CN110397473B - 一种移动式巷道全断面监测设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动式巷道全断面监测设备及其方法，包括组成监测设备的整体框架的设备外壳；监测识别系统，安装在所述设备外壳上，用于测算设备行进过程中的三维行进轨迹和识别巷道的断面形态；数据采集存储显示系统，安装在所述设备外壳上并与所述监测识别系统连接，用于存储和显示所述监测识别系统传输的数据，并精确定位巷道的裂隙与大变形的位置；给所述监测识别系统和数据采集存储显示系统连接提供电量的供电系统；本发明采用多种校核方式进行数据校核，操作简洁、成本低廉，本发明技术先进、方法简便、精度高、准确性高、安全可靠、可行性强、经济效果好及社会效益好。

Description

一种移动式巷道全断面监测设备及其方法

技术领域

本发明属于矿山安全监测的技术领域，尤其涉及一种移动式巷道全断面监测设备及其方法。

背景技术

巷道是在地表与矿体之间钻凿出的各种通路，用来运矿、通风、排水、行人以及为设备采出矿石等而开凿的各种必要准备工程，是整个矿井的重要运输要道，其稳定性是决定矿井能否安全生产的关键因素之一，不同用途、不同位置、不同围岩环境的巷道稳定性不同，造成其变形量也不相同。当前，我国煤矿逐渐转入深部开采阶段，巷道围岩变形量加大、变形速率加快，巷道围岩事故频发，安全问题日益突出，因此加强对巷道变形破坏的监测，及时有效的掌握巷道围岩变形量，准确预测预报巷道变形破坏特征及规律，对保障矿井生产系统的正常运营具有重要意义。

巷道围岩监测仪是矿井安全监测中十分重要的监测仪器，对准确预测预报巷道变形破坏特征及规律有重要的作用。巷道围岩监测仪的设计开发以及应用已有三四十年历史。在国外，美国、澳大利亚、英国等国家开发了多种形式的围岩支护监测仪，并在矿山井下得到广泛应用。90年代中期，中国矿业大学采矿课题组就煤炭工业发展问题赴澳大利亚实地考察，为弥补国内矿山管理的短板，引入围岩监测仪，对其原理进行了理论研究，而邢台矿务局东庞煤矿首次将声波多点位移计围岩监测仪成功应用到矿井安全生产管理中。

进入21世纪，煤矿巷道围岩监测设备的发展与应用在国内迅速发展，目前对于巷道监测设备主要包括激光指向仪、钢尺式收敛计、水准仪、经纬仪、全站仪、位移计、光纤传感监测、表面位移监测、近景摄像机等。传统监测主要依靠人工测量，现场施工工序繁琐，监测工作量增大，数据处理时间长精确度较低，并且现有的监测设备成本较高、抗干扰能力差、操作繁琐、技术要求高、测量数据少等局限性，基于上述情况，迫切需要一种更好的巷道全断面监测设备，以达到精确快速高效的监测巷道各个部分变形量的目的。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种移动式巷道全断面监测设备及其方法，方法简单、精度高、成本低廉、准确性高，能达到精确快速高效的监测巷道各个部分变形量。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种移动式巷道全断面监测设备，包括设备外壳，组成监测设备的整体框架；

监测识别系统，安装在所述设备外壳上，用于测算设备行进过程中的三维行进轨迹和识别巷道的断面形态；

数据采集存储显示系统，安装在所述设备外壳上并与所述监测识别系统连接，用于存储和显示所述监测识别系统传输的数据，并精确定位巷道的裂隙与大变形的位置；

供电系统，安装在所述设备外壳上并与所述监测识别系统和数据采集存储显示系统连接，用于给所述监测识别系统和数据采集存储显示系统连接提供电量。

可选的，所述监测识别系统包括：

脉冲式行程传感器，设置在整体设备后端的设备后轮的中部，用于记录设备行进整个过程中的位移行程；

转向传感器，设置在整体设备前端的设备转向轮上，用于记录设备行进整个过程的转向数据；

三轴加速度传感器，设置在所述设备外壳腔内中间部位，用于记录设备行进整个过程的加速度；

环向三维激光扫描仪和广角球形摄像头，设置在所述设备外壳的前端，分别用于扫描整个巷道断面的形态和采集图像；

标记钉，设置在监测岩体上并与所述环向三维激光扫描仪和广角球形摄像头组成一套巷道的变形监测与行进轨迹的二次校正系统，通过区间设置标记钉的方式进行数据的校验。

进一步的，所述环向三维激光扫描仪和广角球形摄像头通过伸缩机构可伸出所述设备外壳之外；

所述伸缩机构包括固定于设备外壳底部的支撑杆，所述支撑杆的上部设置有伸缩油缸，所述伸缩油缸的前端连接伸缩杆，所述伸缩杆上设置有所述环向三维激光扫描仪和广角球形摄像头。

