煤矿立井罐道形变检测技术发展现状

宗亮亮，牛伟锋，张小康，柳 苗，吴 丰，涂世宇

(1.山西焦煤霍州煤电集团 辛置煤矿， 山西 临汾 031400； 2.霍州煤电集团有限责任公司， 山西 临汾 031400；3.武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室， 湖北 武汉 430070)

煤矿立井提升系统负责矿井上下的安全连通，在保障煤矿安全生产中至关重要。提升设备安全无故障地运行直接关系到煤矿从业者的生命安全，严重的罐道形变不仅对矿井的正常运转造成影响，甚至会造成不可挽回的人员伤亡[1]. 为保障立井罐笼钢性罐道安全使用，应定期派专人在特定时间对罐道运行状态进行检查和维护，防止因罐道纵向弯曲变形影响罐笼正常运行，造成重大安全事故[2]. 目前这项工作由人工手动修检，检测效率和结果受客观因素的限制。

立井刚性罐道与安装在提升容器上的滚轮罐耳共同运作，通过调节缓冲弹簧使滚轮罐耳贴合在刚性罐道使罐笼可以上下运行，刚性罐道配合滚轮罐耳构成了煤矿立井系统中提升容器的刚性罐道系统[3]. 而罐笼长期上下运行过程中，会造成罐道表面的磨损、变形和错位等问题，严重时会导致罐道的整体形变，引发卡罐甚至掉罐等重大安全事故[4]. 目前，国内通常采用人工几何测量法检测灌道的形变，该方法检测精度低，操作费事费力，严重影响煤矿正常开采，更无法满足相关精度要求。而国外对刚性罐道状态研究较早，一般使用专业仪器测量，但因罐道结构复杂，测试环境和条件受诸多客观因素影响，测量难度大，测量时间较长。所以，需要开发高效快速的方法检测、诊断煤矿罐道的形变程度并及时做出对应的预防和补救措施。

1 罐道形变检测方法

国内外学者为了检测罐道的形变程度提出多种检测刚性罐道的方法，包括几何测量法、振动加速度法、专业仪器法、激光测距法和线激光扫描技术。根据测量条件和测试指标，这些方法又可以概括为几何测量法、动态测量法和静态测量法。

2 检测方法

2.1 几何测量法

几何检测法是最原始的测量方法，利用带重锤的钢丝线下放并作为基本垂直线，设定固定检测间隔，测定钢丝至罐道表面的水平距离，并将标准距离进行对比获取罐道形变信息。

该方法早期操作步骤是在井壁等间隔分布4个测点，交叉测量出#1、#2、#3、#4的距离，对不同时间间隔所测数据进行对比，获得罐道的相对形变程度。经过长时间实践和改进，该方法演变成从竖井中心位置处由上到下垂直下放铅垂线，然后分别从#1、#2、#3、#4引出4根钢丝绳至罐道底部对应垂直点#1’、#2’、#3’、#4’，见图1，拉紧钢丝绳直至摆幅最小，间隔合适距离做横切面，并以横切面与铅垂线交点作为基准点，分别测量基准点与钢丝绳的垂直距离[5-8]，将检测结果与原罐道半径数据进行对比，进而分析形变程度。

图1 几何测量法检测原理图

几何测量法原理简单，可以反映整个罐道形变情况，然而该方法在实际测试过程操作较为复杂，且当钢丝受到矿井通风或者外界扰动等不可控因素影响时，易发生横向摆动，致使该方法存在较大误差[9].

2.2 动态测量法

动态测量法是指通过采集罐道运行时的加速度响应，通过分析振动信号间接确定罐道的故障位置和形变程度。

振动加速度法是通过对传感器所采集的提升容器的振动响应进行数据处理与分析来评估刚性罐道形变程度的方法。提升机正常运行过程中与罐道之间的相对作用产生非平稳的响应[4,8]，分析动态振动响应信号以此提取故障点位置信息并确定形变类型和具体形变程度数据，基于相关算法可提取和评估罐道的实时安全状态[6].

