如何在数百米长、高粉尘潮湿的煤矿巷道中，实现±5毫米级围岩变形的实时监测与安全预警？【智能矿山监测】

1. 煤矿巷道的基本结构与技术要求

煤矿巷道，就像是地下矿山的“血管”和“神经”，是人员通行、煤炭运输、通风、供电排水等各种生命线所在的重要通道。它们通常是长而连续的地下空间，形状可以是矩形、拱形或圆形。巷道的稳定性和尺寸精度直接关系到矿山的安全生产和运营效率。

想象一下，这就像我们修建地下隧道一样，如果隧道壁不够坚固，或者隧道口径不均匀，就可能导致坍塌、堵塞，甚至影响通风，危及工作人员安全。在煤矿巷道里，围岩（巷道周围的岩石和煤体）受力复杂，常常发生变形。因此，对巷道的深度、宽度、高度以及整体形状进行精确测量，是保障安全和指导生产的关键。

技术上，对巷道的测量要求很高。首先是精度，毫米级的变形可能预示着重大安全隐患，所以测量需要足够精细。其次是范围，巷道可能很长，需要测量数百米甚至更远的距离。再者是环境适应性，煤矿巷道通常伴有高浓度粉尘、潮湿、光线昏暗，甚至会有瓦斯等有害气体，传感器必须能在这样的恶劣条件下可靠工作。

2. 煤矿巷道的监测参数与评价方法

为了确保煤矿巷道的安全稳定运行，我们通常需要监测多个关键参数，并根据这些参数的变化来评估巷道的健康状况。

• 巷道轮廓与截面积： 这指的是巷道横截面的形状和大小。评价方法是定期采集巷道截面的实际数据，与设计图纸进行对比。如果实际轮廓比设计值大很多（超挖），可能造成资源浪费或围岩稳定性下降；如果比设计值小（欠挖），则会影响通风、运输或设备安装。

• 巷道净空尺寸： 这是指巷道内部可供人员和设备安全通行的最小空间。评价方法通常是在关键路段、弯道或设备安装处设置监测点，确保任何时候的净空尺寸都满足国家或行业规定的安全标准。例如，运煤皮带上方、行车道旁的净空必须足够，防止人员或设备碰撞。

• 巷道变形量： 这是指巷道围岩在各种应力（如地应力、爆破冲击）作用下，向巷道内部位移或向外部膨胀的程度。评价方法是通过在巷道壁面设置位移监测点，计算围岩的“收敛”（巷道变窄或变矮）或“离层”（围岩与主体岩石分离）的速率和总量。当变形量超过预设阈值时，就意味着围岩失稳风险增高，需要及时采取支护措施。

• 巷道支护效果： 这是评估所安装的锚杆、支架、喷浆等支护结构是否有效支撑围岩的能力。评价方法通常是监测支护结构与围岩之间的相对位移，或者通过无损检测手段评估支护体的完整性。如果支护结构本身发生形变或与围岩之间出现较大位移，则表明支护效果不佳或已失效。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在煤矿巷道深度测量和环境监测中，多种传感器技术各有千秋，我们可以根据具体的应用需求和环境特点来选择。

激光飞行时间法（Laser Time-of-Flight, ToF）

这种方法就像是让激光扮演一个“光速信使”，去测量一段距离需要多久。传感器会发射一个非常短促的激光脉冲，这个脉冲以我们熟知的光速（约每秒30万公里）前进，碰到目标物后被反射回来。传感器内部有一个极其精确的计时器，记录下从激光发出到反射光被接收到的总时间。

• 原理与物理基础： 距离的计算公式非常直观： 距离 D = (C * t) / 2 其中，C 代表光速（约 299,792,458 米/秒），t 是激光从传感器往返于目标物体所花费的总时间。之所以要除以2，是因为激光走了一个来回。 举例来说，如果我们想测量一条100米长的巷道，激光需要走200米的路程（去100米，回100米）。所需时间t = 200米 / 299,792,458 米/秒 ≈ 0.000000667 秒，也就是大约667纳秒。这就要求传感器的时间测量精度必须达到纳秒甚至皮秒级别，才能实现毫米级的距离精度。为了实现长距离测量和高精度，通常会采用高功率激光脉冲和先进的信号处理技术，比如对接收到的微弱反射信号进行滤波、放大和平均处理，以提高信噪比和测量稳定性。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常从0.05米到500米，甚至在特定应用中可达数公里。

