摘" 要：地下礦山巷道表面位移變化量是需要不同時(shí)間段對(duì)單個(gè)測點(diǎn)的多次測量來確定的。傳統(tǒng)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(tǒng)性誤差較大的顯著問題，嚴(yán)重影響巷道圍巖穩(wěn)定控制的可靠性。針對(duì)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(tǒng)無線定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主設(shè)計(jì)的激光測距裝置對(duì)巷道表面位移進(jìn)行測量。與現(xiàn)有測量技術(shù)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(shù)據(jù)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(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：巷道；位移測量；無線定位；RSSI；激光測距裝置

中圖分類號(hào)：TD325" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(shè)是礦山生產(chǎn)過程中的第一要?jiǎng)?wù)，對(duì)保障人員的生命安全和健康、維護(hù)礦山企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行、促進(jìn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。對(duì)于地下礦山而言，巷道作為礦井通風(fēng)、運(yùn)輸和行人的主要通道，在礦井生產(chǎn)和運(yùn)行過程中發(fā)揮著血管的作用，其圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定直接影響到地下礦山的安全高效生產(chǎn)。隨著礦山開發(fā)深度的不斷增加，地下工程的安全風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加，特別是對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)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(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。將科學(xué)技術(shù)與礦山建設(shè)高效結(jié)合已經(jīng)成為提高礦山安全生產(chǎn)建設(shè)與生產(chǎn)的主要技術(shù)途徑。近年來，國家大力倡導(dǎo)的建設(shè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和發(fā)展無線定位技術(shù)系統(tǒng)為地下礦山一線作業(yè)人員統(tǒng)一調(diào)度和礦井設(shè)備安全監(jiān)測注入了新的動(dòng)力。隨著礦井通信、調(diào)度、信息管理和人員定位等技術(shù)革新的日益推進(jìn)，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(píng)估巷道圍巖穩(wěn)定性的重要手段，其監(jiān)測結(jié)果的可靠性和監(jiān)測結(jié)果的便捷性一直是地下礦山監(jiān)測監(jiān)控關(guān)注的重點(diǎn)之一。目前，國內(nèi)對(duì)表面位移測量方法也有大量研究。冀英超等設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集和通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道表面位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外，十字交叉法也是進(jìn)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(zhǔn)，從而測量巷道頂板、底板、左幫和右?guī)?個(gè)方向的表面位移量。葉美圖等還進(jìn)一步設(shè)計(jì)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(jié)合，達(dá)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(jìn)度的日益增加，無論是傳統(tǒng)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?shù)装搴蛢蓚?cè)位移量變化導(dǎo)致的定位參照點(diǎn)移動(dòng)問題。這不僅導(dǎo)致定位不準(zhǔn)，特別地，由于底鼓和測量裝置的原因還會(huì)進(jìn)一步增大對(duì)底板變化量測量的難度。這些問題會(huì)使得測量結(jié)果產(chǎn)生偏差，降低數(shù)據(jù)分析的精度，影響測量者對(duì)礦山實(shí)際情況的了解，從而無法給出合理的解決方案，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。特別是，由于底鼓和測量裝置的局限性導(dǎo)致對(duì)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(shù)的礦井巷道表面位移測量方法。該方法通過無線定位技術(shù)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(jié)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(cè)的位移數(shù)據(jù)。最終通過對(duì)同一測點(diǎn)不同時(shí)間段的多次測量，得到準(zhǔn)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(yīng)用價(jià)值和可觀的應(yīng)用前景。

1" 傳統(tǒng)表面位移測量方法

傳統(tǒng)表面位移測量是應(yīng)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(jìn)行鉆孔，打上木樁布置基點(diǎn)，且基點(diǎn)在同一斷面內(nèi)，頂部基點(diǎn)通常布置在巷道中線上，幫部基點(diǎn)通常布置在腰線上，底板可不設(shè)基點(diǎn)，頂板基點(diǎn)垂線與兩幫基點(diǎn)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(dǎo)致基點(diǎn)位置發(fā)生錯(cuò)位，定位不在腰線上，對(duì)兩幫的變化量測量不準(zhǔn)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(shè)計(jì)

