质量很难达到理想状

态

。

随着矿井开采深度的不断加大和资源回采程

度的不断提高

,

开采活动对巷道变形的影响也越

来越大

,

原本稳定的巷道围岩在开采活动的影响

下其变形也会越来越严重

,

因而在最终施工完成

]

1-2

。

煤矿

后

,

巷道围岩可能会存在许多安全隐患

[

开采过程中巷道围岩变形量的获取

,

是掌握采掘

采用

LSTM32F407

作为核心处理单元

,

abVIEW

开发语言对

STM32F407

进行开发

。

STM32F407

具有较高的运算速度

,

可以较快的进行数据的传

输

。

采用基于

ZiBee

的无线传输方式

,

ZiBee

是

gg

]

6

,

一种低功耗无线局域网协议

[

该通信技术可以

与嵌入式技术相结合

,

针对传输距离的远近可以

灵活的选择合适的组网方式

。

相较于传统的监测

方式

,

本检测系统可以实现对巷道变形的实时监

测

,

并且能够对巷道安全起到预警的作用

,

极大的

提高了巷道测量的效率和准确性

。

2

工程概况

该巷道

141511

回风巷位于淮南某矿

14

采区

,

全长总计

5

且为全煤巷道

,

煤层厚度为

200m

,

-

巷道如图

1

所示

。

煤层直顶板由深灰色粉砂

3m

,

岩

、

沙质泥岩和软弱岩层组成

,

其平均厚度为

因此稳定性较差

。

该回风巷分为内外两

6.5m

,

段

。

外段采用宽度为

5

巷道

m

的窄煤柱掘进方式

,

,

掘进尺寸为

5

下宽

×

中高

)

为

000mm×3100mm

(

拱形巷道

。

巷道掘出约

3

由于围岩整体

00m

后

,

变形量较大

,

仅依靠锚网索支护形式难以有效控

制巷道变形

,

返修率极高

。

之后

,

巷道

300~

该

500m

段改用

28m

宽大煤柱掘进方式

。

目前

,

回风巷正常使用

。

由于巷道岩层松软及围岩结构

工作面顶板活动规律及评价巷道支护设计是否安

]

3

。

现阶段

,

全可靠最直接

、

最简便的方法

[

对巷道

变形的监测手段主要是人工测量

,

该方法不仅效

率低

、

准确度也无法得到保证

。

针对上述问题

,

本

文设计了一种巷道变形监测系统

,

该系统由激光

测量单元

、

步进电机驱动单元

、

STM32

核心运算

单元

、

TTL

转

USB

模块及计算机组成

。

使用该测

量系统可以提高监测的可靠性和安全性

。

其特点

LabVIEW

是一种图形化的编程语言

,

是

:

界面友好

、

交互性高

、

易于操作

。

LabVIEW

图

形化的程序设计方式尽可能的利用了工程人员所

]

4-5

。

此处使用

熟悉的工具

,

因而开发效率更高

[

28

滁州学院学报

2020

年第

2

期

不合理

,

进而造成整个巷道均呈现严重的变形

。

针对该巷道目前存在的问题

,

需要使用巷道监测

设备对该巷道的变形进行监测

,

为后续巷道变形

特征的分析进行数据采集

。

图

1

矿下回风巷道

矿用激光巷道监测系统介绍

矿用激光巷道检测仪硬件如图

测距传感器

,

iBee

、

、

步进电机及步进电机驱动器

2

主要由激光

、

下位机

STM32

开发板及与

相连接的上位机

g

12864

液晶屏

、

PC

机

测仪以激光测距技术为基础

Zi

g

Bee

组成

。

矿用激光巷道检

。

检测仪在步进电机

的带动下以一定的速度连续扫描

,

并将扫描所得

数据实时的显示在

12864

显示屏上

,

同时通过下

位机

升井后

Zi

g

,

B

可以在

ee

传送给上位机

。

检测人员在

数据

,

进行数据处理并获取详细检测报告

PC

端通过软件实时观测巷道检测

Zi

g

Bee

。

借助

于相应的软件

,

可以在计算机端自动生成三维图

形

,

同时也可以根据观测点测量的数据和设计时

的数据进行对比来判断巷道是否安全

,

并对变形

特征进行分析

。

煤矿井下环境特殊

,

所有煤矿井

下的设备都必须符合煤矿安全规程的要求

[

7

]