  • 精度：在良好环境下，激光测距的精度通常在±1mm至±几十毫米之间。

  • 测量速度：从几赫兹（Hz）到数百赫兹，甚至在某些扫描应用中达到数千赫兹。

• 优点： 测量距离远，非接触式测量，响应速度快，对目标表面颜色和反射率变化具有较好的适应性。在一定浓度的粉尘、薄雾环境下仍能进行测量，但精度会受影响。

• 缺点： 极高浓度的粉尘、水雾会显著衰减激光信号，导致测量失效或误差增大。设备成本相对较高。

• 适用场景： 非常适合煤矿巷道整体深度测量、大型设备定位、物料高度/体积监控，以及在激光扫描仪中获取三维点云数据进行建模。

激光三角测量法（Laser Triangulation）

这种方法利用了几何上的三角关系来确定距离，通常用于短距离高精度的测量。

• 原理与物理基础： 想象你用手电筒照亮一个物体，然后从侧面观察光斑。当物体远近变化时，光斑在你视线中的位置也会跟着移动。激光三角测量传感器内部有一个激光发射器和一个位置敏感探测器（PSD或CMOS）。激光器发出一束激光，照射到目标表面形成一个光点。反射回来的光线通过一个透镜聚焦到探测器上。

  • 当目标与传感器之间的距离改变时，光点在探测器上的位置也会相应移动。由于激光发射器、探测器和透镜之间的相对位置是固定且已知的（形成一个固定的“基线”），通过测量光点在探测器上的微小位移，结合几何三角原理，就可以精确计算出目标物体的距离。

  • 简化的距离计算公式可以表示为： D = L * f / (Y * tan(θ)) 其中，D 是测量距离，L 是激光器和探测器之间的基线长度，f 是接收透镜的焦距，Y 是光斑在探测器上的偏移量，θ 是接收透镜相对于基线的角度。实际应用中，会建立更复杂的数学模型和查表法来消除非线性误差。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常为几十毫米到一米左右，属于短距离测量。

  • 精度：可达到微米甚至亚微米级别。

  • 重复精度：非常高，可达百分之几微米。

• 优点： 极高的测量精度和分辨率，高速测量，对目标表面微小形变非常敏感。

• 缺点： 测量范围短，容易受目标表面颜色、光泽度、粗糙度等影响（因为反射光强度和方向会变化），对粉尘、水雾等介质遮挡非常敏感，因为遮挡会影响光路的完整性。

• 适用场景： 主要用于对巷道内特定部件（如支架、轨道）的精密位移、厚度、磨损进行在线高频检测，不适合大范围深度测量。

超声波飞行时间法（Ultrasonic Time-of-Flight）

这种方法和激光ToF有点类似，不过它使用的是声音而不是光，就像蝙蝠在洞穴里飞行那样。

• 原理与物理基础： 传感器发射一束人耳听不到的高频超声波脉冲。这个声波脉冲以声速在空气中传播，碰到目标物体后反射回来。传感器接收到反射波后，测量声波从发出到接收所用的时间。

  • 距离的计算公式同样是飞行时间法： 距离 D = (V * t) / 2 其中，V 代表声速（在空气中约 343 米/秒，但受温度、湿度、气压影响较大），t 是声波从传感器往返于目标物体所花费的总时间。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常从几厘米到几十米。

  • 精度：一般在±1毫米到±几十毫米。

  • 响应时间：通常为几十毫秒到几百毫秒，相对激光较慢。

• 优点： 成本较低，对目标物体的颜色、材质不敏感，对灰尘、烟雾、潮湿等环境有较好的抵抗力，因为声波在这些介质中衰减相对较小。

• 缺点： 测量精度受温度、湿度等环境因素影响较大（声速变化导致），响应速度相对较慢，声波有扩散角，空间分辨率有限，易受空气湍流和环境噪声干扰。

• 适用场景： 煤矿巷道内物料堆积高度监测、粗略的障碍物检测、液位测量等，适合对精度要求不极致但需高可靠性和成本效益的应用。

激光雷达（Lidar）与SLAM技术

这是一种更复杂的集成技术，可以快速构建大范围的三维环境模型。

• 原理与物理基础： 激光雷达是激光飞行时间法的一种高级应用。它通过内部的扫描机构（比如旋转的镜片），在空间中发射成千上万个激光脉冲，并测量每一个脉冲的飞行时间来获取大量的点云数据，这些点云就构成了目标区域的三维形状信息。

  • SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) 技术则在此基础上进一步发展。它融合了激光雷达的三维点云数据、视觉惯性系统（VIS，比如高清摄像头获取图像）和惯性测量单元（IMU，测量设备的姿态、角速度和加速度）的信息。想象一个探险家在漆黑的地下迷宫中，他用一个强光手电（激光雷达）不停地扫描周围，同时根据自己的身体感觉（IMU）和看到的局部景象（VIS）来判断自己身处何方，并逐步绘制出整个迷宫的地图。SLAM就是让移动中的传感器在没有GPS信号的矿井里，边确定自己的精确位置，边实时地构建出巷道的完整三维地图。

• 核心性能参数：

  • 测距精度：通常在毫米到厘米级别。

  • 点云密度：高达数十万甚至数百万点/秒。

  • 测量范围：几十米到数百米。

  • 扫描速度：高，可快速覆盖大面积。

• 优点： 能快速获取高精度的三维空间数据，实现复杂环境的精确三维建模，对地形变化、结构变形有出色的感知能力，在复杂、无GPS信号的矿井环境中优势明显。

• 缺点： 设备成本极高，数据量庞大，后处理复杂，对操作人员专业性要求高。

• 适用场景： 巷道整体三维建模、超挖欠挖分析、围岩变形监测、矿山灾害风险评估、智能化掘进导向等。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在煤矿巷道深度测量领域，多家国际知名品牌提供了成熟可靠的解决方案，它们利用不同的技术原理，满足了多样化的应用需求。

• 奥地利力纳克 是高精度激光雷达领域的全球领导者。他们的产品多采用激光飞行时间法，例如其三维激光扫描仪，测距精度可达5毫米，最大测量范围达到800米。力纳克的优势在于能够快速生成高密度、高精度的三维点云数据，出色的测距能力和对复杂环境的适应性，使其在巷道剖面测量、体积计算和变形监测等三维数据采集方面表现卓越，能有效应对煤矿内的粉尘和震动。

• 英国真尚有 的LCJ系列激光测距传感器，凭借其创新的激光技术，同样采用激光飞行时间法，在工业应用中展现出强大性能。该系列产品测量范围可达500米，精度高达±1毫米，具备独特的优势。该系列传感器采用坚固的金属外壳，防护等级达到IP65，扩展温度范围为-40℃至+60℃，部分型号能够测量高达1550℃的高温物体表面距离。同时，它提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和高精度模拟输出，易于集成。

• 德国思博泰 作为工业传感器领域的知名厂商，其户外型激光测量传感器也采用脉冲飞行时间法。例如，其产品对10%反射率目标测量范围可达80米，精度为±15毫米，并拥有IP67的高防护等级。思博泰的产品以坚固耐用和在恶劣工业环境中的高可靠性而闻名，具有较强的抗环境干扰能力，适用于煤矿巷道内的在线实时检测、轮廓监测和障碍物预警等场景。

• 瑞士徕卡 在测绘地理信息领域处于领先地位，其移动图像激光扫描仪融合了激光雷达（飞行时间法）、视觉惯性系统和惯性测量单元，运用SLAM技术。该产品可在巷道内快速移动进行扫描，实时生成高密度彩色三维点云。它在10米距离上的测距精度为4毫米，扫描范围0.5至25米。徕卡的解决方案无需预设控制点，极大提升了测绘效率，非常适合进行巷道变形分析、超挖欠挖检测及整体三维建模。

• 日本基恩士 以其高性能工业自动化和检测产品著称，其高精度激光位移传感器主要采用激光三角测量法。该系列产品能提供极高的测量精度，例如重复精度可达 0.002 毫米，采样周期快至 3.9 微秒。虽然测量范围相对较短（几十毫米至1000毫米），但其超高的分辨率和测量速度，使其非常适合对巷道内特定设备或构件的微小形变或精确深度进行高频率、非接触式在线检测。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择用于煤矿巷道深度测量的设备或传感器时，我们需要像挑选合适的工具来完成精细工作一样，仔细考量各项技术指标，确保其能满足实际需求并应对恶劣环境。

• 测量范围： 这个指标决定了传感器能测量的最远和最近距离。

  • 实际意义： 如果你需要测量几百米长的巷道整体深度，但传感器只能测几十米，那就需要多次移动和拼接数据，效率会很低。反之，如果只是监测几十厘米范围内一个支架的位移，过长的测量范围可能意味着过高的成本，且短距离精度可能不如专用的短距离高精度传感器。