可选的，所述数据采集存储显示系统包括通过显示器转轴可旋转的安装在所述设备外壳顶部的显示器、安装所述设备外壳内部的计算机主机，所述显示器、脉冲式行程传感器、转向传感器、三轴加速度传感器、环向三维激光扫描仪、广角球形摄像头通过数据传输线与所述计算机主机连接，所述脉冲式行程传感器、转向传感器、三轴加速度传感器、环向三维激光扫描仪、广角球形摄像头采集的数据传输到计算机主机进行数据存储与分析。

可选的，所述供电系统包括电池、电池接口、供电线，所述电池接口设置在电池的中部，所述电池接口的一端连接电池，其另一端连接供电线，所述供电线将电池的电量输送给所述监测识别系统和数据采集存储显示系统所有的用电设备。

进一步的，所述设备外壳包括设备底面板、设备前侧面板、设备后侧面板、设备顶面板，所述设备前侧面板、设备后侧面板分别设置在所述设备底面板的前后两端，所述设备顶面板通过焊接的形式与所述设备前侧面板、设备后侧面板焊接形成一个整体。

可选的，所述设备前侧面板上开有供所述环向三维激光扫描仪和广角球形摄像头伸出的开口；

在所述设备前侧面板上于所述开口的上方设有监测头盖板，所述监测头盖板通过监测头盖板螺栓与设备前侧面板连接成为一个可以旋转的整体，旋转所述监测头盖板可打开和关闭所述开口。

本发明还提供一种上述的移动式巷道全断面监测设备的监测方法，包括以下步骤：

S10：采用人工设置的方式将标记钉按照一定间隔距离设置在待监测巷道的内部；

S20：安装并检查数据采集存储显示系统和供电系统；

S30：将设备推至第一个标记钉处，待计算机主机识别到标记钉时，点击开始测量；

S40：通过脉冲式行程传感器记录设备行进整个过程中的位移行程、转向传感器记录转向数据、三轴加速度传感器记录设备行进整个过程的加速度，通过位移行程与转向数据可定位设备行进过程的平面线路绘制；通过三轴加速度传感器记录的加速度数值与时间对应测算出三轴位移数据，测算出设备行进过程中的三维行进轨迹；

S50：通过环向三维激光扫描仪、广角球形摄像头、标记钉组成一套巷道的变形监测与行进轨迹的二次校正系统，环向三维激光扫描仪扫描整个巷道断面的形态；广角球形摄像头可识别标记钉，通过区间设置标记钉的方式进行数据的校验；通过三维行进轨迹与裂隙位置的匹配，精确定位巷道的裂隙与大变形的位置；

S60：测量完毕，监测测量数据是否有效，数据有效后，通过计算机主机控制伸缩油缸工作，将伸缩杆缩回，监测头盖板闭合设备前侧面板上的开口；关闭计算机主机，通过旋转显示器转轴将显示器旋转放倒，并拆卸电源。

由上，本发明的移动式巷道全断面监测设备及其方法采用传感器自动记录数据，通过测算数据的方法实现断面监测；其次，本发明通过对图像处理技术进行裂隙智能识别，方法简单、精度高、成本低廉、准确性高；最后，本发明采用多种校核方式进行数据校核，操作简洁。总体而言，本发明技术先进、方法简便、精度高、成本低廉、准确性高、安全可靠、可行性强、经济效果好及社会效益好。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明优选实施例的移动式巷道全断面监测设备的结构示意图。

