CN111734491A - 基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法，下放角度控制系统至采空区揭露深度，充气将钢套筒卡死在钻孔中，扫描探头依次处于第一、二和三扫描状态并进行扫描，解算每个方向上的采空区边界坐标，确定采空区边界，根据各边界投影点坐标，计算采空区体积，根据得到的采空区最大范围，计算采空区范围内各点的上覆岩层总厚度，根据扫描得到的结果构建成一个立体模型；完成整个采空区的扫描后，将角度控制系统从钻孔中取出。本发明可以实现快速、准确得到地下采空区的范围，提高露天采空区探测及建模的效率，该技术可远程控制，降低了实地调查的难度和危险性；适用于露天矿采矿区探测及建模形成。

Description

基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法

技术领域

本发明涉及一种扫描建模装置及方法，具体涉及一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法。

背景技术

采空区是指由于先前的采矿行为而形成的地下人为活动遗迹，这既包括为开采资源而掘进的井巷和资源开采形成的地下空间，也包括采矿引起的岩层移动而产生的次生空间和采矿后次生灾害形成的空间。露天矿生产过程中，采空区顶板厚度如果小于最小安全厚度，就会造成顶板塌落，这样就造成地表的沉陷或开裂，顶板上方作业的人员、设备的安全受到严重的威胁。因此，准确探测采空区的位置和赋存形态是进行采空区处置的前提和保障。

目前，现阶段采空区探测方法主要有地球物理探测法、机械探测法和实地调查法三类。地球物理方法具有安全性好、成本低、精度高、探测工作条件好等特点，适用于大面积采空区普查和重点区域采空区详查，但是地球物理方法的探测效果均受到实际地形、地质条件和矿岩介质物理力学性质的限制和影响。机械探测法就是利用钻机结合已有资料对矿体内疑似采空区的地区实施现场探测，该方法虽然探测结果较为准确，但成本较高，作业的危险性较大，因此多用于对已大致圈定采空区的确认。实地调查法是通过人员进入明采空区进行现场调查，确定采空区位置，这种方法的精度最高，但危险因素多、人员进入难度大、适用范围小，仅适用于已确认安全并留有进出通道的采空区探测。近年来发展的三维激光探测技术可将探测设备送入井下，准确测定采空区的边界、面积和体积，为采空区处理提供科学依据。该技术可远程控制，因而降低了实地调查的难度和危险性；但是激光扫描仪存在使用复杂、耗时长、费用高、易受空气质量干扰等问题，亟需研发一种快速高效的采空区探测及建模方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法，以快速、准确得到地下采空区的范围，安全性好、成本低、精度高、操作简单、耗时短。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置，包括控制中心器、升降系统、角度控制系统；

升降系统包括提升绞车、钢丝绳和方向控制盘，钢丝绳一端与提升绞车固定并缠在提升绞车，另一端垂如钻孔中，方向控制盘与提升绞车连接；

角度控制系统包括钢套筒、角度控制器、回转电机和回转支柱、回转电机、减速器和状态调整器，

钢套筒为中部内凹的结构，角度控制器套在钢套筒外卡在内凹的部位，钢套筒内最下部设有回转电机，回转电机通过减速器与回转支柱连接，回转支柱底部通过状态调整器与保安段铰接，保安段上设有扫描探头；

角度控制系统位于钻孔中，钢丝绳一端与回转电机连接，角度控制器、回转电机和扫描探头分别通过传输电缆与控制中心器连接，角度控制器通过气管与控制中心器连接。

进一步的：所述扫描探头设置在保安段的侧面。

进一步的：所述扫描探头为毫米波雷达，扫描探头可以高精度距离、方位、频率和空间位置的测量定位；毫米波雷达尺寸小、重量轻；毫米波雷达高分辨力、宽工作频带、大数值的多普勒频率响应、短的波长易获得目标细节特征和清晰轮廓成像等特点；适合小目标和近距离探测；其抗电子战干扰性强等特点。

