基于三维激光扫描的竖井变形监测方法技术

基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，属于井下监测技术领域。本发明专利技术针对现有竖井井筒变形监测方法施工复杂，测量精度不高的问题。它包括确定两个地面工作基点的坐标，再确定三个基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标；选择井底水平巷道，确定井底处钢丝点坐标与基准钢丝悬放点的坐标为基于基准一致的井底坐标系与井口处坐标系获得；设置断面扫描站，每个扫描站通过三个标靶球标定；然后采用三维激光扫描仪由井口至井底逐层进行扫描，基于每个扫描仪坐标及扫描仪在相应断层对井壁的扫描数据，拟合获得相应的井筒中心坐标；将每个层面的井筒中心坐标与准井筒中心坐标相比较，获得相应位置的井筒变形量。本发明专利技术用于监测井筒变形量。

Monitoring method of shaft deformation based on 3D laser scanning

The method of shaft deformation monitoring based on 3D laser scanning belongs to the field of downhole monitoring technology. The invention aims at the problems of complicated construction and low measurement accuracy of the existing shaft deformation monitoring method. It includes determining the coordinates of two ground working base points, three datum target ball points and datum steel wire suspension points; selecting the horizontal roadway at the bottom of the well, determining the coordinates of the steel wire points at the bottom of the well and datum steel wire suspension points as the coordinates of the bottom of the well and the wellhead based on the same datum; setting the section scanning station, each scanning station is calibrated by three target balls; however After that, 3D laser scanner is used to scan from the wellhead to the bottom of the well layer by layer. Based on the scanning data of each scanner coordinate and scanner on the wall of the well at the corresponding fault, the corresponding central coordinates of the well bore are obtained by fitting; the central coordinates of the well bore at each layer are compared with the central coordinates of the quasi well bore to obtain the deformation of the well bore at the corresponding position. The invention is used for monitoring shaft deformation.

【技术实现步骤摘要】
基于三维激光扫描的竖井变形监测方法
本专利技术涉及基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，属于井下监测

