CN104406566B - 一种矿井智能综合地质测量仪及其测量方法 - Google Patents

一种矿井智能综合地质测量仪及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种矿井智能综合地质测量仪及其测量方法,与现有技术相比解决了尚无应用于井下复杂条件下的综合地质测量仪器的缺陷。本发明包括激光测距模块、电子罗盘模块、激光定面组件和处理器,所述的激光测距模块和电子罗盘模块分别与处理器的串口相连,激光定面组件与处理器的控制端相连,电子罗盘模块和激光定面组件的安装位置位于同一水平面上。本发明集多种功能于一体,且多种功能相互配合提高了井下测量的准确度和测量效率,操作更加方便。

Description

一种矿井智能综合地质测量仪及其测量方法
技术领域
本发明涉及矿井地质测量技术领域,具体来说是一种矿井智能综合地质测量仪及其测量方法。
背景技术
矿井地质测量工作是煤矿生产建设的一项重要技术基础工作,矿井的一切采掘工作及安全生产必须以可靠的地质资料为依据。地质测量工作一般主要依靠于地质三大件(罗盘、皮尺、锤子),外加记录本和笔完成测量。
传统测量产状主要有两种方法:地质罗盘直接测定法和用坡度规(半圆仪)挂线找平的间接测定法。1、地质罗盘直接测定法在井下测量煤岩层、断层等产状时,由于金属支护的干扰,形成了局部的干扰磁场,直接影响罗盘的测量精度。2、用坡度规挂线找平的间接测定法由于井下支护速度越来越快,给挂线找平测量产状带来很大困难;而且在矿井测量现场经常出现岩体面非常不规则情况,导致罗盘或其他仪器找不到合适的测量点。
尺子作为常用的距离测量工具,多次测量时需要记录本记录,对于比较危险区域如采空区空顶距测量则需要借助测距仪来完成,但由于测距仪没有角度测量功能,只能以多次测量的近似距离值作为其最后测量结果,准确度较低。另外,地质人员还需要利用尺子手工测绘掘进断面,费时费力。因此,急需要设计一种在井下复杂条件下帮助地质人员提高工作效率的地质综合测量仪器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中尚无应用于井下复杂条件下的综合地质测量仪器的缺陷,提供一种矿井智能综合地质测量仪及其测量方法来解决上述问题。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种矿井智能综合地质测量仪,包括激光测距模块、电子罗盘模块、激光定面组件和处理器,所述的激光测距模块和电子罗盘模块分别与处理器的串口相连,激光定面组件与处理器的控制端相连,电子罗盘模块和激光定面组件的安装位置位于同一水平面上。
所述的激光定面组件为两个线激光发射器或三个点激光发射器,两个线激光发射器的激光束定义一个平面,三个点激光发射器的激光束定义一个平面。
激光定面组件包括线激光发射器和点激光发射器,线激光发射器和点激光发射器的激光束定义一个平面。
还包括相机模块和WIFI芯片,所述的相机模块和WIFI芯片分别与处理器的控制端相连,所述的处理器的型号为ARM-A8、ARM-A9或ARM-A15。
还包括三轴陀螺,所述的三轴陀螺与电子罗盘模块的串行口相连。
一种矿井智能综合地质测量仪的测量方法,产状测量包括以下步骤:
在待测岩体上选择三个参考点,调整电子罗盘模块的倾角为0;
调整激光定面组件,使其激光所形成的平面与被测岩体面平行;
处理器读取电子罗盘模块的倾角及方位角;
处理器根据方位角与倾向计算公式求出倾向,计算公式如下:
倾向=方位角-90°;
存储岩体产状面。
距离测量包括以下步骤:
调整电子罗盘模块的倾角为0,激光测距模块向被测岩体射出激光束,并计算出激光测距模块到被测岩体参考点的距离L;
电子罗盘模块计算出当前激光束与水平面的倾角α;
处理器读取激光测距模块测得的距离L和电子罗盘模块中测得的倾角α,计算观测者与被测岩体的水平距离Lh和垂直距离Lv,其计算公式如下:
Lh=Lcos(α),Lv=Lsin(α)。