一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模方法，包括以下步骤：

步骤一：通过升降系统将角度控制系统顺着钻孔向下放，当回转电机下放到采空区揭露深度时停止下放；

步骤二：控制中心器控制气泵通过气管给角度控制器充气，角度控制器膨胀后将钢套筒卡死在钻孔中，并将角度信息通过传输电缆传回到控制中心器；

步骤三：启动扫描探头，初始状态扫描探头处于第一扫描状态，得到0°位置的扫描断面和采空区边界线；

步骤四：启动回转电机，带动扫描探头回转，扫描探头回转360°，完成整个采空区四周边界的扫描，扫描探头回到了初始位置；

步骤五：启动状态调整器，将扫描探头调整到第二扫描状态，重复步骤四对采空区顶部进行扫描；

步骤六：启动状态调整器，将扫描探头调整到第三扫描状态，重复步骤四对采空区底部进行扫描；

由于整个扫描运行过程中扫描探头的高度保持不变，则整个探测结果可以看做以扫描探头为中心的球坐标空间数据；控制中心器根据扫描探头扫描得到的数据，建立采空区模型，确定采空区的边界和体积；

步骤七：对于单一扫描面而言，以扫描探头的安装中心为圆心，圆心的坐标为球坐标的原点，单个扫描探头的有效扫描范围为80°，

根据球面坐标系解算每个方向上的采空区边界坐标，即：采空区边界上球面坐标点(r，A，θ)，通过x＝rsinAcosθ，y＝rsinAsinθ和z＝rcosA变换，就可得到采空区边界坐标，其中r采空区边界距安装中心的距离，A为步骤四中扫描探头回转角度，θ为扫描探头在同一水平面上转过的角度；

步骤八：以回转支柱的中心为圆心，采用每个边界位置的平面坐标(x，y，z)，选取每个平面回转角度上的最大值投影到水平面上，确定采空区边界；

步骤九：根据各边界投影点坐标，采用三重积分法计算采空区体积，即

步骤十：根据步骤八得到的采空区最大范围，结合露天矿采剥工程位置和扫描点的投影坐标，计算采空区范围内各点的上覆岩层总厚度，即：采空区边界上的点M(x，y，z)，则该点的顶板岩层厚度即该点距离地表的距离为：L＝L₁+L₂±z，单位m，其中L₁为钻孔深度，L₂为回转支柱伸出的长度，根据扫描得到的结果构建成一个立体模型；

步骤十一：完成整个采空区的扫描后，将扫描探头回转到初始位置，通过中心器控制气泵将角度控制器内的空气抽出，通过提升绞车将整个角度控制系统从钻孔中取出。

与现有技术相比本发明可以实现快速、准确得到地下采空区的范围，提高露天采空区探测及建模的效率，该技术可远程控制，降低了实地调查的难度和危险性；本发明适用于露天矿采矿区探测及建模形成，其安全性好、成本低、精度高、操作简单、耗时短等特点，更具有推广价值。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为扫描探头与回转支柱安装结构俯视图；

图3为扫描探头有效覆盖范围的示意图；

图4为角度控制系统的结构示意图；

图5为扫描探头运行状态及扫描区域的示意图；

图中：1、控制中心器；2、气管；3、传输电缆；4、提升绞车；5、升降系统；6、方向控制盘；7、钢丝绳；8、钻孔；9、钢套筒；10、角度控制系统；11、回转电机；12、减速器；13、状态调整器；14、保安段；15、采空区；16、扫描探头；17、回转支柱；18、角度控制器；19、第一扫描状态；20、第二扫描状态；21、第三扫描状态；22、扫描空白区；23、扫描重叠区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图4所示，本发明提供一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置：包括控制中心器1、升降系统5、角度控制系统10；控制中心器1负责下达控制指令、收集扫描信号、采空区建模等工作，升降系统5负责升降角度控制系统10，角度控制系统10负责稳定和记录扫描探头16的相对角度，以便将扫描得到的采空区15形态与矿山工程图纸对应；