图中，1-设备推杆；2-设备底面板；3-设备前侧面板；4-设备后侧面板；5-设备顶面板；6-监测头盖板；7-监测头盖板螺栓；8-电池卡托；9-显示器；10-显示器转轴；11-计算机主机；12-数据传输线；13-设备后轮；14-设备转向轮；15-脉冲式行程传感器；16-转向传感器；17-三轴加速度传感器；18-支撑杆；19-伸缩油缸；20-伸缩杆；21-环向三维激光扫描仪；22-广角球形摄像头；23-标记钉，24-电池；25-电池接口；26-供电线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1所示，本发明的移动式巷道全断面监测设备包括：监测识别系统、数据采集存储显示系统、设备外壳、供电系统。其中，设备外壳包括：设备推杆1、设备底面板2、设备前侧面板3、设备后侧面板4、设备顶面板5、监测头盖板6、监测头盖板螺栓7、电池卡托8。供电系统包括：电池24、电池接口25、供电线26，所述电池24通过电池卡托8与设备底面板2连接成为一个整体，并为所有设备供电，电池卡托8固定在设备底面板2上，电池卡托8用于固定电池24，设备底面板2上的后端设置上述电池卡托8，它们直接为焊接连接，电池24与电池卡托8之间为活动连接，便于拆卸充电以及备用电池的安装更换；电池接口25设置在电池24的中部，电池接口25的一端连接电池24，电池接口25的另一端连接供电线26；供电线26将电池24的电量输送给连接所有的用电设备。所述设备推杆1设置在设备底面板2的后端，设备推杆1与设备底面板2之间采用焊接连接；设备前侧面板3、设备后侧面板4分别设置在设备底面板2的前后两端，连接方式为焊接；设备顶面板5通过焊接的形式与设备前侧面板3、设备后侧面板4焊接形成一个整体；监测头盖板6设置在设备前侧面板3上，通过监测头盖板螺栓7与设备前侧面板3连接成为一个可以旋转的整体。

本发明的数据采集存储显示系统包括：显示器9、显示器转轴10、计算机主机11、数据传输线12。本发明的监测识别系统包括：脉冲式行程传感器15、转向传感器16、三轴加速度传感器17、支撑杆18、伸缩油缸19、伸缩杆20、环向三维激光扫描仪21、广角球形摄像头22、标记钉23。所述显示器9设置在设备顶面板5之上，通过显示器转轴10连接，可实现显示器9进行旋转收放；计算机主机11与显示器9通过数据传输线12进行连接，以进行数据传输，计算机主机11放置在由设备底面板2、设备前侧面板3、设备后侧面板4、设备顶面板5组成的设备腔内；数据传输线12将脉冲式行程传感器15、转向传感器16、三轴加速度传感器17、环向三维激光扫描仪21、广角球形摄像头22采集的数据传输到计算机主机11进行数据存储与分析。

另外，在整体设备的后端设置有设备后轮13，设备后轮13的中部设置有脉冲式行程传感器15；在整体设备的前端设置有设备转向轮14，设备转向轮14上设置有转向传感器16；脉冲式行程传感器15、转向传感器16通过数据传输线12将位移行程与转向数据传输给计算机主机11；三轴加速度传感器17设置在由设备底面板2、设备前侧面板3、设备后侧面板4、设备顶面板5组成的设备腔内中间部位，其负责采集加速度数据，同样的，它也通过数据传输线12将位移行程与转向数据传输给计算机主机11；支撑杆18与设备底面板2焊接连接，设置在设备底面板2中前部，支撑杆18的上部设置有伸缩油缸19，伸缩油缸19的后端连接数据传输线12，前端连接伸缩杆20，伸缩油缸19负责通过液压方式推动伸缩杆20进行缩进；伸缩杆20上设置有环向三维激光扫描仪21和广角球形摄像头22。所述支撑杆18、伸缩油缸19及伸缩杆20构成本发明的伸缩机构，以带动所述环向三维激光扫描仪21和广角球形摄像头22伸出设备外壳之外进行监测。本发明的标记钉23为独立设备，其设置在监测岩体之上，负责进行数据的校正。

另外，所述脉冲式行程传感器15记录设备行进整个过程中的位移行程、转向传感器16记录转向数据、三轴加速度传感器17记录设备行进整个过程的加速度，通过位移行程与转向数据可定位设备行进过程的平面线路绘制；通过三轴加速度传感器17记录的加速度数值与时间对应可测算出三轴位移数据，一方面可对脉冲式行程传感器15与转向传感器16测算的平面数据进行校正，另一方面对纵断面数据进行测绘。通过两方面的数据可测算出设备行进过程中的三维行进轨迹。