采空区的空顶距测量方法如下:
激光测距模块对准待测空顶距的顶端测量距离L1,并读取电子罗盘模块的倾角α1
激光测距模块对准待测空顶距的底端测量距离L2,并读取电子罗盘模块的倾角α2
处理器计算采空区的空顶距h,其计算公式如下:
真产状的测量方式如下:
将矿井智能综合地质测量仪底面与待测产状面平行,读取电子罗盘模块的倾角α1和方位角β1
将矿井智能综合地质测量仪顺时针旋转90°,读取电子罗盘模块的倾角α2和方位角β2
处理器计算真倾角α和方位角β,计算公式如下:
地质图像的测量方法如下:
相机模块记录被测岩体的形态并存储成图片或视频;
激光测距模块记录被测岩体与仪器的距离;
电子罗盘模块记录倾角值;
处理器将物距和成像角度记录在图片或视频中。
有益效果
本发明的一种矿井智能综合地质测量仪及其测量方法,与现有技术相比集多种功能于一体,且多种功能相互配合提高了井下测量的准确度和测量效率,操作更加方便。通过三轴陀螺组合设计,避免了磁场干扰,有效提高了测量精度。通过激光测距模块与电子罗盘的结合测量,能快速计算出被测岩体的高度及观测者与被测岩体的水平距离。通过激光测距模块测量两次距离,结合电子罗盘计算两次测量的夹角,利用余弦定理可以间接完成不能直接测量的距离(如采空区的空顶距)。具有结构简单、通用性强、操作便携的特点。
附图说明
图1为本发明中地质测量仪的结构示意图;
其中,1-电源、2-电子罗盘模块、3-电子罗盘模块、4-激光定面组件、5-相机模块、6-WIFI芯片、7-处理器、8-人机交互界面、9-点激光发射器、10-线激光发射器、11-三轴陀螺。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识,用以较佳的实施例及附图配合详细的说明,说明如下:
如图1所示,本发明所述的一种矿井智能综合地质测量仪,包括激光测距模块2、电子罗盘模块3、激光定面组件4和处理器7,电源1与处理器7相连,用于给整个仪器供电。激光测距模块2用于提供距离测量功能;电子罗盘模块3用于提供倾角、方位角及横滚角测量功能,为了避免磁场干扰,还可以增加三轴陀螺的设计模式,三轴陀螺11和电子罗盘模块3之间通过串口连接。使用时,在无磁环境下开机,通过电子罗盘模块3的方位角作为三轴陀螺11初始方位角,然后三轴陀螺11获得地球自转的角速度,通过积分计算获得方位角,此种工作方式可以不受磁干扰的影响。当系统处于无磁环境时,将电子罗盘模块3的方位角重新作为三轴陀螺11的初始值以修正陀螺的飘移,以保证整个罗盘的测量精度。
激光定面组件4用于定义一个面,在定义一个面时,最少需要三个点、两条线或点线的组合。激光定面组件4用于选择两条线、三个点或点线进行一个面的定位,其可以为两个线激光发射器10,两个线激光发射器10的激光束组合形成定义一个平面,通过两条线定义一个平面;也可以为三个点激光发射器9,三个点激光发射器9的激光束组合形成定义一个平面,通过三个点定义一个平面;也可以为线激光发射器10和点激光发射器9的组合,线激光发射器4和点激光发射器9的激光束组合形成定义一个平面,通过点线的组合定义一个平面。当然,在定义平面中,也可以采用多个线激光发射器10和多个点激光器9的多种组合方式定义一个平面。
激光测距模块2和电子罗盘模块3分别与处理器7的串口相连,可以将采集到数据送至处理器7进行数据处理和计算。激光定面组件4与处理器7的控制端相连,通过处理器7可以触发激光定面组件4进行平面的定位工作。电子罗盘模块3和激光定面组件4位于同一水平面上,等于电子罗盘模块3为激光定面组件4附加了角度测量功能,保证了电子罗盘模块3与线激光、点激光配合使用时的准确性。
为了可以得到直接图像和信息,还可以包括相机模块5,相机模块5用于对被测岩体进行摄像并形成静态图片或视频;为了方便数据传输,还可以包括WIFI芯片6,WIFI芯片6用于智能仪器的联网、智能升级及数据交换;相机模块5和WIFI芯片6分别与处理器7的控制端相连,通过处理器7进行拍照、上传数据。处理器7使用高性能处理器,其可以为ARM-A8、ARM-A9或ARM-A15、Intel的嵌入式处理器等,运行智能操作系统(如Andriod、Windows等)。处理器7与人机交互界面8相连,共同组成智能处理平台,供使用者操作和查看数据信息。