升降系统5包括提升绞车4、钢丝绳7和方向控制盘6，钢丝绳7一端与提升绞车4固定并缠在提升绞车4，另一端垂如钻孔8中，方向控制盘6与提升绞车4连接，方向控制盘6通过控制提升绞车4的卷筒扭矩，利用钢丝绳7与卷筒的缠绕控制钢丝绳7的升降；

角度控制系统10全长4m，包括钢套筒9、角度控制器18、回转电机11和回转支柱17、回转电机11、减速器12和状态调整器13，钢套筒9外径9cm，钢套筒9全长约1m，略大于安装后的扫描探头16和回转支柱17的俯视图上的任意两点的距离，如图2所示，可通过直径100mm的钻孔8(露天矿应用的钻机钻孔8直径一般在100mm以上)，钢套筒9主要负责固定钢套筒9在钻孔8中并保护扫描探头16；

角度控制器18为动态高性能倾角传感器，能够在复杂运动中保持高精度倾角测量，角度控制器18负责对状态调整器13的角度和锁定状态信息采集反馈给中心控制器1；状态调整器13为机械式角度调节与锁定机构，状态调整器13将转动角度、状态信息传输给角度控制器18，角度控制器18反馈给中心控制器1，中心控制器1通过角度控制器18对状态调整器13进行角度调整和锁定；

钢套筒9为中部内凹的结构，角度控制器18套在钢套筒9外卡在内凹的部位，钢套筒9内最下部设有回转电机11，回转电机11通过减速器12与回转支柱17连接，减速器12的作用是降低转速、增大扭矩；回转支柱17底部通过状态调整器13与保安段14铰接，保安段14上设有扫描探头16，回转支柱17转动以带动扫描探头16回转，回转角度为(±90度)；状态调整器13的作用是调整扫描探头16扫描时的状态，根据探测的精度需要和采空区15尺寸，可以设定扫描探头16的回转间隔角度；在回转支柱17底部设置保安段14并将扫描探头16安装在保安段14的侧面，当采空区15高度小于回转支柱17高度时，保安段14先触底并及时反馈给升降系统5，以避免触底碰撞损伤扫描探头16；

角度控制系统10位于钻孔8中，钢丝绳7一端与回转电机11连接，角度控制器18、回转电机11和扫描探头16分别通过传输电缆3与控制中心器1连接，传输电缆3中的动力线负责为角度控制器18、回转电机11和扫描探头16提供电源，传输电缆3中的信号线负责将扫描探头16探测到的信号和设备在孔内的相对转动角度(相对于初始布置时)信息传输给控制中心器1，角度控制器18通过气管2与控制中心器1连接。

基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模方法，步骤如下：

步骤一：通过升降系统5将角度控制系统10顺着钻孔8向下放，当回转电机11下放到采空区15揭露深度(即钻孔时采空区15打漏的深度)时停止下放；

步骤二：控制中心器1控制气泵通过气管2给角度控制器18充气，角度控制器18膨胀后将钢套筒9卡死在钻孔8中，保证整个探测过程中钢套筒9不因为下部的扫描探头16转动的反作用力而发生转动，角度控制器18将角度信息通过传输电缆3传回到控制中心器1以便于后续建模；

