一种竖井挖掘导向控制装置及调整方法与流程

本发明属于竖井施工的技术领域，特别是涉及一种在竖井施工过程中的竖井导向控制装置及调整方法。

背景技术：

在掘进机对竖井进行挖掘的技术领域，对竖井的偏斜要求都比较高，但是对竖井进行挖掘的挖掘机，由于受到地质条件、设备操作等因素影响，如岩石的大倾角而产生较大的径向负载，在钻进过程中必然会产生一定的偏斜，为了保证竖井偏斜在规定的范围内，在掘进过程中必须实施的对钻进的方向进行检测，并对掘进方向进行纠偏。如何对掘进机进行实时有效的纠偏，保证竖井的偏斜在控制范围内，为竖井挖掘技术领域研究的一个方向。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种竖井挖掘导向控制装置，能够实时有效地对竖井挖掘施工过程中进行检测纠偏，保证挖掘的竖井的偏斜在控制范围内，同时本发明还提供了一种竖井挖掘导向调整方法。

为解决上述技术问题，本发明的竖井挖掘导向控制装置采用的技术方案是：包括设在设备中心位置沿所述设备的长度方向延伸的测量通道，所述测量通道的轴线与所述设备的轴线重合，所述测量通道内上、下设置有可随所述测量通道移动的相互平行的第一测量面和第二测量面，所述第一测量面和所述第二测量面与所述测量通道的轴线垂直，所述设备的外部设置有伸入到所述测量通道内部且悬设在所述测量通道内部的参考件，所述参考件相对于大地坐标固定，所述参考件实时穿过所述第一测量面和所述第二测量面，且所述参考件在所述第一测量面内和所述第二测量面内可与所述测量通道相对运动。

进一步优选地，所述测量通道的侧壁上、下排布设置有第一传感器和第二传感器，所述第一传感器的探测平面构成所述第一测量面，所述第二传感器的探测平面构成第二测量面。

进一步优选地，所述参考件由相互平行的第一垂线和第二垂线组成，所述第一垂线和所述第二垂线保持与所述设备的初始状态的轴线平行，且第一垂线和所述第二垂线的方向一直保持固定不动。

进一步优选地，所述第一传感器和所述第二传感器均为激光传感器。

本发明的竖井挖掘导向调整方法采用的技术方案是：包括步骤：参考件的布设，第一测量面和第二测量面的确定，滚角计算，偏差计算，倾角计算：

1)参考件的布设，在设备的正中心预留一个测量通道，在测量通道内由井口下放一个参考件，所述参考件伸入到所述测量通道内，且与设备和测量通道不接触，所述参考件相对于大地坐标固定不动；

2)第一测量面和第二测量面的确定，在测量通道内选取上下平行的第一测量面和第二测量面，并且第一测量面和第二测量面均与所述测量通道的轴线垂直，所述第一测量面和所述第二测量面随测量通道移动而移动；

3)参考件与所述第一测量面相交线为实时参考线；

4)滚角计算，设定原点坐标，所述原点坐标设置在所述测量通道的内壁上以随盾体运动，计算参考件在初始状态相对于原点坐标的位置与参考件在运动后相对于原点坐标的位置之间旋转成的夹角即为设备的滚角；

5)倾角计算，设定刀盘掘进面为x-y平面，根据滚角进行修正计算出第一测量面和第二测量面在x方向位置变化量和y方向位置变化量，根据x方向位置变化量计算x向倾角，根据y方向位置变化量计算y向倾角；

6)偏差计算，根据所述x向倾角、所述y向倾角和第一测量面到刀盘平面的距离计算刀盘平面x向偏差和刀盘平面y向偏差；

7)根据计算得到的所述滚角，对刀盘进行反向旋转与所述滚角相同的角度以对刀盘进行滚动纠偏；

8)根据计算得到的刀盘平面x向偏差对刀盘在x方向上反向偏移与刀盘平面x向偏差相等的距离以对刀盘进行x向偏斜纠偏，根据计算得到的刀盘平面y向偏差对刀盘在y方向上反向偏移与刀盘平面y向偏差相等的距离以对刀盘进行y向偏斜纠偏。

进一步优选地，所述参考件为由垂直布设在所述测量通道内的第一垂线和第二垂线，第一垂线和第二垂线与第一测量面相交点之间的连线为实时参考线。

进一步优选地，所述测量通道的侧壁上、下排布设置有第一传感器和第二传感器，所述第一传感器的探测平面构成所述第一测量面，所述第二传感器的探测平面构成第二测量面，所述第一传感器的位置为原点坐标。