技术介绍
随着煤矿埋藏深度浅的煤层被逐步开发，多数老矿区已经陆续进入深部开采阶段。煤层开采深度增加后，地质条件逐渐变得复杂，矿山压力随之增加，竖井井筒承受的压力也相应加大。井筒是矿井通达地面的重要进出口，是煤矿生产和安全的咽喉所在，担负着矿井的通风及提升任务。井筒的稳定程度直接关系着矿山的生产安全、投资回报和效益。随着开采深度的增加，地质条件的复杂化、矿山压力增大、相关煤柱的稳定性及井筒里装备自重的增加，都会使井筒壁承受的压力相应增加，达到一定程度时势必造成井筒变形，轻则影响矿井提升效率，严重的将威胁到生产安全。因此，需要对坚井井筒的变形进行监测，以通过监测数据直观地了解、掌握井筒内部形态，判断井筒的稳定性及安全性，为合理进行井筒的支护及整改工作提供可靠依据，并对未来井筒的变形情况能够进行预估和控制。目前，井筒变形已经成为煤矿行业内的突出问题，为了给井筒支护设计和安全运行提供第一手准确的资料和信息，急需有针对性的对竖井井筒进行变形监测研究，获取必要监测数据。但竖井井筒变形监测不同于普通建筑物的变形测量，其受场地、空间、湿度、能见度及观测时间等观测条件的限制，布置水平位移监测网和垂直位移监测网存在困难。当下普遍采用的监测方法是，在井筒附近建立监测控制点，使悬挂钢丝处于井筒中适当位置；另外在井下悬挂重锤，按摆动观测法取中，再把所述悬挂钢丝对准取中位置，用定中盘固定；然后按导线测量方法获得井口悬挂钢丝的坐标。再以钢丝作为测量基准线，在罐笼顶部，依次丈量钢丝至各监测点的距离。以第一次测量的钢丝至各监测点的距离作为基准值，将后续每次观测值与所述基准值相比较，得到的差值作为井筒变形量。这种方法施工复杂，虽然易于实现，但测量精度不高，无法监测到井壁的细微变形，难以推广应用。因此，针对以上不足，需要提供一种新的竖井变形监测方法，以提高监测精度。
技术实现思路
针对现有竖井井筒变形监测方法施工复杂，测量精度不高的问题，本专利技术提供一种基于三维激光扫描的竖井变形监测方法。本专利技术的一种基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，包括：建立两个地面工作基点，并确定坐标；根据竖井的井口位置、罐梁位置及罐道位置选择井口门的三个基准靶球点及基准钢丝悬放点，由地面工作基点通过导线以测定导线点传递的方式，计算获得三个基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标；选择未受采动影响的井底水平巷道，使通过观测和计算获得的井底处钢丝点坐标与基准钢丝悬放点的坐标为基于基准一致的井底坐标系与井口处坐标系获得；由井口向井底方向按预定间隔距离依次设置断面扫描站，每个扫描站通过三个标靶球标定；然后采用三维激光扫描仪由井口至井底逐层进行扫描，结合在井口扫描点获得的三个基准靶球点扫描数据与三个基准靶球点坐标确定井口扫描点扫描仪坐标；再依次根据每个断面扫描站对标靶球的扫描数据及前一级扫描仪坐标依次获得每个断面扫描站的扫描仪坐标；基于每个扫描仪坐标及扫描仪在相应断层对井壁的扫描数据，拟合获得相应的井筒中心坐标；将对应于井底水平巷道的井筒中心坐标作为准井筒中心坐标，确定准井筒中心坐标与井筒中心设计坐标相比较不超过误差阈值后，将每个层面的井筒中心坐标与准井筒中心坐标相比较，获得相应位置的井筒变形量。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，所述建立两个地面工作基点，并确定坐标的具体方法为：选择地层结构稳定的点作为地面工作基点；对两个地面工作基点基于两个cors站进行观测，共观测两个时段，每个时段60分钟，对观测数据进行内业解算获得两个地面工作基点的坐标。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，所述三个基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标作为靶球拼接的起算坐标，所述起算坐标作为断面扫描站内三个标靶球坐标的运算基础。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，所述井底处钢丝点坐标的获得方法为：在未受采动影响的井底水平巷道内，由所述测定导线点进行传递获得两个已知7秒导线点，基于两个已知7秒导线点及其连线的坐标方位角，计算获得井底处钢丝点坐标。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，所述预定间隔距离为5m、10m或20m；所述标靶球磁吸于罐梁上，并通过铁丝将罐梁与标靶球加固。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，所述三维激光扫描仪固定于罐笼内底面上，罐笼顶端面开设扫描口。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，所述扫描口为600mm×600mm的开口。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，所述井筒中心坐标的获得方法为：选择2-3个断面扫描站的扫描数据建立数据模型，根据数据模型计算每个断面扫描站的井筒中心坐标。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，将准井筒中心坐标与井口中心点坐标作差获得标靶球拼接误差；所述标靶球拼接误差用于校正计算获得的标靶球的坐标及井底处钢丝点坐标。