步骤三：启动扫描探头16，初始状态扫描探头16处于第一扫描状态19，得到0°位置的扫描断面和采空区15边界线；

步骤四：启动回转电机11，带动扫描探头16回转，扫描探头16回转360°，完成整个采空区15四周边界的扫描，扫描探头16回到了初始位置(即0°位置)；

步骤五：启动状态调整器13，将扫描探头16调整到第二扫描状态20，重复步骤四对采空区15顶部进行扫描；由图1和图4可知，扫描探头16与钻孔8所在位置采空区顶的距离在2m左右，所以如图5所示的扫描空白区22不影响采空区15边界的确定；与前一次的扫描类似，重复步骤四的操作，完成采空区15顶部的扫描。如图5所示，采空区15顶部的扫描结果本身存在一定的扫描重叠区23(所有平面上相差180°的位置，如0°和180°，30°和210°)，采用两者的算术平均值作为采空区15顶部边界的采用值。由于该位置接近钻孔8所在位置，因此可以根据扫描探头16的下探深度对探测结果进行校核。另外，如图5所示，采空区15顶部的扫描结果(第一扫描状态19)与周边的扫描结果(第二扫描状态20)也存在一定的扫描重叠区23，根据探测结果采用两者的算术平均值作为该位置采空区15边界的采用值(通过两者相互印证并参考周边数据进行验证)。

步骤六：启动状态调整器13，将扫描探头16调整到第三扫描状态21，重复步骤四对采空区15底部进行扫描；如图5所示，第三扫描状态21的扫描过程及结果与第二扫描状态20类似，不同的是，第三扫描状态21的起始位置不是0°，而是180°，因此扫描开始前可以先将扫描探头16回转180°。

由于整个扫描运行过程中扫描探头16的高度保持不变，则整个探测结果可以看做以扫描探头16为中心的球坐标空间数据；控制中心器1根据扫描探头16扫描得到的数据，建立采空区15模型，确定采空区15的边界和体积及其相对于露天采剥工程的位置。

步骤七：采空区15探测过程中，扫描探头16状态调整中心的位置是不变的，因此在探测器角度定位完成后，首先解算出该点的坐标。扫描探头16扫描过程中，三个状态下扫描探头16相当于在不同水平上做了三次圆周运动，因此扫描探头16状态决定了扫描探头16的中心高度，状态和回转角度决定了扫描探头16的水平位置；如图3所示，对于单一扫描面而言，以扫描探头16的安装中心为圆心，圆心的坐标为球坐标的原点，单个扫描探头16的有效扫描范围为80°；

根据球面坐标系公式解算每个方向上的采空区15边界坐标，即：采空区15边界上球面坐标点(r，A，θ)，通过x＝rsinAcosθ，y＝rsinAsinθ和z＝rcosA变换，就可得到采空区15边界坐标，其中r采空区15边界距安装中心的距离，A为步骤四中扫描探头16回转角度，θ为扫描探头16在同一水平面上转过的角度；

步骤八：以回转支柱17的中心为圆心，采用每个边界位置的平面坐标(x，y，z)，选取每个平面回转角度上的最大值投影到水平面上，确定采空区15边界；

步骤九：根据各边界投影点坐标，采用三重积分法计算采空区15体积，即

步骤十：根据步骤八得到的采空区15最大范围，结合露天矿采剥工程位置和扫描点的投影坐标，计算采空区15范围内各点的上覆岩层总厚度(为了计算分析出采空区15距离地表的最小上覆总岩层厚度，从而判断上覆岩层是否能承受矿山车辆载重、或判断最佳爆破处理采空区15的位置等作用)，即：采空区边界上的点M(x，y，z)，则该点的顶板岩层厚度即该点距离地表的距离为：L＝L₁+L₂±z，单位m，其中L₁为钻孔8深度，L₂为回转支柱17伸出的长度，根据扫描得到的结果构建成一个立体模型；

步骤十一：完成整个采空区15的扫描后，将扫描探头16回转到初始位置，通过中心器1控制气泵将角度控制器18内的空气抽出，通过提升绞车4将整个角度控制系统10从钻孔8中取出。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置，其特征在于，包括控制中心器(1)、升降系统(5)、角度控制系统(10)；

升降系统(5)包括提升绞车(4)、钢丝绳(7)和方向控制盘(6)，钢丝绳(7)一端与提升绞车(4)固定并缠在提升绞车(4)，另一端垂如钻孔(8)中，方向控制盘(6)与提升绞车(4)连接；

