基于無線定位的巷道表面位移測量方法

摘" 要：地下礦山巷道表面位移變化量是需要不同時間段對單個測點的多次測量來確定的。傳統的人工測量巷道表面位移測量方法存在操作步驟繁瑣和系統性誤差較大的顯著問題，嚴重影響巷道圍巖穩(wěn)定控制的可靠性。針對上述問題，該文提出一種基于無線定位的礦井巷道表面位移測量方法。該測量方法在傳統無線定位技術的基礎上，結合自主設計的激光測距裝置對巷道表面位移進行測量。與現有測量技術相比，該研究提出的基于無線定位的礦井巷道表面位移測量方法顯著提高測量工作效率，測量數據精確，為地下礦山巷道表面位移檢測提供一種新的思路，在地下礦山測量領域具有一定的應用前景。

關鍵詞：巷道；位移測量；無線定位；RSSI；激光測距裝置

中圖分類號：TD325" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0153-04

Abstract： The variation of roadway surface displacement in underground mine needs to be determined by multiple measurements of a single measuring point in different time periods. The traditional manual measurement method of roadway surface displacement measurement has the obvious problems of tedious operation steps and large systematic error， which seriously affects the reliability of roadway surrounding rock stability control. In order to solve the above problems， a mine roadway surface displacement measurement method based on wireless location is proposed in this paper. This measurement method is based on the traditional wireless positioning technology， combined with the self-designed laser ranging device to measure the roadway surface displacement. Compared with the existing measurement technology， the mine roadway surface displacement measurement method based on wireless location proposed in this study significantly improves the measurement efficiency and accurate measurement data， and provides a new idea for underground mine roadway surface displacement detection， thereby has a certain application prospect in the field of underground mine survey.

Keywords： roadway; displacement measurement; wireless positioning; RSSI; laser ranging device

礦山安全建設是礦山生產過程中的第一要務，對保障人員的生命安全和健康、維護礦山企業(yè)的穩(wěn)定運行、促進礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有至關重要的意義。對于地下礦山而言，巷道作為礦井通風、運輸和行人的主要通道，在礦井生產和運行過程中發(fā)揮著血管的作用，其圍巖結構的穩(wěn)定直接影響到地下礦山的安全高效生產。隨著礦山開發(fā)深度的不斷增加，地下工程的安全風險也相應增加，特別是對于復雜地質條件下的礦山巷道，圍巖位移的監(jiān)測和控制成為了保障礦山安全生產的重要環(huán)節(jié)。將科學技術與礦山建設高效結合已經成為提高礦山安全生產建設與生產的主要技術途徑。近年來，國家大力倡導的建設數字網絡系統和發(fā)展無線定位技術系統為地下礦山一線作業(yè)人員統一調度和礦井設備安全監(jiān)測注入了新的動力。隨著礦井通信、調度、信息管理和人員定位等技術革新的日益推進，其在保障井下工作人員的生命安全方面的作用日益凸顯。

巷道圍巖表面位移監(jiān)測作為評估巷道圍巖穩(wěn)定性的重要手段，其監(jiān)測結果的可靠性和監(jiān)測結果的便捷性一直是地下礦山監(jiān)測監(jiān)控關注的重點之一。目前，國內對表面位移測量方法也有大量研究。冀英超等設計了基于ZigBee的煤礦巷道表面位移監(jiān)測儀，通過搭建完整的數據采集和通信平臺，實現了對巷道表面位移的實時監(jiān)測。此外，十字交叉法也是進行巷道表面位移測量最為簡便常用的方法之一。該方法通過水平、豎直方向測繩連接互為測試基準，從而測量巷道頂板、底板、左幫和右?guī)?個方向的表面位移量。葉美圖等還進一步設計了一種礦井巷道表面位移激光測量裝置，與十字交叉法相結合，達到了無測繩、高效、便捷的巷道表面位移測量。

但隨著礦山開采進度的日益增加，無論是傳統十字交叉法還是采用激光測量的改良十字交叉法，都面臨著因巷道頂底板和兩側位移量變化導致的定位參照點移動問題。這不僅導致定位不準，特別地，由于底鼓和測量裝置的原因還會進一步增大對底板變化量測量的難度。這些問題會使得測量結果產生偏差，降低數據分析的精度，影響測量者對礦山實際情況的了解，從而無法給出合理的解決方案，對礦山的安全生產構成潛在風險。特別是，由于底鼓和測量裝置的局限性導致對底板變化量測量困難。