此该仪器所使用的电路采用了本安技术来保证设

。

因

备在矿井下工作时的安全

。

图

2

激光巷道检测硬件连接图

.1

系统功能分析

本文利用激光测距传感器在

在一定夹角范围内不停的摆动

HSP42D0014

步

进电机的带动下

,

扫描

,

最终得到的数据经过处理被送到

12864

显

示屏和上位机实时显示

。

检测人员可以近距离的

通过

看数据

128

。

64

显示屏或远距离的通过上位机实时观

具体的功能流程见图

3

所示

。

图

3

激光巷道变形监测主程序流程图

图

4

激光巷道变形监测主程序设计

3.2

程序设计

下位机主程序如图

分别是外部中断

、

串口

及

C

4

所示

OM2

、

串口

,

大

W

CO

hil

M

e

循环外

1

、

12864

结构

I

/

O

的初始化

。

大

,

该

结构的每个分支里都有两路串口及

CASE

结构有

W

“

0

hi

”

le

、“

循环内为一个

1

”

两个分支

12864

。

C

显示程

C

A

A

S

S

E

E

序

,

其中

COM2

串口读取的数据连接到

12864

字

3

Z

3

孔伟亮

,

等

:

基于激光巷道变形监测仪的巷道变形特征分析

29

符串显示控件的字符串输入端

,

送到

,

同时

,

被送到

COM1

串口写入到上位机串口

12864

上显示的目标数据通过

12864

上显

示

,

在上位机上进行

显示

。

其中上下位机通讯是通过

上位机程序如图

5

所示

。

Zi

g

Bee

实现的

,

图

5

激光巷道检测上位机程序

图

6

下位机中断服务程序

HS

,

P

改变小

42D001

W

4

步进电机的转动是利用状态机

实现的

hile

循环的延时时间

,

可以改变

电机的转速

。

由于步进电机要带动激光测距传感

器不停的摆动

,

因而步进电机选择较小的转速

下位机主程序的

状态机程序分别驱动着电机的正反转

CASE

结构的

“

0

”、“

1

”

,

分支内的

。

电机的正

反转是通过一个数值型全局变量

、

两个布尔型全

局变量及中断实现的

。

下位机中断服务程序如图

所示

。

巷道变形检测及变形特征分析

.1

测点布置及断面检测

在煤矿巷道实际施工中

,

力学模型和支护参

数选择不合理

,

是造成巷道变形过大

、

巷道顶板垮

落的直接原因

[

8

]

析

,

可以得到该巷道的危险点

。

对该巷道的力学模型进行分

。

通过监测危险点

位移的变化

,

可以动态监测巷道的变形情况

。

在

现场测试过程中

,

为了全面

、

准确的监测到巷道的

每一个危险点

,

在考虑了

ZiBee

的有效传输距离

的同时

,

测试小组在巷道中每隔

g

Zi

g

Bee

,

共

10

个测试点

。

测点布置示意图如图

50m

就布置一个

7

。

图

7

测试点布置示意图

4.2

数据分析

激光测量数据在下位机

示如图

所示

。

8

所示

,

上位机

PC

端接收到的数据如图

12864

上面的数据显

9

图

8

激光巷道监测仪测量数据

图

9

上位机接收激光巷道监测的数据

数据采集过程中

,

由于巷道表面有局部凹陷

或者瓦斯抽放管等局部凸起处

,

不可避免的会使

数据出现误差

,

为了能够准确的反应巷道的实际

表面数据

,

需要对数据进行人为的修正

[

9

]

