基于三维激光扫描的竖井变形监测方法与流程

本发明涉及基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，属于井下监测技术领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明提供一种基于三维激光扫描的竖井变形监测方法。

本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

本发明的有益效果：本发明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。

本发明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，本发明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是本发明设置地面工作基点、基准靶球点及基准钢丝悬放点的示例性示意图；

图2为本发明的具体实施例中的井下导线布设示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了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。

本实施方式中地面工作基点需要选择不受井下开采影响的点，以保障数据坐标的准确性。三个基准靶球点及基准钢丝悬放点均通过地面工作基点进行传递计算获得坐标。其中三个基准靶球点作为后续井筒中心坐标计算的基准点，基准钢丝悬放点坐标用于与后续计算获得的井底处钢丝点坐标进行比较，从而确定选择的井底水平巷道是否符合作为判定井筒是否变形的基准层面。若判断基准钢丝悬放点所在的井口处坐标系与井底处钢丝点所在的井底坐标系二者基准一致，则可认为待定的井底水平巷道有效，否则需要重新进行选择，直到满足基准一致的判定。

确定未受采动影响的井底水平巷道满足设定要求后，再进行井筒各个层面中心坐标的计算：首先使扫描仪对三个基准靶球点的位置进行扫描，结合计算获得的三个基准靶球点的坐标，可获得当前扫描位置时，扫描仪的坐标。确定扫描仪坐标后，再结合当前扫描位置获得的井筒筒壁的大量测量数据进行拟合，即可获得当前位置的井筒中心坐标；对接下来的断面扫描层，均采用类似的思路进行计算：例如结合前一次的扫描仪坐标，再结合当前对某一断面扫描站三个标靶球的扫描数据可计算获得所述某一断面扫描站的扫描仪坐标，确定扫描仪坐标后，再结合扫描仪在某一断面扫描站获得的相应井筒筒壁数据进行拟合再获得对应的井筒中心坐标，依此类推。本实施方式中对井筒内各个断面井筒中心坐标的计算为基于标靶球对数据的传递实现。在每个断面扫描站都是先确定扫描仪的坐标，再进而通过相应井壁的扫描数据拟合获得井筒中心坐标。

由于已判定所述井底水平巷道可以作为基准层，因此将最终计算获得的井底中心坐标作为准井筒中心坐标，将其它各个断面对应的井筒中心坐标与准井筒中心坐标相比较，来判定井筒的变形量。

为了确保准井筒中心坐标的可信度，可预先根据经验设定误差阈值，若准井筒中心坐标与井筒中心设计坐标的差距不超过误差阈值，则认为准井筒中心坐标可用。

进一步，结合图1所示，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。

本实施方式中，通过两个cors站对两个地面工作基点进行观测并计算获得其坐标，从而确保地面基准点坐标数据的准确性。

再进一步，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，所述起算坐标作为各个断面扫描站内三个标靶球坐标的运算基础。

本实施方式是通过靶球的设定，实现对数据的传递，从而逐层获得各个井筒中心坐标；当起算坐标的准确度保证以后，后续计算数据的可靠性即在一定程度上得到了保障。

再进一步，结合图2所示，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。

煤矿竖井的开拓方式一般采用多水平分区式开采，在上一水平分区开采结束前需把下一水平分区准备好，即把生产水平的控制测量传递到下一个水平分区，从而由最初的测定导线点进行传递，可获得井底水平巷道内的两个已知7秒导线点，根据7秒导线点再布设新导线，即可计算出井底处钢丝点坐标。

再进一步，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。

所述预定间隔距离可以根据竖井井下的实际情况选取，如果井筒中有雾气或者淋水较大，则应缩小预定间隔距离，否则可适当加大，从而确保在不同情况下对井筒的监测精度。

为了防止标靶球由罐梁上跌落，可在标靶球的下端用铁丝一端缠紧，铁丝另一端缠紧在罐梁上，使标靶球不仅通过磁吸的方式定位，还配合铁丝的保护，起到双重保护的效果。

再进一步，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。

本实施方式中，三维激光扫描仪可采用trimbletx8三维激光扫描仪，由于井筒扫描情况的特殊性，可通过专门的支架平台实现扫描仪在罐笼内的安放。例如可使支架平台的底盘设置四个螺纹孔，与罐笼内底面固定；支架平台设置手柄控制升降；支架平台上端设置平台，平台上可固定基座，然后将扫描仪固定在基座上，实现扫描仪在罐笼内的固定。

扫描仪进行扫描时，每一次扫描均处于上下两层标靶球之间，扫描时同时扫描上下两层标靶球及对应位置的井筒筒壁，既获得标靶球的位置扫描数据，又获得对应位置的井筒筒壁扫描数据，所有扫描数据均为坐标数据，利用坐标数据可通过专业软件建立井筒的数据模型。