2.1" 定位原理

如圖2所示，RSSI無線定位技術(shù)通過接收到的信號(hào)強(qiáng)弱測定信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算。該技術(shù)通常采用RSSI三角定位原理進(jìn)行確定坐標(biāo)（x，y）。根據(jù)礦山自身需求特點(diǎn)，需要進(jìn)行三位定位，但使用RSSI三角定位來定位三維坐標(biāo)需要的信號(hào)發(fā)射端較多且建設(shè)工程量較大。因此本文基于RSSI無線定位原理提出設(shè)兩點(diǎn)定位方案。如圖3所示，A點(diǎn)和C點(diǎn)為信號(hào)發(fā)射端（實(shí)際使用時(shí)可選取設(shè)置在礦井地面的固定監(jiān)測點(diǎn)），B點(diǎn)為待測定巷道斷面的某個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。若A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為X，C點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為Y，則B測點(diǎn)的定位點(diǎn)為（1，X，Y），“1”表示測點(diǎn)代號(hào)。測點(diǎn)代號(hào)可以有效地解決可能存在2個(gè)測點(diǎn)到信號(hào)發(fā)射端的距離相等的問題。

2.2" 裝置結(jié)構(gòu)

如圖4所示，整個(gè)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(jìn)行移動(dòng)。連接桿表面標(biāo)有刻度，便于記錄數(shù)據(jù)。三腳架活動(dòng)扣用來調(diào)節(jié)三腳架的張開角度，每10°一個(gè)擋位，三腳架的作用是支撐作用，根據(jù)地形的不同可以隨意調(diào)節(jié)三腳架從而保證三腳架的平穩(wěn)性，不會(huì)影響激光測距儀的水平。此外，長度調(diào)節(jié)扣則用來調(diào)節(jié)三腳架的高度。激光測距探頭可進(jìn)行多角度調(diào)節(jié)，方便對(duì)兩幫和頂板的表面位移變化進(jìn)行測量。水平調(diào)節(jié)把手a、水平調(diào)節(jié)把手b、水平調(diào)節(jié)把手c分別對(duì)激光測距儀進(jìn)行左右、上下、前后的角度調(diào)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(shù)據(jù)處理

3.1" 底板表面位移測量過程

在使用時(shí)，先打開測量裝置上的無線定位裝置進(jìn)行定位，通過調(diào)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(shù)據(jù)完成第一次測量。在下一時(shí)間段進(jìn)行第二次測量時(shí)，同樣先進(jìn)行定位，定位成功后，使用第一次測量時(shí)的三腳架參量，來對(duì)比連接桿的變化，就可以精準(zhǔn)地得出測點(diǎn)底鼓的數(shù)據(jù)。

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

yd1=b-a。 （1）

設(shè)裝置安設(shè)在中線外，左圖為第一次架設(shè)三腳架并完成定位的狀態(tài)，其連接桿的高度為a；設(shè)右圖為第二次架設(shè)三腳架并完成定位的狀態(tài)，其連接桿的高度為b；測點(diǎn)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(shù)據(jù)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(diǎn)定位主要按照激光測距儀與中線和腰線的位置關(guān)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(diǎn)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(duì)頂板、左幫和右?guī)蜏y量的數(shù)據(jù)；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(duì)發(fā)生變形的頂板、左幫和右?guī)蜏y量的數(shù)據(jù)；設(shè)測點(diǎn)頂板下沉量為y1；設(shè)側(cè)點(diǎn)左幫變化量為yz1；設(shè)測點(diǎn)右?guī)妥兓繛閥y1，則測量所得數(shù)據(jù)由式（3）—（5）所示

y1=c-f， （3）

yz1=d-g， （4）

yy1=e-h。 （5）

4" 結(jié)論

巷道圍巖表面位移監(jiān)測對(duì)于礦山安全生產(chǎn)有著重要意義，本文基于無線定位技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)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(chǔ)上提出了設(shè)兩點(diǎn)定位方案。在無線定位的輔助下，通過調(diào)整前后的2次測量可以得到連接桿的變形量，從而計(jì)算出底板的位移數(shù)據(jù)。同時(shí)，針對(duì)激光測距儀布點(diǎn)的4種情況分別給出了具體的兩幫與頂板的數(shù)據(jù)處理方法。與傳統(tǒng)的十字交叉定位方法相比，該方法定位精準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)合理，便捷實(shí)用，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可為礦山生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，并且在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可更好地了解礦井巷道的變化，提出更加高效的技術(shù)方案，保證礦山的安全生產(chǎn)。

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