振动信号采集装置一般以加速度传感器为主，配合其他传感器同时测量。关博文等采用双轴倾角传感器测量罐道倾斜程度并同时使用3个加速度传感器测量监测竖直和水平方向的振动信号[10]. 张亮选择加速度倾角法传感器结合计程传感器，利用计程器得到纵向深度并根据加速度传感器测量对应偏角，将罐道对应深度的偏斜角在显示器上显示出来[11].

对获取的提升机振动信号的处理，需要开发相应的振动数据分析算法提取非稳态振动状态，建立振动状态与罐道安全状态之间的关联和评价准则[12-15]. 玄志成等人基于罐道的典型故障，采用了频域和小波信号奇异性分析建立了典型故障和信号特征之间的关系，为提升系统的稳步运行探索了理论支持[16]. 李占芳通过实验构建了水平、垂直振动模型，采用小波奇异性分析从振动信号中提取了瞬态突变信息，并从中提取了罐道凸起形变的位置数据，结合倾角传感器测量罐道倾斜情况，所开发罐道形变特性检测框图见图2[17]. 张淼从不同罐道状态振动信号中提取了三个参量作为故障特征，通过训练SVM分类器实现了不同故障模式的有效识别[18]. 马驰等在张淼研究基础上增加了信号的最大值和平均值两种时域统计指标，共计五种特征来表征罐道状态[19]. 以上研究中所提及方法的有效性均在提升系统中得到验证。

图2 罐道形变特性检测框图

振动加速度法对煤矿生产过程的影响较小，不仅可以反映罐笼在真实运行情况下罐道的状态，还可以提取特征信息。然而动态过程的检测是一种间接测量方式，无法直接测量罐道各指标参数，目前还未形成对应的评价规范，相关的模型与理论方法还待完善[17].

2.3 静态测量法

静态测量法是指在罐笼停止运行或慢速运行下，通过激光测距或测斜传感器直接测量罐道的形变程度或罐道轮廓。

2.3.1 专业仪器测量法

专业仪器法主要基于现有测量方法，通过集成多传感设备设计整套专业仪器对罐道进行多参数综合检测。俄罗斯、波兰等是最早采用专业仪器法研究的国家：由俄罗斯矿山地质力学及矿山测量科学研究院所研制的综合测量装备可以对罐道间距和偏斜实施综合测量，包括对罐道偏离垂直方向的偏斜角和间距变化信息等[6]; 波兰学者为测量罐道连续偏斜研制了井筒断面测量仪，通过确定初始测量值与后续点偏离激光射线的偏差距离来判断罐道形变程度。

国内对专业仪器测量法的研究较晚。其中，国投集团新能源股份有限公司根据重力磁场研制出了自动测量罐道变形的装置。阜新矿业学院将测斜传感器、计程器、控制器等设备集成研制了立井罐道测斜仪，其检测原理图见图3，该装置根据计程器定位罐笼下降位置，搭配重力阻尼测斜仪作为测斜单元模块，传感器内部电路变化器根据提升机动态运行过程中摆锤相对铅垂线产生的偏移变化，将偏移角转化为电信号，由测量电路根据对应关系将罐道偏移量以数字量形式输出[5].

图3 专业仪器法检测原理图

市面上现有专业仪器法结合了多种已有测量方法和原理，测量精度高、集成度高、可根据需求测量不同罐道参数。为提升仪器的测量精度并简化操作，仍有必要引入新的检测原理和方法，进一步完善和补充现有专业仪器所用检测技术。

2.3.2 激光测距法

激光测距法采用激光测距传感器测量探头到罐道间距[20]，间接得到罐道形变，结合位移传感器所测纵向位移，将罐道形变测量与罐道纵向位移结合得到罐道整体形变。在实际操作中，选取罐道梁特定位置并安装激光传感器或使用位移传感器辅助测量罐道纵向下行距离，实现检测间距的位置定位，通过无线传输模块将罐道间距和对应纵向深度传至上位机，将罐道间距以直观的图形形式展示在上位机，其原理见图4[21].