為此，本研究提出了一種基于無線定位技術的礦井巷道表面位移測量方法。該方法通過無線定位技術精確確定測量位置，優(yōu)化了礦井巷道表面位移測量方法，脫離十字交叉法的定位原理，結合三腳架和測量裝置之間的連接桿變形量，可以得到底板的變形量，而激光測距裝置則能測得頂板和兩側的位移數據。最終通過對同一測點不同時間段的多次測量，得到準確的巷道表面位移變化量。此方法不僅操作簡便，而且有效減少了測量環(huán)境變化帶來的誤差，具有顯著的工程應用價值和可觀的應用前景。

1" 傳統表面位移測量方法

傳統表面位移測量是應用十字交叉的定位原理，通過測繩或測槍測量兩幫和頂、底板的變化量。如圖1（a）所示，具體操作如下：首先垂直頂、底板及兩幫進行鉆孔，打上木樁布置基點，且基點在同一斷面內，頂部基點通常布置在巷道中線上，幫部基點通常布置在腰線上，底板可不設基點，頂板基點垂線與兩幫基點連接以下尺寸為底鼓量。如圖1所示，可以清楚地看出由于巷道變形導致基點位置發(fā)生錯位，定位不在腰線上，對兩幫的變化量測量不準確，頂、底板測量也失去了水平的參考線。

2" 無線定位原理的新型測量設計

2.1" 定位原理

如圖2所示，RSSI無線定位技術通過接收到的信號強弱測定信號點與接收點的距離，進而根據相應數據進行定位計算。該技術通常采用RSSI三角定位原理進行確定坐標（x，y）。根據礦山自身需求特點，需要進行三位定位，但使用RSSI三角定位來定位三維坐標需要的信號發(fā)射端較多且建設工程量較大。因此本文基于RSSI無線定位原理提出設兩點定位方案。如圖3所示，A點和C點為信號發(fā)射端（實際使用時可選取設置在礦井地面的固定監(jiān)測點），B點為待測定巷道斷面的某個監(jiān)測點。若A點到B點的距離為X，C點到B點的距離為Y，則B測點的定位點為（1，X，Y），“1”表示測點代號。測點代號可以有效地解決可能存在2個測點到信號發(fā)射端的距離相等的問題。

2.2" 裝置結構

如圖4所示，整個裝置是由激光測距儀、無線定位裝置和三腳架組成的。激光測距儀與無線定位裝置通過連接桿與三腳架相連，可以上下進行移動。連接桿表面標有刻度，便于記錄數據。三腳架活動扣用來調節(jié)三腳架的張開角度，每10°一個擋位，三腳架的作用是支撐作用，根據地形的不同可以隨意調節(jié)三腳架從而保證三腳架的平穩(wěn)性，不會影響激光測距儀的水平。此外，長度調節(jié)扣則用來調節(jié)三腳架的高度。激光測距探頭可進行多角度調節(jié)，方便對兩幫和頂板的表面位移變化進行測量。水平調節(jié)把手a、水平調節(jié)把手b、水平調節(jié)把手c分別對激光測距儀進行左右、上下、前后的角度調節(jié)，確保激光測距儀處于水平狀態(tài)，避免受到地形和三腳架的影響。

3" 巷道底板變形量測定過程與數據處理

3.1" 底板表面位移測量過程

在使用時，先打開測量裝置上的無線定位裝置進行定位，通過調節(jié)三腳架的平穩(wěn)和激光測距儀下部的連接桿使測量裝置定位成功，定位成功后記錄三腳架的張開角度、長度和激光測距儀連接桿的上升高度，記錄數據完成第一次測量。在下一時間段進行第二次測量時，同樣先進行定位，定位成功后，使用第一次測量時的三腳架參量，來對比連接桿的變化，就可以精準地得出測點底鼓的數據。