  • 选型建议： 对于整体巷道深度或大范围轮廓扫描，应选择测量范围至少覆盖单次测量区域的激光飞行时间传感器，例如50米至数百米。对于局部精密形变或位移监测，短距离（如几十厘米至几米）且精度高的激光三角测量传感器更为适用。

• 测量精度： 这是衡量测量结果可靠性的关键指标，通常表示为±X毫米。

  • 实际意义： 精度就像尺子的最小刻度。在煤矿巷道里，毫米级的精度对于识别围岩的细微变形、判断支护结构的早期失效迹象至关重要。如果精度不够，一些潜在的安全隐患可能被忽视，例如围岩微小松动导致的离层。

  • 选型建议： 煤矿巷道深度测量尤其是变形监测，通常要求较高精度。建议选择精度在±1毫米到±5毫米的激光测距传感器。在条件允许且预算充足的情况下，精度越高越好，但这也会带来成本的增加。

• 防护等级（IP等级）： 这表明传感器抵御外部环境（灰尘和水）侵蚀的能力。

  • 实际意义： 煤矿巷道环境恶劣，粉尘飞扬，潮湿，甚至可能遭遇漏水或冲洗。高防护等级（如IP65或IP67）的传感器就像穿上了厚实的雨衣和防尘服，能有效防止灰尘进入内部导致故障，也能抵抗水溅或短时浸泡，从而保障设备在恶劣环境下的长期稳定运行和测量精度。

  • 选型建议： 至少选择IP65等级的传感器，这能有效防尘和抵御普通水溅。如果巷道内特别潮湿、有滴水或需要高压水冲洗，则强烈推荐选择IP67或更高等级的传感器。

• 测量速度/频率： 指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 实际意义： 如果传感器需要安装在移动的设备上进行快速扫描（如车载激光雷达），或者需要实时在线监测快速变化的参数（如输送带上物料高度），那么高的测量速度（如数百赫兹）是必不可少的。如果速度太慢，可能会遗漏关键数据，或者无法满足实时控制的需求。对于静态定点测量，较低的速度可能就足够了。

  • 选型建议： 针对动态扫描或实时在线监测，建议选择测量速度在100Hz以上，甚至达到250Hz或更高的传感器。对于固定点、周期性监测，几十赫兹的测量频率通常即可满足需求。

• 抗环境干扰能力： 衡量传感器在粉尘、水雾、温度变化、震动、光照等复杂条件下的工作稳定性和数据准确性。

  • 实际意义： 煤矿巷道环境充满挑战。粉尘会散射激光，导致信号衰减；水雾和凝结水会吸收激光或模糊光学窗口；宽泛的温度变化会影响电子元件和光学部件的性能；震动可能导致测量基准不稳。一个优秀的传感器应具备特殊的光学设计、先进的信号处理算法或坚固的机械结构，以有效应对这些干扰，提供稳定可靠的测量数据。

  • 选型建议： 优先选择产品规格中明确说明具备优秀抗粉尘、宽工作温度范围（如-40℃至+60℃）、抗震动能力强的传感器。在极端粉尘或潮湿环境下，可以考虑采用带有吹扫或加热功能的附件，甚至考虑结合超声波等不同原理的传感器进行互补验证。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了性能优异的传感器，在煤矿巷道的实际应用中，我们仍然可能遇到一些挑战。了解这些问题的原因并提前准备解决方案，能大大提高系统的可靠性。

• 问题1：粉尘对激光信号的衰减与散射

  • 原因与影响： 煤矿巷道空气中悬浮着大量的煤尘和岩尘。当激光束穿过这些粉尘时，一部分激光能量会被吸收，另一部分会被粉尘颗粒散射开，导致到达目标表面的激光强度减弱，反射回传感器的信号也变得微弱甚至无法被有效识别。这会降低测量精度，缩短有效测量距离，甚至造成测量中断或产生错误数据。

  • 解决建议：

    • 选用高功率、抗粉尘能力强的激光传感器： 一些高端激光传感器具备更强的穿透力和更复杂的信号处理算法，能从微弱的反射信号中提取有效信息。

    • 加装保护罩和吹扫装置： 为传感器光学窗口安装透明的防尘罩，并配备压缩空气吹扫系统。这个系统可以定期或持续地向光学窗口吹气，清除堆积的粉尘，保持窗口清洁，就像给潜水员的护目镜定期清除水雾一样。