进一步优选地，所述滚角计算的方法为：

初始位置时实时参考线的两个端点设为f11和f12，f11和f12的坐标分别为(x11,y11)，(x12,y12)，第一垂线和第二垂线与第二测量面相交的点为f21和f22，f21和f22的坐标分别为(x21,y21)，(x22,y22)，发生运动后实时测量的f11和f12的两点坐标变化为(x11',y11')，(x12',y12')，f21和f22两点坐标变化为(x21',y21')，(x22',y22')，发生运动后点f11和f12之间的连线相对于初始位置时点f11和f12之间的连线旋转的角度为α1，α1的计算公式为：

tanα1＝|k1-k2|/(1+k1k2)

k1＝(y12-y11)/(x12-x11)

k2＝(y12'-y11')/(x12'-x11')

其中，k1为初始位置时f11和f12之间连线的斜率，k2为发生运动后f11和f12之间连线的斜率；

同理，发生运动后点f21和f22之间的连线相对于初始位置时点f21和f22之间的连线旋转的角度为α2，α2的计算公式为：

tanα2＝|k3-k4|/(1+k3k4)

k3＝(y22-y21)/(x22-x21)

k4＝(y22'-y21')/(x22'-x21')

其中，k3为初始位置时f21和f22之间连线的斜率，k4为发生运动后f21和f22之间连线的斜率；

最后将α1和α2进行相互修正得到设备的滚角α。

进一步优选地，所述倾角计算方法为：

首先根据滚角进行修正，得出发生偏斜时第一垂线分别与第一测量面和第二测量面相交点的位置变化(x11"，y11")，(x21",y21")，滚角修正方法为：

设定测量通道与所述第一测量面相交的第一节圆的中心坐标为(x01，y01)，根据以下公式求得(x11"，y11")：

y11"＝y01+s1×sinβ1

x11"＝x01+s1×cosβ1

其中，s1为第一垂线到第一节圆的中心点的距离，β1为修正后的f11到第一节圆的中心坐标连线与x方向的夹角；

同理，设定测量通道与所述第二测量面相交的第二节圆的中心坐标为(x02，y02)，根据以下公式求得(x21",y21")：

y21"＝y02+s2×sinβ2

x21"＝x02+s2×cosβ2

其中，s2为第一垂线到第一节圆的中心点的距离，β2为修正后的f21到第二节圆的中心坐标连线与x方向的夹角；

初始状态第一垂线分别与第一测量面和第二测量面相交点的位置为(x11,y11)，(x21,y21)，发生偏斜时，第一垂线分别与第一测量面和第二测量面相交点的位置变化为(x11"，y11")，(x21",y21")，第一测量面和第二测量面在x方向位置变化量分别为：

δx11＝x11"-x11

δx21＝x21"-x21，

则第二测量面相对于第一测量面在x方向的偏差变化量：

δx＝δx12-δx11＝(x11"-x11)-(x21"-x21)，

则x向倾角为：

βx＝δx/l＝((x11"-x11)-(x21"-x21))/l1，

其中l1是第一测量面和第二测量面之间的高度差；

同理，y向倾角为：

βy＝δy/l＝((y11"-y11)-(y21"-y21))/l1。

进一步优选地，所述偏差计算方法为：

已知从第一测量面到刀盘平面的距离为l2，那么刀盘平面x向偏差δxh1和y向偏差δyh1的计算方法为：

本发明的有益效果是：本发明的竖井挖掘导向控制装置，包括一个与大地坐标保持固定不动的参考件，通过该参考件相对于测量通道内的两个测量面的位置变化来对设备进行偏斜和滚动的监控和纠偏，结构简单，成本低，并且监控计算效率高，能够使监测人员及时的获取设备偏斜和滚动的状态，对设备进行及时有效地的监控和纠偏，保证竖井的偏斜在控制范围内。