作为示例，所述扫描口可以为600mm×600mm的开口。为了使扫描仪在扫描的过程中视线不被遮挡，需要开设一尽量大一点的扫描口，扫描口处可对应安装可开合的盖子，便于扫描前后的开关。可以在罐笼的底面焊接一个与支架平台底盘的四个螺纹孔对应吻合的铁板，从而将支架平台与铁板通过螺栓固定，从而方便扫描仪与罐笼的连接。

再进一步，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。数据模型的建立可以基于点云数据分析平台进行，例如trimblerealworks11.0平台，再结合autocad2016辅助分析数据。

再进一步，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。

由于竖井上下的井筒中心坐标都是通过标靶球坐标传递，获得相应位置处井壁坐标，再拟合获得的，因此以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。靶球拼接的具体过程可以采用天宝公司备的专用软件进行拼接。

再进一步，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。

所述相对误差的比例根据煤矿测量规程的规定进行选取。若井底处钢丝点坐标与基准钢丝悬放点的坐标相对误差大于1:6000，则认为两个坐标系不一致，需要重新选择未受采动影响的井底水平巷道。

具体实施例：

以鹤岗矿业分公司益新煤矿为例，结合图1所示，待定地测科门口的一点yxg1作为一个地面工作基点，选择附近篮球场的一点yxg2作为另一个地面工作基点；利用矿务局cors站和救护大队cors站进行观测，共计观测两个时段，每个时段60分钟。经过内业解算获得两个地面工作基点的坐标，如下表所示：

表中n(m)表示北向坐标，e(m)表示东向坐标，u(m)代表高程。

地面连接导线的测量：

利用yxg1、yxg2两个点作为起算数据，在地面布设5"导线到达井口门的三个靶球点m4、m5、m6和钢丝点，如图1所示，图中yx6、yx8、m1、m2及m3均为设置的测定导线点；基于两个地面工作基点的坐标，通过导线的内业计算依次获得各测定导线点、三个靶球点及钢丝点的坐标，三个靶球点及钢丝点的坐标用作井筒扫描后靶球拼接的起算坐标，如下表所示：

扫描仪的安装、断面扫描站的划分及标靶球的固定：

采用trimbletx8三维激光扫描仪，配合专门的支架平台；所述支架平台底盘有四个螺纹孔，用于与罐笼内底板固定；支架平台升降可由手柄控制，支架平台顶端固定基座，三维激光扫描仪安装在基座上。

扫描前对罐笼的设计：为了使三维激光扫描时不遮挡，需要将罐笼的上端开一个600mm×600mm的开口，上端安装有可开合的盖子，便于扫描前后的开关。将罐笼的底端焊接一个和平台底座螺丝孔吻合的底板，使用螺栓将底板与平台底座连接固定。

标靶球的安装：采用高强度pvc磁吸式标靶球；从井口开始向下每20米划分一个断面扫描站，利用井筒中的罐梁来固定标靶球。为防止标靶球跌落，可在靶球的下端用细铁丝的一端缠绕，另一端铁丝缠绕在罐梁上，使标靶球不仅以磁铁吸附在罐梁上，还有铁丝的加固，起到双重保护的效果。

安装标靶球时，需要门的技术指导和安装人员乘坐罐笼共同完成。罐笼的下降速度一般为0.5m/s，由地上井口开始每20m停止一次，在罐梁上黏贴标靶球，每个断面设置三个标靶球。

扫描：由于益新煤矿竖井井筒结构复杂，采用由井口向下逐站扫描方式，扫描精度为tx8扫描仪level2，单站扫描时间2分钟。如果井筒中有雾气或者淋水较大的地方应缩小断面间距，变成10米或5米一个断面，确保扫描的精度。

未受采动影响的井底水平巷道内连接导线的测量：

由于益新矿三水平没有受到采动的影响，三水平大巷中7秒导线点是稳定的，可以利用7秒导线点60、61的坐标，及在60与61连线边上进行陀螺定向求出的坐标方位角来观测并计算井下各点的坐标，从而拟合出三水平马头门处井筒中心的坐标。用这个坐标可以控制靶球拼接的误差。井下导线布设如图2所示。

图2中付3、付2、x3、x2、x1点分别为进行坐标传递的选定7秒导线点。

所述三水平大巷中两个7秒导线点的连线导线边状态稳定，边长大于50米，在该边上用陀螺经纬仪可定向求取该边的坐标方位角。将求取的该边的坐标方位角与其已知值进行比较，如果求取值超过煤矿测量规程的要求，则辅助说明未受采动影响的井底水平巷道不稳定，测量成果不可用，需要重新选择未受采动影响的井底水平巷道。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。