煤礦立井罐道形變檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

宗亮亮，牛偉鋒，張小康，柳 苗，吳 豐，涂世宇

(1.山西焦煤霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦， 山西 臨汾 031400； 2.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 031400；3.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430070)

煤礦立井提升系統(tǒng)負(fù)責(zé)礦井上下的安全連通，在保障煤礦安全生產(chǎn)中至關(guān)重要。提升設(shè)備安全無(wú)故障地運(yùn)行直接關(guān)系到煤礦從業(yè)者的生命安全，嚴(yán)重的罐道形變不僅對(duì)礦井的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，甚至?xí)斐刹豢赏旎氐娜藛T傷亡[1]. 為保障立井罐籠鋼性罐道安全使用，應(yīng)定期派專人在特定時(shí)間對(duì)罐道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查和維護(hù)，防止因罐道縱向彎曲變形影響罐籠正常運(yùn)行，造成重大安全事故[2]. 目前這項(xiàng)工作由人工手動(dòng)修檢，檢測(cè)效率和結(jié)果受客觀因素的限制。

立井剛性罐道與安裝在提升容器上的滾輪罐耳共同運(yùn)作，通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖彈簧使?jié)L輪罐耳貼合在剛性罐道使罐籠可以上下運(yùn)行，剛性罐道配合滾輪罐耳構(gòu)成了煤礦立井系統(tǒng)中提升容器的剛性罐道系統(tǒng)[3]. 而罐籠長(zhǎng)期上下運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)造成罐道表面的磨損、變形和錯(cuò)位等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致罐道的整體形變，引發(fā)卡罐甚至掉罐等重大安全事故[4]. 目前，國(guó)內(nèi)通常采用人工幾何測(cè)量法檢測(cè)灌道的形變，該方法檢測(cè)精度低，操作費(fèi)事費(fèi)力，嚴(yán)重影響煤礦正常開(kāi)采，更無(wú)法滿足相關(guān)精度要求。而國(guó)外對(duì)剛性罐道狀態(tài)研究較早，一般使用專業(yè)儀器測(cè)量，但因罐道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)試環(huán)境和條件受諸多客觀因素影響，測(cè)量難度大，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。所以，需要開(kāi)發(fā)高效快速的方法檢測(cè)、診斷煤礦罐道的形變程度并及時(shí)做出對(duì)應(yīng)的預(yù)防和補(bǔ)救措施。

1 罐道形變檢測(cè)方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了檢測(cè)罐道的形變程度提出多種檢測(cè)剛性罐道的方法，包括幾何測(cè)量法、振動(dòng)加速度法、專業(yè)儀器法、激光測(cè)距法和線激光掃描技術(shù)。根據(jù)測(cè)量條件和測(cè)試指標(biāo)，這些方法又可以概括為幾何測(cè)量法、動(dòng)態(tài)測(cè)量法和靜態(tài)測(cè)量法。

2 檢測(cè)方法

2.1 幾何測(cè)量法

幾何檢測(cè)法是最原始的測(cè)量方法，利用帶重錘的鋼絲線下放并作為基本垂直線，設(shè)定固定檢測(cè)間隔，測(cè)定鋼絲至罐道表面的水平距離，并將標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行對(duì)比獲取罐道形變信息。

該方法早期操作步驟是在井壁等間隔分布4個(gè)測(cè)點(diǎn)，交叉測(cè)量出#1、#2、#3、#4的距離，對(duì)不同時(shí)間間隔所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得罐道的相對(duì)形變程度。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐和改進(jìn)，該方法演變成從豎井中心位置處由上到下垂直下放鉛垂線，然后分別從#1、#2、#3、#4引出4根鋼絲繩至罐道底部對(duì)應(yīng)垂直點(diǎn)#1’、#2’、#3’、#4’，見(jiàn)圖1，拉緊鋼絲繩直至擺幅最小，間隔合適距離做橫切面，并以橫切面與鉛垂線交點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)與鋼絲繩的垂直距離[5-8]，將檢測(cè)結(jié)果與原罐道半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而分析形變程度。

圖1 幾何測(cè)量法檢測(cè)原理圖

幾何測(cè)量法原理簡(jiǎn)單，可以反映整個(gè)罐道形變情況，然而該方法在實(shí)際測(cè)試過(guò)程操作較為復(fù)雜，且當(dāng)鋼絲受到礦井通風(fēng)或者外界擾動(dòng)等不可控因素影響時(shí)，易發(fā)生橫向擺動(dòng)，致使該方法存在較大誤差[9].