一种矿井智能综合地质测量仪的测量方法,其产状测量包括以下步骤:
第一步,在待测岩体上选择三个参考点,用三个参考点定义一个平面,调整电子罗盘模块3的横滚角为0。参考点的选择依据测量的实际情况来定,按常规测量理论选择合适的参考点即可。
第二步,调整激光定面组件4,使其激光所形成的平面与被测岩体面(三个参考点定义的平面)平行。当罗盘模块3的倾角为0时,通过调整激光定面组件4与待测平面平行时,罗盘模块3的横滚角即为倾角,方位角即为走向,比传统罗盘分别测量走向与倾角提高了工作效率。
第三步,处理器7读取电子罗盘模块3的横滚角(倾角)及方位角(走向)。
第四步,处理器7根据方位角与倾向计算公式求出倾向,计算公式如下:
倾向=方位角-90°。
第五步,存储岩体产状面。
在传统的距离测量方法中,由于无法保证测量仪器的平衡度,因此需要利用激光测距模块2进行多次距离的测量,再对多次测量结果取平均值,测量结果也只是近似值,无法保证准确性。本发明所述的距离测量包括以下步骤:
第一步,调整电子罗盘模块3的横滚角为0,激光测距模块2向被测岩体射出激光束,并计算出激光测距模块2到被测岩体某一参考点的距离L。
第二步,电子罗盘模块3计算出当前激光束与水平面的夹角,即倾角α。
第三步,处理器7读取激光测距模块2测得的距离L和电子罗盘模块3中测得的倾角α,据此计算出观测者与被测岩体的水平距离Lh和垂直距离Lv,其计算公式如下:
Lh=Lcos(α),Lv=Lsin(α)。
对采空区的空顶距、其他危险区域或不能直接到达地点的距离测量,在现有技术中也无法做到,本发明所述的采空区的空顶距包括以下步骤:
第一步,激光测距模块2对准待测空顶距的顶端(底端)测量距离L1,并读取电子罗盘模块3的倾角α1
第二步,以矿井智能综合地质测量仪底面下沿线为轴,向下转动矿井智能综合地质测量仪,使激光测距模块2对准待测空顶距的底端(顶端)测量距离L2,并读取电子罗盘模块3的倾角α2。激光测距模块2可以先测顶端距离再测底端距离,也可以先测底端距离再测顶端距离,只需要分别测量即可。
第三步,处理器7根据余弦定理计算采空区的空顶距h,其计算公式如下:
岩层真产状在测量时要求保持仪器水平,先测量方位角,然后再测量倾角。本发明所述的岩层真产状测量方式如下:
第一步,保持矿井智能综合地质测量仪的底面与待测产状面平行,读取电子罗盘模块3的倾角α1和方位角β1
第二步,在保持矿井智能综合地质测量仪底面与待测产状面平行前提下,顺时针旋转90°,读取电子罗盘模块3的倾角α2和方位角β2
第三步,处理器7计算真倾角α和方位角β,计算公式如下:
为了增加使用直观性,可以针对地质图像进行相关数据的标注,则地质图像的测量方法如下:
第一步,相机模块5记录被测岩体的形态并存储成图片或视频;
第二步,激光测距模块2记录被测岩体与仪器的距离(物距);
第三步,电子罗盘模块3记录倾角值(成像角度);
第四步,处理器7将物距和成像角度记录在图片或视频中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种矿井智能综合地质测量仪,其特征在于:包括激光测距模块(2)、电子罗盘模块(3)、激光定面组件(4)和处理器(7),所述的激光测距模块(2)和电子罗盘模块(3)分别与处理器(7)的串口相连,激光定面组件(4)用于选择两条线、三个点或点线进行一个面的定位,激光定面组件(4)与处理器(7)的控制端相连,电子罗盘模块(3)和激光定面组件(4)的安装位置位于同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪,其特征在于:所述的激光定面组件(4)为两个线激光发射器(10)或三个点激光发射器(9),两个线激光发射器(10)的激光束定义一个平面,三个点激光发射器(9)的激光束定义一个平面。