所述环向三维激光扫描仪21、广角球形摄像头22、标记钉23组成一套巷道的变形监测与行进轨迹的二次校正系统，环向三维激光扫描仪21可扫描整个断面的形态；广角球形摄像头22可识别标记钉23，通过区间设置标记钉的方式进行数据的校验；广角球形摄像头22可对采集图像进行传输，计算机主机11可对图像数据进行二值化识别裂缝，进一步地通过三维行进轨迹与裂隙位置的匹配，精确定位巷道的裂隙与大变形的位置。

根据监测项目需求，采用人工设置的方式将标记钉23按照一定间隔距离设置在待监测巷道的内部。安装电池24于电池卡托8上，检查电池24、电池接口25、供电线26连接是否牢固，连接牢固后打开主机电源。通过旋转显示器转轴10将显示器9旋转正立；旋转监测头盖板螺栓7，打开监测头盖板6，通过计算机主机11设置伸缩油缸19工作，将伸缩杆20推出，通过计算机监测所有传感器是否正确工作；待检查完毕，通过手扶设备推杆1将设备推至第一个标记钉23处，待计算机识别到标记钉23时，点击开始测量；推进设备对全巷道进行测量。测量完毕，监测测量数据是否有效，数据有效后，通过计算机主机11控制伸缩油缸19工作，将伸缩杆20缩回，转动监测头盖板螺栓7，关闭监测头盖板6；关闭计算机主机11，通过旋转显示器转轴10将显示器9旋转放倒，并拆卸电源。

更为具体的，本发明的移动式巷道全断面监测设备的监测方法，采用了上述的移动式巷道全断面监测设备，包括如下步骤：

步骤一：采用人工设置的方式将标记钉23按照一定间隔距离设置在待监测巷道的内部；

步骤二：安装并检查数据采集存储显示系统和供电系统；

步骤三：将设备推至第一个标记钉23处，待计算机主机11识别到标记钉23时，点击开始测量；

步骤四：通过脉冲式行程传感器15记录设备行进整个过程中的位移行程、转向传感器16记录转向数据、三轴加速度传感器17记录设备行进整个过程的加速度，通过位移行程与转向数据可定位设备行进过程的平面线路绘制；通过三轴加速度传感器17记录的加速度数值与时间对应可测算出三轴位移数据，测算出设备行进过程中的三维行进轨迹；

步骤五：通过环向三维激光扫描仪21、广角球形摄像头22、标记钉23组成一套巷道的变形监测与行进轨迹的二次校正系统，环向三维激光扫描仪21扫描整个巷道断面的形态；广角球形摄像头22可识别标记钉23，通过区间设置标记钉的方式进行数据的校验；通过三维行进轨迹与裂隙位置的匹配，精确定位巷道的裂隙与大变形的位置；

步骤六：测量完毕，监测测量数据是否有效，数据有效后，通过计算机主机11设置伸缩油缸19工作，将伸缩杆20缩回，监测头盖板6闭合设备前侧面板3上的开口；关闭计算机主机11，通过旋转显示器转轴10将显示器9旋转放倒，并拆卸电源。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种移动式巷道全断面监测设备，其特征在于：包括：

设备外壳，组成监测设备的整体框架；

监测识别系统，安装在所述设备外壳上，用于测算设备行进过程中的三维行进轨迹和识别巷道的断面形态；

数据采集存储显示系统，安装在所述设备外壳上并与所述监测识别系统连接，用于存储和显示所述监测识别系统传输的数据，并精确定位巷道的裂隙与大变形的位置；

供电系统，安装在所述设备外壳上并与所述监测识别系统和数据采集存储显示系统连接，用于给所述监测识别系统和数据采集存储显示系统连接提供电量；

所述监测识别系统包括：

脉冲式行程传感器(15)，设置在整体设备后端的设备后轮(13)的中部，用于记录设备行进整个过程中的位移行程；

转向传感器(16)，设置在整体设备前端的设备转向轮(14)上，用于记录设备行进整个过程的转向数据；

三轴加速度传感器(17)，设置在所述设备外壳腔内中间部位，用于记录设备行进整个过程的加速度；

环向三维激光扫描仪(21)和广角球形摄像头(22)，设置在所述设备外壳的前端，分别用于扫描整个巷道断面的形态和采集图像；

标记钉(23)，设置在监测岩体上并与所述环向三维激光扫描仪(21)和广角球形摄像头(22)组成一套巷道的变形监测与行进轨迹的二次校正系统，通过区间设置标记钉(23)的方式进行数据的校验。