附图说明

图1是本发明竖井挖掘导向控制装置的实施例的结构示意图；

图2是本发明的竖井挖掘导向调整方法的实施例的滚角计算原理图，其中2-a为设备的初始状态，2-b为设备发生滚动后的整体回正状态；

图3是本发明竖井挖掘导向调整方法的实施例的倾角计算原理图，其中3-a为设备的初始状态，3-b为设备发生倾斜后的整体回正状态；

图4是本发明竖井挖掘导向调整方法的实施例的偏角计算原理图，4-a为设备的初始状态，4-b为设备发生偏移后的状态，4-c整体回正状态，4-d对比状态。

具体实施方式

在本发明的具体实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

本发明的竖井挖掘导向控制装置的实施例，如图1所示，包括设在设备中心位置沿设备6的长度方向延伸的直径为300mm测量通道1，测量通道1的轴线与设备6的轴线重合，测量通道1内上、下设置的相互平行的第一测量面2和第二测量面3，本实施例中优选地，在测量通道1的侧壁上、下排布设置有第一传感器4和第二传感器5，第一传感器4的探测平面构成第一测量面2，第二传感器5的探测平面构成第二测量面3。第一测量面2和第二测量面3与测量通道1的轴线垂直。

设备6的外部设置有伸入到测量通道1内部且悬设在测量通道1内部的参考件，本实施例中，该参考件为由测量通道1上部伸入的相互平行的第一垂线7和第二垂线8组成，优选地，第一垂线7和第二垂线8可以采用钢丝绳，当然还可以采用线绳及重锤。第一垂线7和第二垂线8垂入到测量通道1后保持设备6的初始状态的轴线平行，且相对于大地坐标保持固定不动。

在监测时，当设备位于初始位置时，将第一传感器4的位置设为原点坐标，第一传感器4和第二传感器5对周围环境进行扫描，第一传感器4能够扫描到两根钢丝绳与第一测量面的交点f11和f12，f11和f12的相对于原点坐标为f11和f12的初始坐标，第二传感器5能够扫描到两根钢丝绳与第二测量面的交点f21和f22，f21和f22的相对于原点坐标为f21和f22的初始坐标。当设备继续挖掘时，第一传感器4和第二传感器5随时对周围环境进行扫描，第一传感器4仍能扫描到两根钢丝绳与第一测量面的交点f11和f12，第二传感器5仍能扫描到两根钢丝绳与第二测量面的交点f21和f22，此时f11、f12、f21和f22的坐标相对于原点坐标均发生变化，根据发生变化后的f11、f12、f21和f22的坐标以及初始位置时f11、f12、f21和f22的坐标之间的偏差分别计算设备的滚角、倾角、偏角，然后监测人员根据计算得出的滚角、倾角和偏角对设备进行纠偏调整。本实施例不仅能够计算得出设备的滚角和偏角，同时本实施还能够根据第一测量面和第二测量面与钢丝绳的交点，计算出设备的倾角，监测人员能够根据设备的倾角清楚的掌握设备将要偏转的方向，提前对设备进行调整，能够及时的避免设备继续偏转。

进一步优选地，第一传感器4和第二传感器5均为激光传感器。

如图1～图4所示，本发明的竖井挖掘导向调整方法的实施例包括步骤：参考件的布设，第一测量面和第二测量面的确定，滚角计算，偏差计算，倾角计算：

1)参考件的布设，在设备6的正中心预留一个测量通道1，在测量通道1内由井口下放一个参考件，本实施例中优选地，该参考件为由下放到测量通道1内的第一垂线7和第二垂线8组成，进一步优选地第一垂线7和第二垂线8均为钢丝绳，第一垂线7和第二垂线8垂入到测量通道1后相对于大地坐标保持固定不动。

2)第一测量面和第二测量面的确定，在测量通道1内选取上下平行的第一测量面和第二测量面，本实施例中优选地，在测量通道1的侧壁上、下排布设置有第一传感器4和第二传感器5，第一传感器4的探测平面构成第一测量面2，第二传感器5的探测平面构成第二测量面3。第一测量面2和第二测量面3与测量通道1的轴线垂直。

3)两根钢丝绳与第一测量面2的相交点f11和f12之间的连线为实时参考线。

4)滚角计算，如图3所示，将第一传感器4设定为原点坐标，初始位置时实时参考线的两个端点设为f11和f12，f11和f12的坐标分别为(x11,y11)，(x12,y12)，第一垂线和第二垂线与第二测量面相交的点为f21和f22，f21和f22的坐标分别为(x21,y21)，(x22,y22)，发生运动后实时测量的f11和f12的两点坐标变化为(x11',y11')，(x12',y12')，f21和f22两点坐标变化为(x21',y21')，(x22',y22')，发生运动后点f11和f12之间的连线相对于初始位置时点f11和f12之间的连线旋转的角度为α1，α1的计算公式为：

tanα1＝|k1-k2|/(1+k1k2)

k1＝(y12-y11)/(x12-x11)

k2＝(y12'-y11')/(x12'-x11')