通过对采集的数据的分析

,

可以绘制出对应

。

的巷道实际变形情况

。

图

10

为根据

5

号测量点

所采集的数据

,

可以绘制出

面和设计断面

。

同时可以根据各个监测点的测量

5

号测量点的实测断

数据计算出各个测量点的断面面积

、

断面收缩率

、

超挖面积

、

欠挖面积等

,

各个测量点的巷道变形参

数计算结果如表

1

。

图

10 5

号测点监测数据

6

4

4

30

滁州学院学报

2020

年第

2

期

表

1

各个测量点断面变形参数计算结果

设计测量断面收

断面

超挖欠挖

断面面积缩面积

收缩

面积面积

222

率

22

/

////

%

/

mmmmm

66

65

69

68

67

68

69

67

70

68

最大

超挖

/

m

最大

欠挖

/

m

测点

1

号测点

14.174.889.29

2

号测点

14.175.009.17

3

号测点

14.174.309.87

4

号测点

14.174.469.71

5

号测点

14.174.659.52

6

号测点

14.174.479.70

7

号测点

14.174.289.89

8

号测点

14.174.759.42

10

号测点

14.174.329.88

9

号测点

14.174.209.96

4.938.680.061.32

4.878.081.701.44

3.4611.751.391.31

3.3718.971.411.27

4.059.611.331.32

3.3518.891.391.25

3.4411.721.361.33

4.858.820.121.30

3.428.121.681.32

3.4212.821.341.34

示屏和上位机

P

解决了传统监测可靠性

C

端显示

,

差和效率低的弊端

,

同时使用该监测系统对现有

的巷道进行检测和数据采集

。

现场实际应用表

明

,

激光巷道变形监测系统不仅操作简单

、

数据处

理便捷可靠

,

同时所需要的维护成本也较低

,

非常

适用于巷道的长期检测

。

通过分析可以发现受围

岩土质

、

围岩结构等因素的影响

,

该巷道在现有开

采技术条件下呈现出较严重的变形特征

,

针对此

问题需要进一步研究

,

并提出一种有效的巷道布

置方式或围岩控制技术

。

[

参

考

文

献

]

由表

1

可知

,

与设计断面相比

,

各个实测断面都呈

现出严重的变形特征

;

该巷道

1

号至

5

号测量点

平均断面收缩率为

67%

,

6

号至

10

号测量点的断

面收缩率为

68.4%

。

测量结果一方面说明该巷道

的变形受到多重因素的影响

,

现有开采技术条件

下巷道围岩变形较严重

,

急需一种有效的巷道布

置方式或者巷道围岩控制技术

。

同时由表

1

的数

据可知

,

随着开采的不断深入

,

整个巷道的变形也

在不断的增大

,

说明此类的巷道应加强支护

。

[

高一晨

,

雷龙非

,

等

.

基于激光传感器的巷道变形动

1

]

徐乐年

,

],():

态监测系统

[

煤炭技术

,

J.201837111-3.

[

孟庆新

,

宋增路

,

等

.

具有限位功能的矿用测量工具

3

]

白景志

,

],():

设计

[

煤矿机械

,

J.2017381280-82.

[

张永超

.

基于

L4

]

赵见龙

,

abVIEW

的矿井主通风机滚动轴承

],()

监测系统设计

[

煤矿机械

,

J.2019407.

[

杨明亮

,

梁应选

.

基于虚拟仪器的机械传动试验台

5

]

姜阔胜

,

],():

测控系统

[

机械传动

,

J.201034372-75.

[

赵渊

,

佟为明

.

基于

Z6

]

李哲

,

iBee

的电能信息数据通信方法

g

[],():

电力信息与通信技术

,

J.202018189-95.

[]

煤矿安全监控系统浪涌防护技术研究

[

工矿自

7

]

张子良

.J.

():

动化

,

2018140-43.

[],

多功能巷道修复机的研制

[

2

]

周廷

.J.

煤矿机械

,

201940

():

2105-106.

5

结论

本文针对巷道变形监测的需求以及原有监测

的缺点

,

设计出了一种新型的监测系统

,

采用激光

测距

、

并进一步将数据在显

ZiBee

无线传输技术

,

g

[]

锚索支护巷道的变形与受力分析

[

陕西煤炭

,

8

]

李鹏

.J.

,():

201837521-24+36.

[

刘怀谦

,

刘萍

,

等

.

基于激光巷道断面检测仪的巷道非

9

]

高林

,

,:

对称大变形特征分析

[

煤矿安全

,

J

]

.201748

(

12

)

191-194.

AnalsisofRoadwaeformationCharacteristics

yy

D

BasedonLaserRoadwaeformationMonitor

y

D

,,,

H

,

KoneilianXieYouhaoJianuoshenanLiubanLiYan

g

W

gg

K

ggg

:

Abstract

anecanreflect

y

w

yg

s

gg

,

thechaninlawofthesurroundinockoftheroadwaindifferent

p

ametimethis

ggg

r

y

chanelawalso

p

rovidessometheoreticalbasisforthedesinofroadwasuortandroadwaeform-

ggyppy

d

ditionalmanualmeasurementmethodisdifficulttoaccurateleasurethede-

y

m

,

p

aerthereturnairwafamineisusedastheenineerin

ypy

o

gg

,

backroundandthemain

p

roramisdeveloedbsinirtualinstrumentsoftwareandSTM32sin-

ggpy

u

g

v

-basedraninensorand

gp

m

ppgg

s

ZiBeedatatransmission

p

rotocolareusedtomeasureandtransmitthedeformationoftheroadwain

gy

realtimewhichenablestheinsectortoviewthemeasureddatainrealtimethrouhthedislacreen

pgpy

s

,

ametimetheinstrumentisusedtodetectandanalzethecharac-

ygy

teristicsofaroadwainamineinHuainan.

y

:;;

Keords

laserroadwaeformationmonitorroadwauortroadwaeformation

y

d

y

s

ppy

d

y

w

责任编辑

:

李晓春