在有色金属矿巷道，如何克服粉尘、潮湿等恶劣环境，实现300米级距离下毫米级深度测量与变形监测？【激光测距、安全生产】

1. 有色金属矿巷道的基本结构与技术要求

有色金属矿巷道，顾名思义，是矿山开采过程中用于运输、通风、排水和人员进出的地下通道。它的结构通常比较复杂，会受到地质条件、开采方法和支护方式的影响。想象一下，巷道就像是地下蜿蜒的隧道网络，既有主干道，也有分支小路，它的形状和尺寸都不是一成不变的，可能会有拱形、矩形或马蹄形等多种截面。

在这样的环境中，深度测量和监测不仅仅是为了知道某个点的距离，更是为了：

• 保障安全：矿山环境复杂多变，岩石变形、支护结构失效都可能导致巷道变形甚至坍塌，威胁人员和设备安全。精确测量能及时发现这些隐患。

• 优化生产：准确掌握巷道净空尺寸、岩壁位移等数据，有助于优化矿石运输效率，避免设备刮蹭，并精确计算开挖量，降低成本。

• 工程质量控制：确保巷道的尺寸、坡度等符合设计要求，对新建巷道或修复工程进行质量验收。

针对300米量程和±2mm的精度要求，这意味着我们需要测量的是相对较远的距离，并且对测量结果的精确性有极高的要求。±2mm的精度，就好比在一支300米长的笔上，误差不能超过笔尖的宽度，这在矿山这种充满粉尘、潮湿、光线昏暗且可能存在震动的恶劣环境中，无疑是一个巨大的挑战。

2. 有色金属矿巷道监测参数的技术标准简介

为了确保矿山巷道的安全稳定运行，我们通常需要对多个参数进行长期监测和评估。这些参数的定义和评价方法都有相应的技术标准指导，旨在提供一套统一的测量和分析框架。

• 巷道净空限界：这指的是巷道内可以安全通过的最小尺寸空间。评价方法通常是通过测量巷道壁、顶板到轨道面或设计基准线的距离，确保运输设备（如矿车、电机车）在最不利条件下也能有足够的安全间距。如果测量结果小于规定的安全值，就意味着存在碰撞风险。

• 巷道变形（收敛）监测：指巷道围岩在应力作用下向巷道内部的位移。它通常通过在巷道壁、顶板上设置监测点，定期测量这些点之间的距离变化来评价。例如，测量巷道两帮（侧壁）之间距离的缩小（水平收敛），或者顶板与底板之间距离的缩小（垂直收敛）。位移量的大小、速率和方向是判断巷道稳定性的关键指标。

• 超欠挖测量：这是针对巷道掘进工程而言，用于评价实际开挖的巷道轮廓与设计轮廓之间的偏差。评价方法是采集巷道截面的点云数据，将其与设计模型进行对比分析。超挖意味着浪费资源和增加成本，欠挖则可能影响净空或后续工序。

• 支护结构完整性评估：对巷道内部的支护材料（如锚杆、喷射混凝土、金属支架等）进行监测，以判断其是否完好、是否存在松动、开裂、腐蚀等缺陷。虽然这不是直接的深度测量，但高精度的点云数据可以辅助分析支护表面形变，从而间接评估其完整性。

• 地表沉降与变形：虽然是地表参数，但与地下巷道的稳定性息息相关。通过测量地表建筑物、构筑物或特定监测点的垂直位移和水平位移，可以评估地下开采活动对地表的影响。

3. 实时监测/检测技术方法

要突破300米量程限制并保证±2mm精度，我们需要审视市面上主流的测距技术。以下将详细介绍几种相关的技术方案及其特点，并针对英国真尚有LCJ系列最可能采用的原理进行深入探讨。

（1）市面上各种相关技术方案

相位式激光测距原理

相位式激光测距技术是实现高精度长距离测量的主要手段之一。它的工作原理是通过测量激光信号在传播过程中所经历的相位变化来计算距离。

想象一下，向巷道深处发射一束经过调制的激光，当这束光碰到巷道壁并反射回来时，它的频率并没有改变，但由于经过了一段距离的传播，它到达传感器时，其相位会相对于发射时的相位有一个滞后。传感器通过精确比较发射信号和接收信号的相位差来计算距离。