    • 定期清洁维护： 即使有吹扫装置，也应制定定期的人工清洁计划，确保光学窗口没有顽固污渍。

    • 多点测量或冗余部署： 在关键测量点，可以部署多个传感器从不同角度进行测量，或结合其他测量技术（如超声波）进行互补验证，提高整体可靠性。

• 问题2：潮湿环境导致光学窗口结雾或沾水

  • 原因与影响： 煤矿巷道内湿度高，空气中的水蒸气容易在传感器光学窗口表面凝结形成水雾，或直接被巷道内的水滴溅湿。水膜和水雾会散射、吸收激光，导致激光束扭曲或衰减，严重影响测量精度和传感器的可见度。长期的潮湿环境也可能腐蚀设备外壳或内部电路。

  • 解决建议：

    • 选用高防护等级（IP67或更高）的传感器： 确保传感器本身具备优异的防水防潮能力。

    • 配备加热或除湿装置： 对于易结露的区域，可以为传感器配备加热器，使光学窗口温度略高于环境露点，防止水雾凝结。或者在传感器保护箱内放置除湿剂。

    • 优化安装位置： 尽量避免将传感器直接安装在滴水点下方或容易被水溅到的区域。安装遮雨罩或导流板也是有效措施。

• 问题3：巷道壁面反射率不均与低反射率问题

  • 原因与影响： 煤岩表面的颜色（深色煤炭）、粗糙度、湿度和光泽度等因素差异很大。深色煤层反射激光的能力很弱（低反射率），使得反射信号异常微弱；不平整的岩石表面可能会将激光散射到各个方向，导致传感器难以接收到有效的反射信号。这些都会影响测量的稳定性和精度。

  • 解决建议：

    • 选用高灵敏度或具备动态增益控制的传感器： 这样的传感器能够更好地捕捉和处理微弱的反射信号，就像相机在暗光下能捕捉更多细节一样。

    • 在关键测量点设置反射板： 对于需要高精度且长期监测的关键点位，可以在巷道壁面安装专用反射板（如棱镜反射器或高反射率贴纸）。反射板能够将激光信号定向反射回传感器，大幅提高信号强度和稳定性。

    • 调整传感器参数： 部分传感器允许用户调整激光功率、积分时间等参数，以适应不同的反射率条件。

• 问题4：巷道围岩变形和外部震动对测量稳定性的影响

  • 原因与影响： 煤矿巷道围岩本身可能持续发生缓慢变形，或者受到爆破、机械设备运行等产生的强烈震动。这些因素可能导致传感器安装基座发生位移或晃动，或者被测目标（如巷道壁面）产生瞬时抖动，从而使得测量基准不稳定，影响测量结果的准确性和一致性。

  • 解决建议：

    • 采用减震安装支架： 将传感器安装在稳固、独立的基座上，并通过减震垫、减震支架等方式，有效地隔离来自围岩或机械设备的振动。这就像给精密仪器安装防震平台一样。

    • 选择高测量频率传感器并进行数据滤波： 高频率的传感器可以在短时间内采集大量数据。通过对这些数据进行平均、中值滤波或其他统计处理，可以有效消除瞬时震动带来的误差。

    • 定期校准和基准点复核： 定期检查传感器的安装状态和校准情况，并对测量基准点进行复核，确保其稳定性。

4. 应用案例分享

• 掘进工作面深度与进度监测： 将激光测距传感器固定在掘进机机身或支架上，实时测量掘进机刀盘到掌子面（巷道最前端）的距离，精确掌握掘进深度和进度，为爆破参数优化和施工计划调整提供依据。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，凭借其高精度和长量程的特点，能够在此场景中发挥重要作用。

• 巷道围岩收敛变形实时预警： 在巷道不同断面安装多台激光测距传感器，持续监测巷道宽度和高度的微小变化。当测量数据超出预设阈值时，系统自动发出报警，提示矿工和管理人员及时采取支护措施，防止围岩失稳事故发生。

• 煤仓、料仓物料液位精准控制： 在煤仓或矿石料仓顶部垂直安装激光测距传感器，精确测量物料堆积高度。这有助于实现自动化装载、卸载控制，避免溢流或空仓，提高物料输送效率和安全性。

• 采煤机定位与工作面姿态校准： 在采煤机行走机构和割煤刀头处安装激光测距传感器，实时获取采煤机与巷道壁、煤壁的相对距离。这有助于采煤机精确走直，保持煤层开采厚度一致，提高采煤效率和煤炭回收率。