3.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪,其特征在于:激光定面组件(4)包括线激光发射器(10)和点激光发射器(9),线激光发射器(10)和点激光发射器(9)的激光束定义一个平面。
4.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪,其特征在于:还包括相机模块(5)和WIFI芯片(6),所述的相机模块(5)和WIFI芯片(6)分别与处理器(7)的控制端相连,所述的处理器(7)的型号为ARM-A8、ARM-A9或ARM-A15。
5.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪,其特征在于:还包括三轴陀螺(11),所述的三轴陀螺(11)与电子罗盘模块(3)的串行口相连。
6.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪的测量方法,其特征在于,产状测量包括以下步骤:
61)在待测岩体上选择三个参考点,调整电子罗盘模块(3)的倾角为0;
62)调整激光定面组件(4),使其激光所形成的平面与被测岩体面平行;
63)处理器(7)读取电子罗盘模块(3)的倾角及方位角;
64)处理器(7)根据方位角与倾向计算公式求出倾向,计算公式如下:
倾向=方位角-90°;
65)存储岩体产状面。
7.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪的测量方法,其特征在于,距离测量包括以下步骤:
71)调整电子罗盘模块(3)的倾角为0,激光测距模块(2)向被测岩体射出激光束,并计算出激光测距模块(2)到被测岩体参考点的距离L;
72)电子罗盘模块(3)计算出当前激光束与水平面的倾角α;
73)处理器(7)读取激光测距模块(2)测得的距离L和电子罗盘模块(3)中测得的倾角α,计算观测者与被测岩体的水平距离Lh和垂直距离Lv,其计算公式如下:
Lh=Lcos(α),Lv=Lsin(α)。
8.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪的测量方法,其特征在于,采空区的空顶距测量方法如下:
81)激光测距模块(2)对准待测空顶距的顶端测量距离L1,并读取电子罗盘模块(3)的倾角α1
82)激光测距模块(2)对准待测空顶距的底端测量距离L2,并读取电子罗盘模块(3)的倾角α2
83)处理器(7)计算采空区的空顶距h,其计算公式如下:
h = L 1 2 + L 2 2 - 2 L 1 L 2 c o s ( α 1 + α 2 ) .
9.根据权利要求1所述的一种矿井智能综合地质测量仪的测量方法,其特征在于,真产状的测量方式如下:
91)将矿井智能综合地质测量仪底面与待测产状面平行,读取电子罗盘模块(3)的倾角α1和方位角β1
92)将矿井智能综合地质测量仪顺时针旋转90°,读取电子罗盘模块(3)的倾角α2和方位角β2
93)处理器(7)计算真倾角α和方位角β,计算公式如下:
α = arctan ( tan 2 ( α 1 ) + tan 2 ( α 2 )
β = β 1 + arcsin ( t a n ( α 1 ) / tan 2 ( α 1 ) + tan 2 ( α 2 ) ) .
10.根据权利要求4所述的一种矿井智能综合地质测量仪的测量方法,其特征在于,地质图像的测量方法如下:
101)相机模块(5)记录被测岩体的形态并存储成图片或视频;
102)激光测距模块(2)记录被测岩体与仪器的距离;
103)电子罗盘模块(3)记录倾角值;
104)处理器(7)将物距和成像角度记录在图片或视频中。
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