2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量法

動(dòng)態(tài)測(cè)量法是指通過(guò)采集罐道運(yùn)行時(shí)的加速度響應(yīng)，通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)間接確定罐道的故障位置和形變程度。

振動(dòng)加速度法是通過(guò)對(duì)傳感器所采集的提升容器的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析來(lái)評(píng)估剛性罐道形變程度的方法。提升機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中與罐道之間的相對(duì)作用產(chǎn)生非平穩(wěn)的響應(yīng)[4,8]，分析動(dòng)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)以此提取故障點(diǎn)位置信息并確定形變類型和具體形變程度數(shù)據(jù)，基于相關(guān)算法可提取和評(píng)估罐道的實(shí)時(shí)安全狀態(tài)[6].

振動(dòng)信號(hào)采集裝置一般以加速度傳感器為主，配合其他傳感器同時(shí)測(cè)量。關(guān)博文等采用雙軸傾角傳感器測(cè)量罐道傾斜程度并同時(shí)使用3個(gè)加速度傳感器測(cè)量監(jiān)測(cè)豎直和水平方向的振動(dòng)信號(hào)[10]. 張亮選擇加速度傾角法傳感器結(jié)合計(jì)程傳感器，利用計(jì)程器得到縱向深度并根據(jù)加速度傳感器測(cè)量對(duì)應(yīng)偏角，將罐道對(duì)應(yīng)深度的偏斜角在顯示器上顯示出來(lái)[11].

對(duì)獲取的提升機(jī)振動(dòng)信號(hào)的處理，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析算法提取非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)狀態(tài)，建立振動(dòng)狀態(tài)與罐道安全狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[12-15]. 玄志成等人基于罐道的典型故障，采用了頻域和小波信號(hào)奇異性分析建立了典型故障和信號(hào)特征之間的關(guān)系，為提升系統(tǒng)的穩(wěn)步運(yùn)行探索了理論支持[16]. 李占芳通過(guò)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了水平、垂直振動(dòng)模型，采用小波奇異性分析從振動(dòng)信號(hào)中提取了瞬態(tài)突變信息，并從中提取了罐道凸起形變的位置數(shù)據(jù)，結(jié)合傾角傳感器測(cè)量罐道傾斜情況，所開(kāi)發(fā)罐道形變特性檢測(cè)框圖見(jiàn)圖2[17]. 張淼從不同罐道狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)中提取了三個(gè)參量作為故障特征，通過(guò)訓(xùn)練SVM分類器實(shí)現(xiàn)了不同故障模式的有效識(shí)別[18]. 馬馳等在張淼研究基礎(chǔ)上增加了信號(hào)的最大值和平均值兩種時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，共計(jì)五種特征來(lái)表征罐道狀態(tài)[19]. 以上研究中所提及方法的有效性均在提升系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。

圖2 罐道形變特性檢測(cè)框圖

振動(dòng)加速度法對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程的影響較小，不僅可以反映罐籠在真實(shí)運(yùn)行情況下罐道的狀態(tài)，還可以提取特征信息。然而動(dòng)態(tài)過(guò)程的檢測(cè)是一種間接測(cè)量方式，無(wú)法直接測(cè)量罐道各指標(biāo)參數(shù)，目前還未形成對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)規(guī)范，相關(guān)的模型與理論方法還待完善[17].

2.3 靜態(tài)測(cè)量法

靜態(tài)測(cè)量法是指在罐籠停止運(yùn)行或慢速運(yùn)行下，通過(guò)激光測(cè)距或測(cè)斜傳感器直接測(cè)量罐道的形變程度或罐道輪廓。