图4 激光测距法原理图

研究者们基于上述原理开发出多种运用于实际工程的激光测距方法。刘淑婷等用强磁力磁铁将激光传感器固定安装至同一水平面的上下行两个罐道梁上，间接测得同一组激光传感器的间距，并基于ZigBee无线传输模块传输至上位机，实时监测罐道间距[21]. 徐沛等将激光传感器用自吸式强力磁铁固定在罐笼底座，测量罐笼到罐道之间的距离，用橡胶轮将开关型霍尔传感器紧贴罐道，通过脉冲信号计数测量罐道纵向距离，将纵向深度和此处罐道间距相匹配，并实时采集显示于上位机得到罐道整体形变[22]. 徐洋等则采用激光传感器结合气压传感器，并通过R8C/L36C单片微处理器处理数据获得罐道间距和井深数据，通过窄带物联网技术实现远距离无线传输，及时了解罐道形变等[23].

激光测距法可以准确地通过位置传感器的获取测量位置信息并得到对应点的罐道间距，对罐道整体形变测度有直观的反应，但对于罐道接缝处的间距和磨损等细节检测不够。

2.3.3 线激光扫描技术

线激光扫描技术可直接对罐道整体扫描，采集罐道轮廓的高精度数据，通过数据分析提取出错位、磨损、凸起等信息。激光扫描仪固定于罐笼上，跟随罐笼上下运行，以一定频率发射一束激光，柱面物镜将激光光束分散为条状，照射到物体上得到一行激光散点[24]，接收物体产生漫反射将数据传递给控制器，根据接收数据获得探头到罐道表面的距离，而线激光一行激光散点之间的间距恒定以此获得错位和磨损[25]，其测量原理图见图5. 对获取的数据进行预处理，包括数据转化、无效数据的剔除、边缘线明晰化和纠偏补正算法，获得罐道形变特征数据[26].

根据计程器可以得到罐道上下两根衔接处位置，设置自适应阈值并区分有效数据和无效数据，提取衔接罐道左、右边界错位值，可以得到水平方向错位；提取罐道上、下边界错位值，得到罐道垂直方向错位。根据罐耳和罐道实际运行状态，将磨损值定位到罐道正中央，根据选区与同行无效区域的对比，结合罐道到激光轮廓扫描仪探头位置，计算得到罐道磨损值。

图5 线激光扫描原理图

线激光扫描技术区别于传统激光测距法，得到的是一行行激光散点，根据需求采取不同算法得到罐道错位、磨损、凸起等更多信息，在对罐道整体形变检测且可聚焦罐道接缝处细节，获取信息更全面完善，但同时对装置安装和数据处理方面提出了更高要求，需要根据实际测量结果和测量对象调整算法，获取有用信息。

3 罐道形变检测方法优劣对比

根据上述分析，将罐道形变检测方法进行纵向比较，其优劣对比见表1.

表1 罐道形变检测方法比较表

分析表1可知，几何测量法操作复杂并影响生产，检测精度低。振动加速度法虽然对生产影响较小，但无法直接对罐道进行检测，且数据采集量较大，处理算法较复杂，动态模型和理论基础还有待完善。专业仪器测量法使用复杂，需要专业人员操作，仪器成本较高。激光测距法属于直接测量方法，具有较高的可行性和精度，在整体形变检测上具备较大的应用前景。线激光扫描技术相对激光测距法在对罐道的整体形变测量基础上，将罐道衔接处的数据自动化采集并处理，获得罐道接缝处重要信息，或成为新一代的高精度罐道专业检测仪器法[27-29].

4 结 语

本文列举了几种常见煤矿罐道形变检测技术，包括人工几何测量法、动态测量法和静态测量法。阐述了几何测距法、振动加速度法、专业仪器法、激光测距法和线激光扫描技术测量方法的意义、原理和可行性，对比分析了各测量方法的优缺点。其中线激光扫描技术相对于激光测距法，在得到罐道整体形变获取罐道轮廓，获得罐道衔接处的错位、磨损等多方面关键信息更快更全面，对立井罐道形变的高效快速检测和准确评估意义重大，保障了煤矿的安全有序开采，其检测方法的研究与推广具有广阔的前景和意义。