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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