根据本专利技术的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，判断井底坐标系与井口处坐标系的基准一致的方法为：将井底处钢丝点坐标与基准钢丝悬放点的坐标进行比较，若相对误差小于1:6000，则井底坐标系与井口处坐标系的基准一致。本专利技术的有益效果：本专利技术采用扫描仪获得数据，实现对竖井变形的监测。它首先通过地面点的传递获得基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标，再结合井底处钢丝点坐标来确定选择的井底水平巷道是否可以作为基准层，确定后再进一步通过扫描仪获得数据，及结合已知数据对各个断面处的井筒是否发生变形进行判断。本专利技术基于地面工作基点计算获得井口门附近位置测定导线点的坐标，再以此为基础对数据进行传递，依次获得各个断面扫描站的坐标，进而再基于扫描仪的扫描数据进行拟合获得相应位置的井筒中心坐标。由于基准点为地面上结构稳定的点，再结合对未受采动影响的井底水平巷道的选择，确保了井筒中心坐标计算依据的可靠性；由于扫描仪可以获得高精度的井筒数据，因此保障了井筒监测的精度。另外，本专利技术在设置好井筒内各层的标靶球后，控制扫描仪的移动位置即可实现对竖井各个断面形态数据的监测，其施工过程简单，可大大提高竖井变形的监测效率，并为生产安全提供可靠的数据。附图说明图1是本专利技术设置地面工作基点、基准靶球点及基准钢丝悬放点的示例性示意图；图2为本专利技术的具体实施例中的井下导线布设示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，其特征在于，包括：/n建立两个地面工作基点，并确定坐标；/n根据竖井的井口位置、罐梁位置及罐道位置选择井口门的三个基准靶球点及基准钢丝悬放点，由地面工作基点通过导线以测定导线点传递的方式，计算获得三个基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标；/n选择未受采动影响的井底水平巷道，使通过观测和计算获得的井底处钢丝点坐标与基准钢丝悬放点的坐标为基于基准一致的井底坐标系与井口处坐标系获得；/n由井口向井底方向按预定间隔距离依次设置断面扫描站，每个扫描站通过三个标靶球标定；/n然后采用三维激光扫描仪由井口至井底逐层进行扫描，结合在井口扫描点获得的三个基准靶球点扫描数据与三个基准靶球点坐标确定井口扫描点扫描仪坐标；再依次根据每个断面扫描站对标靶球的扫描数据及前一级扫描仪坐标依次获得每个断面扫描站的扫描仪坐标；基于每个扫描仪坐标及扫描仪在相应断层对井壁的扫描数据，拟合获得相应的井筒中心坐标；/n将对应于井底水平巷道的井筒中心坐标作为准井筒中心坐标，确定准井筒中心坐标与井筒中心设计坐标相比较不超过误差阈值后，将每个层面的井筒中心坐标与准井筒中心坐标相比较，获得相应位置的井筒变形量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，其特征在于，包括：
建立两个地面工作基点，并确定坐标；
根据竖井的井口位置、罐梁位置及罐道位置选择井口门的三个基准靶球点及基准钢丝悬放点，由地面工作基点通过导线以测定导线点传递的方式，计算获得三个基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标；
选择未受采动影响的井底水平巷道，使通过观测和计算获得的井底处钢丝点坐标与基准钢丝悬放点的坐标为基于基准一致的井底坐标系与井口处坐标系获得；
由井口向井底方向按预定间隔距离依次设置断面扫描站，每个扫描站通过三个标靶球标定；
然后采用三维激光扫描仪由井口至井底逐层进行扫描，结合在井口扫描点获得的三个基准靶球点扫描数据与三个基准靶球点坐标确定井口扫描点扫描仪坐标；再依次根据每个断面扫描站对标靶球的扫描数据及前一级扫描仪坐标依次获得每个断面扫描站的扫描仪坐标；基于每个扫描仪坐标及扫描仪在相应断层对井壁的扫描数据，拟合获得相应的井筒中心坐标；
将对应于井底水平巷道的井筒中心坐标作为准井筒中心坐标，确定准井筒中心坐标与井筒中心设计坐标相比较不超过误差阈值后，将每个层面的井筒中心坐标与准井筒中心坐标相比较，获得相应位置的井筒变形量。


2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，其特征在于，
所述建立两个地面工作基点，并确定坐标的具体方法为：
选择地层结构稳定的点作为地面工作基点；
对两个地面工作基点基于两个cors站进行观测，共观测两个时段，每个时段60分钟，对观测数据进行内业解算获得两个地面工作基点的坐标。


3.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，其特征在于，
所述三个基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标作为靶球拼接的起算坐标，所述起算...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙江，易强，赵喜江，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23