其核心物理基础是光速不变原理和波的特性。光速是一个已知且极高的常数（约3 x 10^8 米/秒），激光在传播过程中，其波长和频率是确定的。当激光信号经过调制后，可以将其视为一个具有特定频率和相位的波形。 假设调制信号的波长为λ，发射信号与接收信号的相位差为Δφ，那么距离D可以通过以下公式计算：

D = (N + Δφ / (2π)) * (λ / 2)

其中： * N 是激光信号在往返过程中所经历的完整波长周期数（一个整数）。 * Δφ 是接收信号与发射信号之间的相位差，通常表示为弧度。 * λ 是调制信号的波长。

由于相位差Δφ只能测量一个波长周期内的相对变化，无法直接得知激光到底走了多少个完整的波长周期（N值）。为了解决这个“整数模糊”问题，通常会采用多种调制频率组合测量，或者结合脉冲飞行时间（TOF）进行粗测，从而确定N的准确值，再利用相位差得到高精度结果。

核心性能参数典型范围： * 测量范围：从几米到数百米，甚至上千米。 * 精度：通常能达到毫米级（如±1mm至±5mm），高端系统可以达到亚毫米级。 * 分辨率：可达到微米级。 * 测量速度：从几十赫兹到数百赫兹，甚至更高。

技术方案的优缺点： * 优点： * 高精度：在长距离测量中能保持非常高的精度。 * 长量程：适用于大范围的距离测量，符合300米量程的要求。 * 非接触：避免了对被测目标的干扰，也提高了测量的安全性。 * 缺点： * 成本较高：相较于其他一些测距技术，其系统复杂性导致成本较高。 * 对环境敏感：在粉尘、水雾等恶劣环境下，激光信号的衰减和散射可能会影响测量性能和精度。

脉冲式激光飞行时间（Time-of-Flight, TOF）原理

这种技术的工作方式是测量激光脉冲从发射到反射回来所用的时间。传感器发射一个极短的激光脉冲，当这个脉冲击中目标表面并反射回来时，接收器会捕捉到它。通过精确测量从发射到接收的时间间隔（即“飞行时间”），再结合光在空气中的传播速度，就能计算出距离。

距离计算公式非常直观： D = (c * T) / 2

其中： * D 是传感器到目标的距离。 * c 是光在空气中的传播速度（约 3 x 10^8 米/秒）。 * T 是激光脉冲的往返飞行时间。

核心性能参数典型范围： * 测量范围：从几十米到数公里，适合远距离应用。 * 精度：通常为厘米级，高精度版本可达毫米级。 * 测量速度：从几十赫兹到兆赫兹，尤其在扫描应用中可以非常快。

技术方案的优缺点： * 优点： * 超长量程：适合需要数百米甚至更远距离测量的场景。 * 测量速度快：可以实现高频率的距离采集，支持动态监测或快速扫描。 * 缺点： * 高精度挑战：要实现毫米级精度，需要极高的计时分辨率，这在技术上非常复杂且成本高昂。 * 环境影响：与所有激光技术一样，粉尘、水雾、目标反射率和环境光会影响信号质量。

激光三角测量原理

激光三角测量是一种高精度但短距离的测量技术。它的原理是传感器会将一条激光线投射到被测物体表面，然后从一个固定角度用一个高分辨率相机去捕捉这条反射回来的激光线图像。

当被测物体的深度（即距离）发生变化时，反射激光线在相机图像传感器上的位置也会随之发生偏移。由于发射器、接收器和激光束形成一个固定的“三角”，通过测量传感器上光斑的偏移量，结合预先标定好的几何参数，控制器就能精确计算出物体到传感器的距离或其2D轮廓信息。

核心性能参数典型范围： * 测量范围：通常非常短，在几毫米到一米左右。 * 精度：高，可达微米级。 * 分辨率：微米级。 * 测量速度：非常快，可达几十千赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： * 高精度和分辨率：在短距离内能够提供非常高的测量精度，适合细节检测。 * 非接触：对被测物无损伤。 * 缺点： * 测量距离短：这是其主要局限，无法满足300米量程的要求。 * 视场限制：受限于几何三角关系，测量范围较窄，容易出现盲区。