2.3.1 專業(yè)儀器測(cè)量法

專業(yè)儀器法主要基于現(xiàn)有測(cè)量方法，通過(guò)集成多傳感設(shè)備設(shè)計(jì)整套專業(yè)儀器對(duì)罐道進(jìn)行多參數(shù)綜合檢測(cè)。俄羅斯、波蘭等是最早采用專業(yè)儀器法研究的國(guó)家：由俄羅斯礦山地質(zhì)力學(xué)及礦山測(cè)量科學(xué)研究院所研制的綜合測(cè)量裝備可以對(duì)罐道間距和偏斜實(shí)施綜合測(cè)量，包括對(duì)罐道偏離垂直方向的偏斜角和間距變化信息等[6]; 波蘭學(xué)者為測(cè)量罐道連續(xù)偏斜研制了井筒斷面測(cè)量?jī)x，通過(guò)確定初始測(cè)量值與后續(xù)點(diǎn)偏離激光射線的偏差距離來(lái)判斷罐道形變程度。

國(guó)內(nèi)對(duì)專業(yè)儀器測(cè)量法的研究較晚。其中，國(guó)投集團(tuán)新能源股份有限公司根據(jù)重力磁場(chǎng)研制出了自動(dòng)測(cè)量罐道變形的裝置。阜新礦業(yè)學(xué)院將測(cè)斜傳感器、計(jì)程器、控制器等設(shè)備集成研制了立井罐道測(cè)斜儀，其檢測(cè)原理圖見(jiàn)圖3，該裝置根據(jù)計(jì)程器定位罐籠下降位置，搭配重力阻尼測(cè)斜儀作為測(cè)斜單元模塊，傳感器內(nèi)部電路變化器根據(jù)提升機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中擺錘相對(duì)鉛垂線產(chǎn)生的偏移變化，將偏移角轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由測(cè)量電路根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系將罐道偏移量以數(shù)字量形式輸出[5].

圖3 專業(yè)儀器法檢測(cè)原理圖

市面上現(xiàn)有專業(yè)儀器法結(jié)合了多種已有測(cè)量方法和原理，測(cè)量精度高、集成度高、可根據(jù)需求測(cè)量不同罐道參數(shù)。為提升儀器的測(cè)量精度并簡(jiǎn)化操作，仍有必要引入新的檢測(cè)原理和方法，進(jìn)一步完善和補(bǔ)充現(xiàn)有專業(yè)儀器所用檢測(cè)技術(shù)。

2.3.2 激光測(cè)距法

激光測(cè)距法采用激光測(cè)距傳感器測(cè)量探頭到罐道間距[20]，間接得到罐道形變，結(jié)合位移傳感器所測(cè)縱向位移，將罐道形變測(cè)量與罐道縱向位移結(jié)合得到罐道整體形變。在實(shí)際操作中，選取罐道梁特定位置并安裝激光傳感器或使用位移傳感器輔助測(cè)量罐道縱向下行距離，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)間距的位置定位，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將罐道間距和對(duì)應(yīng)縱向深度傳至上位機(jī)，將罐道間距以直觀的圖形形式展示在上位機(jī)，其原理見(jiàn)圖4[21].

圖4 激光測(cè)距法原理圖

研究者們基于上述原理開(kāi)發(fā)出多種運(yùn)用于實(shí)際工程的激光測(cè)距方法。劉淑婷等用強(qiáng)磁力磁鐵將激光傳感器固定安裝至同一水平面的上下行兩個(gè)罐道梁上，間接測(cè)得同一組激光傳感器的間距，并基于ZigBee無(wú)線傳輸模塊傳輸至上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐道間距[21]. 徐沛等將激光傳感器用自吸式強(qiáng)力磁鐵固定在罐籠底座，測(cè)量罐籠到罐道之間的距離，用橡膠輪將開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器緊貼罐道，通過(guò)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)測(cè)量罐道縱向距離，將縱向深度和此處罐道間距相匹配，并實(shí)時(shí)采集顯示于上位機(jī)得到罐道整體形變[22]. 徐洋等則采用激光傳感器結(jié)合氣壓傳感器，并通過(guò)R8C/L36C單片微處理器處理數(shù)據(jù)獲得罐道間距和井深數(shù)據(jù)，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，及時(shí)了解罐道形變等[23].