2.如权利要求1所述的移动式巷道全断面监测设备，其特征在于，所述环向三维激光扫描仪(21)和广角球形摄像头(22)通过伸缩机构可伸出所述设备外壳之外；

所述伸缩机构包括固定于设备外壳底部的支撑杆(18)，所述支撑杆(18)的上部设置有伸缩油缸(19)，所述伸缩油缸(19)的前端连接伸缩杆(20)，所述伸缩杆(20)上设置有所述环向三维激光扫描仪(21)和广角球形摄像头(22)。

3.如权利要求1所述的移动式巷道全断面监测设备，其特征在于，所述数据采集存储显示系统包括通过显示器转轴(10)可旋转的安装在所述设备外壳顶部的显示器(9)、安装在所述设备外壳内部的计算机主机(11)，所述显示器(9)、脉冲式行程传感器(15)、转向传感器(16)、三轴加速度传感器(17)、环向三维激光扫描仪(21)、广角球形摄像头(22)通过数据传输线(12)与所述计算机主机(11)连接，所述脉冲式行程传感器(15)、转向传感器(16)、三轴加速度传感器(17)、环向三维激光扫描仪(21)、广角球形摄像头(22)采集的数据传输到计算机主机(11)进行数据存储与分析。

4.如权利要求1所述的移动式巷道全断面监测设备，其特征在于，所述供电系统包括电池(24)、电池接口(25)、供电线(26)，所述电池接口(25)设置在电池(24)的中部，所述电池接口(25)的一端连接电池(24)，其另一端连接供电线(26)，所述供电线(26)将电池(24)的电量输送给所述监测识别系统和数据采集存储显示系统所有的用电设备。

5.如权利要求2所述的移动式巷道全断面监测设备，其特征在于，所述设备外壳包括设备底面板(2)、设备前侧面板(3)、设备后侧面板(4)、设备顶面板(5)，所述设备前侧面板(3)、设备后侧面板(4)分别设置在所述设备底面板(2)的前后两端，所述设备顶面板(5)通过焊接的形式与所述设备前侧面板(3)、设备后侧面板(4)焊接形成一个整体。

6.如权利要求5所述的移动式巷道全断面监测设备，其特征在于，所述设备前侧面板(3)上开有供所述环向三维激光扫描仪(21)和广角球形摄像头(22)伸出的开口；

在所述设备前侧面板(3)上于所述开口的上方设有监测头盖板(6)，所述监测头盖板(6)通过监测头盖板螺栓(7)与设备前侧面板(3)连接成为一个可以旋转的整体，旋转所述监测头盖板(6)可打开和关闭所述开口。

7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的移动式巷道全断面监测设备的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：采用人工设置的方式将标记钉(23)按照一定间隔距离设置在待监测巷道的内部；

S20：安装并检查数据采集存储显示系统和供电系统；

S30：将设备推至第一个标记钉(23)处，待计算机主机(11)识别到标记钉(23)时，点击开始测量；

S40：通过脉冲式行程传感器(15)记录设备行进整个过程中的位移行程、转向传感器(16)记录转向数据、三轴加速度传感器(17)记录设备行进整个过程的加速度，通过位移行程与转向数据可定位设备行进过程的平面线路绘制；通过三轴加速度传感器(17)记录的加速度数值与时间对应测算出三轴位移数据，测算出设备行进过程中的三维行进轨迹；

S50：通过环向三维激光扫描仪(21)、广角球形摄像头(22)、标记钉(23)组成一套巷道的变形监测与行进轨迹的二次校正系统，环向三维激光扫描仪(21)扫描整个巷道断面的形态；广角球形摄像头(22)可识别标记钉(23)，通过区间设置标记钉(23)的方式进行数据的校验；通过三维行进轨迹与裂隙位置的匹配，精确定位巷道的裂隙与大变形的位置；

S60：测量完毕，监测测量数据是否有效，数据有效后，通过计算机主机(11)控制伸缩油缸(19)工作，将伸缩杆(20)缩回，监测头盖板(6)闭合设备前侧面板(3)上的开口；关闭计算机主机(11)，通过旋转显示器转轴(10)将显示器(9)旋转放倒，并拆卸电源。

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