其中，k1为初始位置时f11和f12之间连线的斜率，k2为发生运动后f11和f12之间连线的斜率；

同理，发生运动后点f21和f22之间的连线相对于初始位置时点f21和f22之间的连线旋转的角度为α2，α2的计算公式为：

tanα2＝|k3-k4|/(1+k3k4)

k3＝(y22-y21)/(x22-x21)

k4＝(y22'-y21')/(x22'-x21')

其中，k3为初始位置时f21和f22之间连线的斜率，k4为发生运动后f21和f22之间连线的斜率；

最后将α1和α2进行相互修正得到设备的滚角α。

5)倾角计算，如图4所示，已知刀盘掘进面为x-y平面，则垂直于x-y平面的方向为z向。设备的x向倾角是指设备中轴线和y-z平面的夹角，y向倾角是指设备中轴线与x-z平面夹角。测量设备的倾角需要利用同一根垂线在两个测量面上的测量点来完成。

首先根据滚角进行修正，得出发生偏斜时第一垂线分别与第一测量面和第二测量面相交点的位置变化为(x11"，y11")，(x21",y21")，滚角修正方法为：

设定测量通道与所述第一测量面相交的第一节圆的中心坐标为(x01，y01)，根据以下公式求得(x11"，y11")：

y11"＝y01+s1×sinβ1

x11"＝x01+s1×cosβ1

其中，s1为第一垂线到第一节圆的中心点的距离；

同理，设定测量通道与所述第二测量面相交的第二节圆的中心坐标为(x02，y02)，根据以下公式求得(x21",y21")：

y21"＝y02+s2×sinβ2

x21"＝x02+s2×cosβ2

其中，s2为第一垂线到第一节圆的中心点的距离；

初始状态第一垂线分别与第一测量面和第二测量面相交点的位置为(x11,y11)，(x21,y21)，发生偏斜时，第一垂线分别与第一测量面和第二测量面相交点的位置变化为(x11"，y11")，(x21",y21")，第一测量面和第二测量面在x方向位置变化量分别为：

δx11＝x11"-x11

δx21＝x21"-x21，

则第二测量面相对于第一测量面在x方向的偏差变化量：

δx＝δx12-δx11＝(x11"-x11)-(x21"-x21)，

则x向倾角为：

βx＝δx/l＝((x11"-x11)-(x21"-x21))/l1，

其中l1是第一测量面和第二测量面之间的高度差；

同理，y向倾角为：

βy＝δy/l＝((y11"-y11)-(y21"-y21))/l1。

本实施例再通过钢丝绳测量倾角的过程中，在设备上同时安装一只高精度倾角仪，用以和钢丝绳测量结果互相修正。

6)偏差计算，根据计算出来的倾角结果，可以计算出刀盘平面的偏差，已知从第一测量面到刀盘平面的距离为l2，那么刀盘平面x向偏差δxh1和刀盘平面y向偏差δyh1的计算方法为：

7)根据计算得到的所述滚角，对刀盘进行反向旋转与所述滚角相同的角度以对刀盘进行滚动纠偏。

8)根据计算得到的刀盘平面x向偏差对刀盘在x方向上反向偏移与刀盘平面x向偏差相等的距离以对刀盘进行x向偏斜纠偏，根据计算得到的刀盘平面y向偏差对刀盘在y方向上反向偏移与刀盘平面y向偏差相等的距离以对刀盘进行y向偏斜纠偏。

本实施例采用两根下垂的钢丝绳，钢丝绳由于刚性及重力下垂时能够保持不动，且与大地水平线垂直，通过测量两根钢丝绳相对于第一测量面和第二测量面之间的相对运动，即可计算出设备的偏斜和滚动数据，本实施例结构简单，由于第一测量面和第二测量面设置在测量通道内，测量通道随着设备的向下挖掘而向下移动，与下垂的钢丝绳在任何深度位置都能够获取相交的点及与两根钢丝绳相交点的连线，进而能够进行监控计算。因此本实施例对于竖井的挖掘深度没有限制，只需调整钢丝绳下垂的长度，既能够实现竖井在挖掘的任何深度都能够精确的获取设备的偏斜和滚动数据，对设备进行实时有效的监控和调整。本实施例结构简单，成本低。并且本申请的导向调整方法的实施例中的数据获取简单高效，计算效率高，能够使监测人员及时的获取设备偏斜和滚动的状态，对设备进行及时有效地的监控和纠偏，保证竖井的偏斜在控制范围内。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。