激光測(cè)距法可以準(zhǔn)確地通過(guò)位置傳感器的獲取測(cè)量位置信息并得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的罐道間距，對(duì)罐道整體形變測(cè)度有直觀的反應(yīng)，但對(duì)于罐道接縫處的間距和磨損等細(xì)節(jié)檢測(cè)不夠。

2.3.3 線激光掃描技術(shù)

線激光掃描技術(shù)可直接對(duì)罐道整體掃描，采集罐道輪廓的高精度數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析提取出錯(cuò)位、磨損、凸起等信息。激光掃描儀固定于罐籠上，跟隨罐籠上下運(yùn)行，以一定頻率發(fā)射一束激光，柱面物鏡將激光光束分散為條狀，照射到物體上得到一行激光散點(diǎn)[24]，接收物體產(chǎn)生漫反射將數(shù)據(jù)傳遞給控制器，根據(jù)接收數(shù)據(jù)獲得探頭到罐道表面的距離，而線激光一行激光散點(diǎn)之間的間距恒定以此獲得錯(cuò)位和磨損[25]，其測(cè)量原理圖見(jiàn)圖5. 對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、無(wú)效數(shù)據(jù)的剔除、邊緣線明晰化和糾偏補(bǔ)正算法，獲得罐道形變特征數(shù)據(jù)[26].

根據(jù)計(jì)程器可以得到罐道上下兩根銜接處位置，設(shè)置自適應(yīng)閾值并區(qū)分有效數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)，提取銜接罐道左、右邊界錯(cuò)位值，可以得到水平方向錯(cuò)位；提取罐道上、下邊界錯(cuò)位值，得到罐道垂直方向錯(cuò)位。根據(jù)罐耳和罐道實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，將磨損值定位到罐道正中央，根據(jù)選區(qū)與同行無(wú)效區(qū)域的對(duì)比，結(jié)合罐道到激光輪廓掃描儀探頭位置，計(jì)算得到罐道磨損值。

圖5 線激光掃描原理圖

線激光掃描技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)激光測(cè)距法，得到的是一行行激光散點(diǎn)，根據(jù)需求采取不同算法得到罐道錯(cuò)位、磨損、凸起等更多信息，在對(duì)罐道整體形變檢測(cè)且可聚焦罐道接縫處細(xì)節(jié)，獲取信息更全面完善，但同時(shí)對(duì)裝置安裝和數(shù)據(jù)處理方面提出了更高要求，需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果和測(cè)量對(duì)象調(diào)整算法，獲取有用信息。

3 罐道形變檢測(cè)方法優(yōu)劣對(duì)比

根據(jù)上述分析，將罐道形變檢測(cè)方法進(jìn)行縱向比較，其優(yōu)劣對(duì)比見(jiàn)表1.

表1 罐道形變檢測(cè)方法比較表

分析表1可知，幾何測(cè)量法操作復(fù)雜并影響生產(chǎn)，檢測(cè)精度低。振動(dòng)加速度法雖然對(duì)生產(chǎn)影響較小，但無(wú)法直接對(duì)罐道進(jìn)行檢測(cè)，且數(shù)據(jù)采集量較大，處理算法較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)模型和理論基礎(chǔ)還有待完善。專業(yè)儀器測(cè)量法使用復(fù)雜，需要專業(yè)人員操作，儀器成本較高。激光測(cè)距法屬于直接測(cè)量方法，具有較高的可行性和精度，在整體形變檢測(cè)上具備較大的應(yīng)用前景。線激光掃描技術(shù)相對(duì)激光測(cè)距法在對(duì)罐道的整體形變測(cè)量基礎(chǔ)上，將罐道銜接處的數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集并處理，獲得罐道接縫處重要信息，或成為新一代的高精度罐道專業(yè)檢測(cè)儀器法[27-29].

4 結(jié) 語(yǔ)

本文列舉了幾種常見(jiàn)煤礦罐道形變檢測(cè)技術(shù)，包括人工幾何測(cè)量法、動(dòng)態(tài)測(cè)量法和靜態(tài)測(cè)量法。闡述了幾何測(cè)距法、振動(dòng)加速度法、專業(yè)儀器法、激光測(cè)距法和線激光掃描技術(shù)測(cè)量方法的意義、原理和可行性，對(duì)比分析了各測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。其中線激光掃描技術(shù)相對(duì)于激光測(cè)距法，在得到罐道整體形變獲取罐道輪廓，獲得罐道銜接處的錯(cuò)位、磨損等多方面關(guān)鍵信息更快更全面，對(duì)立井罐道形變的高效快速檢測(cè)和準(zhǔn)確評(píng)估意義重大，保障了煤礦的安全有序開(kāi)采，其檢測(cè)方法的研究與推廣具有廣闊的前景和意義。