角度控制系统(10)包括钢套筒(9)、角度控制器(18)、回转电机(11)和回转支柱(17)、回转电机(11)、减速器(12)和状态调整器(13)，

钢套筒(9)为中部内凹的结构，角度控制器(18)套在钢套筒(9)外卡在内凹的部位，钢套筒(9)内最下部设有回转电机(11)，回转电机(11)通过减速器(12)与回转支柱(17)连接，回转支柱(17)底部通过状态调整器(13)与保安段(14)铰接，保安段(14)上设有扫描探头(16)；

角度控制系统(10)位于钻孔(8)中，钢丝绳(7)一端与回转电机(11)连接，角度控制器(18)、回转电机(11)和扫描探头(16)分别通过传输电缆(3)与控制中心器(1)连接，角度控制器(18)通过气管(2)与控制中心器(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法，其特征在于：所述扫描探头(16)设置在保安段(14)的侧面。

3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法，其特征在于：所述扫描探头(16)为毫米波雷达。

4.一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过升降系统(5)将角度控制系统(10)顺着钻孔(8)向下放，当回转电机(11)下放到采空区(15)揭露深度时停止下放；

步骤二：控制中心器(1)控制气泵通过气管(2)给角度控制器(18)充气，角度控制器(18)膨胀后将钢套筒(9)卡死在钻孔(8)中，并将角度信息通过传输电缆(3)传回到控制中心器(1)；

步骤三：启动扫描探头(16)，初始状态扫描探头(16)处于第一扫描状态(19)，得到0°位置的扫描断面和采空区(15)边界线；

步骤四：启动回转电机(11)，带动扫描探头(16)回转，扫描探头(16)回转360°，完成整个采空区(15)四周边界的扫描，扫描探头(16)回到了初始位置；

步骤五：启动状态调整器(13)，将扫描探头(16)调整到第二扫描状态(20)，重复步骤四对采空区(15)顶部进行扫描；

步骤六：启动状态调整器(13)，将扫描探头(16)调整到第三扫描状态(21)，重复步骤四对采空区(15)底部进行扫描；

由于整个扫描运行过程中扫描探头(16)的高度保持不变，则整个探测结果可以看做以扫描探头(16)为中心的球坐标空间数据；控制中心器(1)根据扫描探头(16)扫描得到的数据，建立采空区(15)模型，确定采空区(15)的边界和体积；

步骤七：对于单一扫描面而言，以扫描探头(16)的安装中心为圆心，圆心的坐标为球坐标的原点，单个扫描探头16的有效扫描范围为80°，

根据球面坐标系解算每个方向上的采空区(15)边界坐标，即：采空区(15)边界上球面坐标点(r，A，θ)，通过x＝rsinAcosθ，y＝rsinAsinθ和z＝rcosA变换，就可得到采空区(15)边界坐标，其中r采空区(15)边界距安装中心的距离，A为步骤四中扫描探头(16)回转角度，θ为扫描探头(16)在同一水平面上转过的角度；

步骤八：以回转支柱(17)的中心为圆心，采用每个边界位置的平面坐标(x，y，z)，选取每个平面回转角度上的最大值投影到水平面上，确定采空区(15)边界；

步骤九：根据各边界投影点坐标，采用三重积分法计算采空区(15)体积，

步骤十：根据步骤八得到的采空区(15)最大范围，结合露天矿采剥工程位置和扫描点的投影坐标，计算采空区(15)范围内各点的上覆岩层总厚度，即：采空区边界上的点M(x，y，z)，则该点的顶板岩层厚度即该点距离地表的距离为：L＝L₁+L₂±z，单位m，其中L₁为钻孔(8)深度，L₂为回转支柱(17)伸出的长度，根据扫描得到的结果构建成一个立体模型；

步骤十一：完成整个采空区(15)的扫描后，将扫描探头(16)回转到初始位置，通过中心器(1)控制气泵将角度控制器(18)内的空气抽出，通过提升绞车(4)将整个角度控制系统(10)从钻孔(8)中取出。

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