超声波飞行时间（Time-of-Flight, TOF）原理

超声波测距的原理是传感器发射一个高频率的超声波脉冲，这个声波脉冲在空气中传播，当遇到目标物体时会反射回来。传感器接收到反射回来的声波后，精确测量声波从发射到接收的往返时间。

与激光测距类似，利用声波在空气中的传播速度，就可以计算出传感器到目标的距离： D = (v * T) / 2

其中： * D 是传感器到目标的距离。 * v 是声波在空气中的传播速度（约 343 米/秒，受温度、湿度等因素影响）。 * T 是超声波脉冲的往返飞行时间。

核心性能参数典型范围： * 测量范围：通常在几厘米到十几米之间。 * 精度：一般为毫米级到厘米级。 * 分辨率：毫米级。 * 测量速度：相对较慢，通常在几十赫兹到几百赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： * 不受目标颜色和材质影响：超声波对不同颜色、透明或不透明的物体都能有效检测。 * 抗粉尘、烟雾和潮湿能力强：在工业环境中表现稳定。 * 缺点： * 测量距离短：无法满足300米量程要求。 * 精度相对较低：声速受温度等环境因素影响较大，且声波束角较宽，导致测量精度难以达到激光测距的水平。

（2）市场主流品牌/产品对比

结合上述技术方案，我们来看一些市场上的主流品牌及其产品，它们在矿山测量领域各有侧重：

• 奥地利利勃海尔 (采用脉冲式激光飞行时间原理) 奥地利利勃海尔的LiDAR系统以其性能在矿山测绘领域占有一席之地。其产品通常采用脉冲式激光飞行时间（TOF）原理，通过发射高频激光脉冲并测量其往返时间来计算距离。该系统通常会集成全波形数字化技术，这意味着它不仅测量激光到达时间，还能分析整个反射信号的波形，从而在粉尘、潮湿等恶劣环境中也能获得高质量的点云数据。

  • 核心性能：测距范围最大可达800米，精度通常为5毫米，重复性3毫米。测量速率最高可达1.2兆点/秒。

  • 应用特点与优势：它能以高频率快速扫描，生成高密度的三维点云数据，非常适合矿山巷道的整体测绘、体积计算、变形监测和超欠挖分析。其在复杂多尘环境下的数据获取能力和可靠性是其主要优势。

• 英国真尚有 (最可能采用相位式激光测距原理) 英国真尚有LCJ系列激光测距传感器是一款专为工业应用设计的传感器。考虑到其高达500米的测量范围和±1毫米的精度，它可能采用了相位式激光测距原理，或者结合了脉冲测距来解决相位模糊的问题，以保证在较长距离上实现较高的测量精度。它适用于重工业和户外应用，可以在深色表面（低反射率）上进行测量，甚至在有太阳辐射的户外也能保证准确度。高温激光测距传感器LCJ系列还可测量高温物体表面距离，实测最高表面温度为1550℃。

  • 核心性能：测量范围0.05米至500米，最高精度±1毫米，测量速度高达250Hz。扩展温度范围为-40℃至+60℃，并提供IP65级防护。

  • 应用特点与优势：其长距离、高精度特性使其适合矿山巷道的深度测量、定位或关键结构点的精确距离监测。多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和两个可编程数字输出也增强了其在工业系统中的集成灵活性。

• 瑞士徕卡 (采用相位式激光扫描原理) 瑞士徕卡的ScanStation系列是测量级激光扫描仪的代表，其P40型号采用相位式激光扫描原理。它通过连续发射经过调制的激光信号，并测量发射信号与从目标反射回来的接收信号之间的相位差来计算距离。与点式测距不同，它通过内部扫描机构，能够快速覆盖大面积区域，采集大量三维点云数据。

