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第1章 绪论 1

1.1 国内外研究现状 2

1.1.1 井筒变形监测方法 2

1.1.2 井筒变形监测分析 5

1.1.3 井筒变形监测预报预警 7

1.2 研究趋势 8

1.3 研究内容 9

第2章 井筒沉降精密水准监测技术 11

2.1 井筒沉降监测设计 11

2.1.1 作业依据 11

2.1.2 高程系统 11

2.1.3 点位设计 12

2.1.4 水准测量原理 13

2.1.5 变形监测网 14

2.1.6 技术设计书 17

2.2 井筒沉降监测实施 17

2.2.1 仪器设备 17

2.2.2 监测周期 18

2.2.3 测站施测要求 19

2.2.4 注意事项 21

2.3 数据处理与资料提交 21

2.3.1 数据处理 21

2.3.2 变形分析 22

2.3.3 资料提交 22

2.4 井筒水准沉降监测实例 22

2.4.1 监测基准网布设 23

2.4.2 主井监测网布设 23

2.4.3 数据处理与分析 25

2.5 本章小结 29

第3章 井筒变形卫星控制网监测技术 30

3.1 GNSS控制网变形监测基准 30

3.1.1 GNSS控制网监测基准 30

3.1.2 GNSS变形监测网平差基准 31

3.2 GNSS变形监测网设计 32

3.2.1 作业依据 32

3.2.2 监测网分级划分 32

3.2.3 布网原则 33

3.2.4 选点与埋石 34

3.2.5 仪器选择 38

3.3 GNSS网外业施测 40

3.3.1 基本技术要求 40

3.3.2 观测作业 40

3.4 GNSS监测网变形分析 42

3.4.1 两期变形稳定检验模型 42

3.4.2 多期监测卡尔曼滤波模型 42

3.4.3 GNSS监测网形变分析 46

3.5 实例应用 47

3.5.1 GNSS外业观测 48

3.5.2 数据处理 49

3.5.3 井筒变形分析结果 50

3.6 本章小结 52

第4章 井塔倾斜变形监测技术 57

4.1 水平角法井塔倾斜监测技术 57

4.1.1 外业实施方案 58

4.1.2 监测精度分析 59

4.2 水准沉降法井塔倾斜监测技术 61

4.2.1 井塔任意点沉降量计算模型 61

4.2.2 井塔水平位移公式推导 62

4.3 井塔倾斜监测案例 65

4.3.1 水平角法倾斜监测案例 65

4.3.2 水准沉降法井塔倾斜监测案例 66

4.4 本章小结 68

第5章 井筒中线变形监测技术 69

5.1 基本原理 69

5.1.1 四基准垂线法 69

5.1.2 钢丝线坐标测量 70

5.2 野外施测 72

5.2.1 测量基准 72

5.2.2 测量步骤 74

5.3 井筒井壁中线拟合 77

5.3.1 测点坐标计算 77

5.3.2 井壁中线建模 77

5.4 变形拟合模型 79

5.4.1 经典最小二乘原理 79

5.4.2 抗差整体最小二乘 80

5.4.3 模拟数据验证 83

5.5 实例应用 85

5.5.1 定向钢丝坐标观测 86

5.5.2 极坐标法 87

5.5.3 前方交会法 88

5.5.4 两种方案对比 89

5.6 井壁特征点坐标序列 89

5.6.1 特征点数据分析 89

5.6.2 井筒中心线变形 95

5.6.3 井筒三维变形结果 102

5.7 本章小结 104

第6章 井筒变形序列特征分析技术 106

6.1 变形数据变异特性分析 106

6.1.1 区域化变量 106

6.1.2 变异函数及其描述 107

6.1.3 实验分析 108

6.2 变形数据非线性特征分析 110

6.2.1 主分量分析 111

6.2.2 关联维计算 112

6.2.3 Lyapunov指数 115

6.2.4 实验分析 115

6.3 变形的小波多尺度特征分析 117

6.3.1 基本理论 117

6.3.2 多尺度特征分析 120

6.3.3 实验分析 121

6.4 本章小结 127

第7章 井筒变形多路径分离技术 128

7.1 动态变形监测模型 128

7.2 多路径效应原理 131

7.3 井筒动态变形多路径分离技术 133

7.3.1 经验模态分解 133

7.3.2 小波变换 135

7.3.3 Vondrak滤波 136

7.3.4 技术路线 137

7.4 评价指标 138

7.5 野外实验数据分析 139

7.5.1 多路径信息提取 144

7.5.2 动态变形序列提取 152

7.6 某矿井筒实测数据分析 154

7.6.1 多路径信息提取 156

7.6.2 动态变形序列提取 163

7.7 本章小结 165

第8章 井筒变形GNSS／INS融合监测技术 166

8.1 井筒GNSS／INS集成监测系统 166

8.1.1 GNSS／INS组合变形监测系统 166

8.1.2 惯性元件的误差辨识 168

8.1.3 惯性系统的自对准 173

8.2 加速度计动态变形监测方法 177

8.3 GNSS／INS集成动态变形监测方法 178

8.3.1 惯性导航系统力学编排 179

8.3.2 组合定位系统误差模型 181

8.4 兖州某矿主井监测实验 184

8.4.1 动态变形监测实验环境 184

8.4.2 GPS／BDS集成变形监测数据分析 184

8.4.3 加速度计动态变形监测数据分析 187

8.4.4 GPS／BDS／INS集成变形监测数据分析 189

8.5 本章小结 190

第9章 井筒变形预报模型研究 191

9.1 基于灰色理论的井筒变形预报 191

9.1.1 预报模型 192

9.1.2 预报精度检验模型 194

9.1.3 试验结果及分析 195

9.2 基于GA-BP的井筒变形预报 199

9.2.1 BP神经网络 199

9.2.2 遗传算法 200

9.2.3 GA-BP网络结构 201

9.2.4 预报模型评价指标 202

9.2.5 试验结果及分析 203

9.3 基于相空间重构的LS-SVM井筒变形预报 207

9.3.1 最小二乘支持向量机算法 207

9.3.2 混沌时间序列的重构相空间 209

9.3.3 基于混沌相空间重构的最小二乘支持向量机模型 209

9.3.4 试验结果及分析 210

9.4 本章小结 214

第10章 井筒变形预警及完备性监测模型 215

10.1 累积和算法简介 215

10.1.1 单边CUSUM算法 215

10.1.2 双边CUSUM算法 216

10.2 基于累积和检验的预警模型 217

10.2.1 累积和预警模型 217

10.2.2 预警参数选取方法 219

10.3 预警完备性监测体系 220

10.4 野外模拟数据验证 221

10.5 井筒实测数据验证 225

10.6 本章小结 229

第11章 井筒变形模拟系统研究 230

11.1 井筒变形模拟系统设计 230

11.1.1 系统组成 230

11.1.2 系统功能设计 233

11.2 系统控制电路 234

11.2.1 电机驱动机制 234

11.2.2 控制信号流程 235

11.2.3 系统电路方案 235

11.3 上位机软件系统 236

11.3.1 数据文件 238

11.3.2 轨迹运动 238

11.3.3 点进运动 238

11.4 下位机设计 239

11.4.1 单片机最小系统 239

11.4.2 串口通信模块 240

11.4.3 控制信号驱动电路 240

11.4.4 安全检测电路 242

11.4.5 软件设计 242

11.5 变形模拟实验 243

11.5.1 GNSS基本性能测试 243

11.5.2 GPS／加速度计变形监测实验 248

11.6 本章小结 250

参考文献 251