底板測量計算的原理圖如圖5所示。設裝置安設在巷道中線上，左圖為第一次架設三腳架并完成定位的狀態(tài)，其連接桿的高度為a；設右圖為第二次架設三腳架并完成定位的狀態(tài)，其連接桿的高度為b；測點底鼓量為yd1，則測量所得數據由式（1）所示

yd1=b-a。 （1）

設裝置安設在中線外，左圖為第一次架設三腳架并完成定位的狀態(tài)，其連接桿的高度為a；設右圖為第二次架設三腳架并完成定位的狀態(tài)，其連接桿的高度為b；測點底鼓量為yd2，中線到兩幫的距離為y1、y2，裝置到兩幫的距離分別為y3、y4，則測量所得數據由式（2）所示

yd2=b-a。（2）

圖5" 底板變化情況

3.2" 兩幫與頂板表面位移測量過程

測點定位主要按照激光測距儀與中線和腰線的位置關系分為以下4種情況。第一種情況為激光測距儀處于中線與腰線相交點上，如圖6（a）所示；第二種情況為激光測距儀處于腰線上而不在中線上，如圖6（b）所示；第三種情況為激光測距儀處于中線上而不在腰線上，如圖6（c）所示；第四種情況為激光測距儀不處于中線和腰線上，如圖6（d）所示。左圖均為第一次測量示意圖，c、d、e分別表示激光測距儀對頂板、左幫和右?guī)蜏y量的數據；右圖均為第二次測量示意圖，f、g、h分別表示激光測距儀對發(fā)生變形的頂板、左幫和右?guī)蜏y量的數據；設測點頂板下沉量為y1；設側點左幫變化量為yz1；設測點右?guī)妥兓繛閥y1，則測量所得數據由式（3）—（5）所示

y1=c-f， （3）

yz1=d-g， （4）

yy1=e-h。 （5）

4" 結論

巷道圍巖表面位移監(jiān)測對于礦山安全生產有著重要意義，本文基于無線定位技術進一步改進了礦井巷道表面位移測量方法。該改良方法在RSSI無線定位原理的基礎上提出了設兩點定位方案。在無線定位的輔助下，通過調整前后的2次測量可以得到連接桿的變形量，從而計算出底板的位移數據。同時，針對激光測距儀布點的4種情況分別給出了具體的兩幫與頂板的數據處理方法。與傳統的十字交叉定位方法相比，該方法定位精準，結構合理，便捷實用，具有顯著的技術經濟優(yōu)勢，可為礦山生產提供精準的數據，并且在進行巷道支護設計時，可更好地了解礦井巷道的變化，提出更加高效的技術方案，保證礦山的安全生產。

參考文獻：

[1] 馮曉斌.5G+智能礦山建設實踐[J].陜西煤炭，2022，41（6）：205-210.

[2] 劉翔宇.數字智能化礦山建設的探索[J].內蒙古煤炭經濟，2021（16）：45-46.

[3] 趙金升，丁宇輝，王鵬，等.智能化礦山建設[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（19）：55-56.

[4] 李超.Zigbee無線網絡技術支持下的礦井人員定位系統設計[J].內蒙古石油化工，2023，49（1）：99-102.

[5] 王晨光，崔建明.基于zigbee技術的礦井人員定位系統的研究[J].煤炭技術，2013（11）：123-124.

[6] 毛亮.淺析礦井人員定位系統中的定位技術[J].中國化工貿易，2019，11（1）：67.

[7] 吳秀娟.基于近景攝影測量的巷道表面位移監(jiān)測[D].太原：太原理工大學，2016.

[8] 冀英超，程永強.基于ZigBee的礦井巷道表面位移監(jiān)測實驗系統[J].實驗技術與管理，2014（8）：150-153，158.

[9] 葉美圖，梁義維，王錕.礦井巷道表面位移激光測量裝置研究[J].工礦自動化，2018，44（7）：84-87.

[10] 華北理工大學.超聲波式多點位巷道表面位移監(jiān)測裝置：CN201510371526.5[P].2015-10-28.

[11] 李晨鑫.基于5G的礦用裝備遠程控制技術研究[J].工礦自動化，2023，49（9）：90-97.

[12] 任子暉，顧靚雨，周萌萌.基于無線傳感器網絡的改進RSSI井下定位算法的礦井人員定位系統設計[J].煤礦開采，2015（3）：136-139.

[13] 糜啟龍，郝剛，糜秋元.U型鋼支架支護狀態(tài)下巷道圍巖變形特性[J].山東煤炭科技，2023，41（10）：174-178.