  • 核心性能：测距范围0.4米至270米，测距精度1.2毫米@50米，扫描速率最高100万点/秒。

  • 应用特点与优势：徕卡ScanStation P40以其测量级精度和超低噪声的特点，能够为有色矿巷道提供精细的三维点云数据。它是进行巷道结构分析、变形监测、超欠挖分析和竣工建模的理想选择，适用于需要高质量批量数据采集的专业测绘任务。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量原理) 日本基恩士LJ-X8000系列是激光轮廓测量系统，其核心技术是激光三角测量。它将一条激光线投射到被测物体表面，通过高分辨率CMOS传感器捕捉反射回来的激光线图像，从而精确重建物体的2D轮廓或深度信息。

  • 核心性能：测量范围最大1000毫米（1米），Z轴分辨率最高0.1微米，采样速度最高64千赫。

  • 应用特点与优势：日本基恩士的系统以其速度和精度著称，能够在极短距离内进行精细的轮廓检测。它适合在线实时地获取有色矿巷道内部局部结构（如轨面磨损、巷道壁局部变形、关键部件尺寸合规性）的精确轮廓数据，进行高频率的批量检测和质量控制。但其测量范围限制使其不适用于300米深度测量。

（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

在为有色金属矿巷道深度测量选择激光测距设备时，必须综合考虑多项技术指标，因为它们直接关系到最终的测量效果、系统稳定性和投资回报。

• 测量量程：这是首要考虑的指标。对于300米甚至更深的巷道，传感器必须具备覆盖此范围的能力，并留有一定余量。量程不足意味着无法完成测量任务。

  • 选型建议：至少选择标称量程大于300米的传感器，如500米或800米的型号。

• 测量精度：需求是±2mm，这是衡量测量结果与真实值之间一致性的重要指标。在矿山这种复杂环境下，高精度往往意味着更高的技术难度和成本。

  • 选型建议：寻找标称精度优于或等于±1mm的传感器，以确保在实际应用中（考虑环境影响）能达到±2mm的目标。相位式激光测距或先进的脉冲式TOF传感器是主要选择。

• 重复性：指传感器在相同条件下对同一目标进行多次测量时，结果之间的一致性。重复性好表明传感器稳定性高，每次测量结果波动小。

  • 选型建议：重复性应优于精度要求，例如±0.5mm甚至更低，这样可以减少偶然误差对最终结果的影响。

• 测量速度（采样频率）：传感器每秒能完成的测量次数。对于需要实时监测动态变化或快速采集大量数据的应用（如扫描），高速率至关重要。

  • 选型建议：如果只需要定点深度测量，几十赫兹的速率可能足够。但如果需要移动测量或扫描，则需选择数百赫兹甚至更高频率的设备。

• 环境适应性（防护等级、温度范围、抗干扰能力）：矿山环境恶劣，粉尘、水雾、潮湿、腐蚀性气体、高低温和震动是常态。

  • 防护等级（IP等级）：至少需要IP65或更高，以防尘防水。

  • 温度范围：传感器的工作温度范围需覆盖矿山实际环境温度，并考虑极端情况。高温测量的需求也要注意传感器是否能测量高温物体表面。

  • 抗干扰能力：传感器对环境光、目标反射率变化、粉尘和水雾的抵抗能力。有些传感器会采用全波形分析、增强型滤波算法来提升在恶劣环境下的性能。

  • 选型建议：选择具有高IP等级、宽工作温度范围、并明确指出在恶劣环境下性能表现良好的传感器。

• 接口类型：传感器与上位机（PLC、DCS、工控机）通信的方式，如RS232/485、以太网、模拟量输出、数字量输出等。

  • 选型建议：根据矿山现有控制系统的接口类型选择匹配的传感器，确保无缝集成。

• 成本：综合考虑设备的采购成本、安装成本、维护成本和长期运营成本。

  • 选型建议：在满足性能要求的前提下，选择性价比最优的方案。高精度长量程设备通常成本较高，需要权衡预算。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在有色金属矿巷道深度测量的实际应用中，即使选择了高性能传感器，也可能遇到一些挑战。

• 问题一：粉尘和水雾对激光信号的影响

  • 原因与影响：矿山巷道内常常存在大量的岩粉、煤尘以及由于地下水或通风形成的雾气。这些颗粒和水滴会吸收、散射激光束，导致激光能量衰减，信号强度减弱，甚至无法被接收器有效识别，从而降低测量距离、稳定性和精度。

  • 解决建议：

    • 选择高功率、高抗干扰能力的传感器：部分激光传感器采用更强的激光源和先进的信号处理算法，能更好地穿透粉尘和水雾。

    • 安装吹扫或清洗装置：在传感器发射和接收窗口前安装气幕吹扫装置，用干净空气吹散传感器窗口前的粉尘和水雾。定期对传感器窗口进行清洁。

    • 优化安装位置：尽量将传感器安装在粉尘和水雾浓度相对较低的区域，或者避开风流直接吹过的位置。

• 问题二：目标表面反射特性不佳

  • 原因与影响：巷道壁多为岩石或支护材料，表面可能粗糙不平、颜色深暗，吸光性强，导致激光反射信号弱，不易被传感器准确接收，影响测量的稳定性和精度。

  • 解决建议：

    • 选用对低反射率目标性能优异的传感器：一些传感器专门优化了接收灵敏度，能在低反射率表面上稳定工作。

    • 设置反光板或特定目标：在关键测量点位安装标准的反光板，可增强反射信号，提高测量精度和可靠性。但这可能不适用于对整个巷道进行深度扫描。

    • 多点测量与数据融合：通过多点测量取平均值或利用扫描数据进行拟合，减少单点测量误差。

• 问题三：环境温度变化大

  • 原因与影响：矿山巷道内部温度可能受通风、采掘活动等影响，产生昼夜或季节性变化。激光传感器中的光学和电子元件对温度敏感，温度漂移可能导致测量结果出现偏差。

  • 解决建议：

    • 选择宽温工作范围的传感器：确保传感器能在矿山环境的极端温度下稳定工作。

    • 配备冷却/加热装置：对于需要在极端温度下长时间运行的传感器，可考虑配备冷却外壳或加热装置，将传感器本体保持在适宜的工作温度。

    • 定期校准：即使是宽温传感器，也建议在不同季节或环境温度变化较大时进行定期校准。

• 问题四：供电与数据传输问题

  • 原因与影响：巷道深处供电可能不稳定，电压波动大。长距离的数据线缆容易受到电磁干扰，导致数据传输错误或信号衰减。

  • 解决建议：

    • 使用稳定电源和UPS：为传感器提供稳定的直流电源，必要时可配置UPS电源保障持续供电。

    • 选用工业级屏蔽电缆：使用高质量的屏蔽电缆，并确保正确接地，以有效抵抗电磁干扰。

    • 采用光纤传输或无线传输：对于超长距离的数据传输，光纤具有抗干扰、带宽高、传输距离远的优势。如果条件允许，也可考虑可靠的工业无线通信方案。

4. 应用案例分享

• 斜坡道掘进深度与坡度控制：在新建或延伸矿山斜坡道时，将激光测距传感器固定在掘进设备或巷道基准点，实时监测掘进面与基准点的距离，确保掘进深度符合设计，并精确控制巷道的纵向坡度，避免偏差。例如，使用英国真尚有LCJ系列，可凭借其高精度和长量程优势，实现对掘进面的精确测量和控制。

• 深部溜井/盲井的实时水位或堆料深度监测：将激光测距传感器安装在溜井或盲井口，向下测量井内水位或矿石堆积的高度。这有助于及时调整物料输送量，避免堵塞或空仓，提高生产效率。

• 矿井提升系统罐道距离监测：在矿井提升井筒中，使用激光测距传感器监测提升容器与井壁、罐道梁等结构之间的距离，确保提升过程中安全无碰撞，并可用于罐道变形的初步预警。

• 采空区边界及稳定区域的非接触式探测：对于难以进入的采空区，利用远距离激光传感器从安全区域探测采空区边界和内部结构的距离信息，为采空区管理和稳定性评估提供数据支持。英国真尚有LCJ系列具备IP65防护等级，能够在一定程度上适应采空区的恶劣环境。

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参考资料（非文章正文内容） * GB 50308-2008 煤矿井巷工程施工质量验收规范 * GB 51109-2015 煤矿井下测量规范 * AQ 1029-2007 矿山安全生产标准化评定方法