CN112611316A - 一种井下围岩变形探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种井下围岩变形探测方法及装置，属于围岩变形监测技术领域，用以解决现有的围岩变形探测装置测量精度不高的问题。本发明方法利用雷达在固定时间间隔内对井下巷道一个或多个标志位置的顶部和侧位待测点进行循环扫描探测，获取不同时间间隔的探测参数数据；将不同时间间隔的探测参数数据进行比对，当巷道形变量超过预设阈值时发出巷道坍塌预警。本发明方法和装置相比于现有的围岩变形监测装置，不会因吸附灰尘而影响测量精度，测量精度更高。本发明为井下安全作业、井下塌方提前预警提供有效手段。

Description

一种井下围岩变形探测方法及装置

技术领域

本发明涉及围岩变形监测技术领域，具体涉及一种井下围岩变形探测方法及装置。

技术背景

采矿行业中井下巷道受到应力作用易发生形变，导致巷道围岩变形、顶板位移、垮塌，直接威胁井下人员安全，给工矿业及社会安定均带来不良影响。当前，判断巷道危险程度，一般采用对巷道顶板及左、右两侧的相对位置进行监测，进而判断巷道形变量。现有的围岩变形监测装置一般都是采用拉绳传感器或激光测距仪，来监测巷道固定点相对方向、位置；其中，顶部拉绳长期使用易韧性降低，吸附灰尘、摩擦力增大也给现场使用造成干扰，影响测量精度，而激光测距仪易被灰尘遮挡而失效。因此，一种高精度、高可靠井下立体感知探测系统成为当前井下作业的亟需。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种井下围岩变形探测方法及装置，用以解决现有的围岩变形探测装置测量精度不高的问题。

根据本发明一方面，提出一种井下围岩变形探测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用雷达在固定时间间隔内对井下巷道一个或多个标志位置的待测点进行循环扫描探测，获取不同时间间隔的探测参数数据；其中，参数数据包括位置数据和方向数据；

步骤二、将不同时间间隔的探测参数数据进行比对，当巷道形变量超过预设阈值时发出巷道坍塌预警。

进一步地，步骤一中所述待测点包括顶部待测点和侧位待测点。

进一步地，步骤一中对顶部待测点进行单次扫描探测获取探测参数数据的步骤包括：以雷达初始位置为第一位置点，获得雷达与顶部待测点的第一距离数据R₁；雷达向上升固定距离D₁一个单位后到达第二位置点，获得雷达与顶部待测点的第二距离数据R₂；雷达再向上升固定距离D₁一个单位后到达第三位置点，获得雷达与顶部待测点的第三距离数据R₃；以第一位置点为原点、Z轴垂直于第一位置点所在平面建立X-Y-Z坐标系，利用下述公式计算获得顶部待测点与Z轴的夹角θ₁、θ₂：

进一步地，步骤一中对侧位待测点进行单次扫描探测获取探测参数数据的步骤包括：

步骤一一、以水平方向固定半径的圆的圆心为原点建立X-Y平面，在圆上多个位置点利用雷达对侧位待测点进行探测，获得对应多个位置点的多组投影距离数据；

步骤一二、根据圆上多个位置点相对于坐标轴角度获取多个位置点坐标，从而根据多个位置点坐标和步骤一一中获取的多组投影距离数据，计算获得侧位待测点的空间坐标；

步骤一三、根据侧位待测点的空间坐标获取侧位待测点的水平夹角。

进一步地，步骤一一中对于每一个位置点，按照下述步骤获得投影距离数据：首先，以雷达初始位置为第一位置点，获得雷达与侧位待测点的第一距离数据R_D；雷达向上升固定距离D₂一个单位后到达第二位置点，获得雷达与侧位待测点的第二距离数据R_E；雷达再向上升固定距离D₂一个单位后到达第三位置点，获得雷达与侧位待测点的第三距离数据R_F；以第一位置点为原点、Z轴垂直于第一位置点所在平面建立空间X-Y-Z坐标系，利用下述公式计算获得侧位待测点与Z轴的夹角θ_D、θ_E：

然后，根据第一距离数据R_D、第二距离数据R_E和夹角θ_D、θ_E，利用下述公式计算获得侧位待测点相对于雷达位置在以雷达位置为原点建立的X-Y平面上的投影距离数据：

进一步地，步骤一二中所述侧位待测点的空间坐标计算公式为：

其中，R_A、R_B、R_C表示三组投影距离数据；(x_A,y_A),(x_B,y_B),(x_C,y_C)表示三个位置点坐标；(x，y，z)表示侧位待测点的空间坐标；

步骤一三中所述侧位待测点的水平角度计算公式为：

进一步地，步骤二中将不同时间间隔的探测参数数据进行比对的原则是：将前后相邻固定时间间隔内标志位置的待测点参数均值的变化量与预设阈值进行比较。

根据本发明另一方面，提出一种井下围岩变形探测装置，该装置包括：

固定于标志位置的一个或多个雷达反射器；

用于控制雷达A升降的升降部件A，所述升降部件A顶部设置有雷达A，所述雷达A用于探测顶部待测点参数数据；

用于控制雷达B升降的升降部件B和控制雷达B水平移动的雷达移动部件，所述升降部件B顶部设置有雷达B，所述雷达B用于探测侧位待测点参数数据。

进一步地，所述雷达反射器包括吸波棉和设置于其中心的77GHz-81GHz角反射体；所述升降部件A包括螺纹升降杆和螺旋电动机，所述升降部件B为电动液压升降杆，所述雷达移动部件包括滑轨和设置在滑轨上的电控滑座；所述雷达A和雷达B为毫米波雷达。

进一步地，所述探测装置还包括通信部件和控制装置移动的装置移动部件，所述通信部件用于将探测到的雷达参数数据传输至地面处理中心；所述装置移动部件包括履带部件和电机，所述电机用于驱动履带部件以使装置移动。

本发明的有益技术效果是：

通过立体毫米波雷达的高精度探测，对井下巷道墙壁(顶部、侧部)是否发生位移进行探测，若探测到待测点发生位移后及时报警，并提醒对该位置进行提前防护措施。本发明方法和装置相比于现有的围岩变形监测装置，不会因吸附灰尘而影响测量精度，测量精度更高。本发明为井下安全作业、井下塌方提前预警提供有效手段。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1示出了本发明实施方式的一种井下围岩变形探测方法的示意性流程图；

图2示出了本发明实施方式的一种井下围岩变形探测方法中顶部雷达工作示意图；

图3示出了本发明实施方式的一种井下围岩变形探测方法中顶部雷达工作流程示意图；

图4示出了本发明实施方式的一种井下围岩变形探测方法中侧向雷达工作示意图；

图5示出了本发明实施方式的一种井下围岩变形探测方法中侧向雷达旋转-平面俯视图；

图6示出了本发明实施方式的一种井下围岩变形探测方法中侧向雷达工作流程示意图；

图7示出了本发明另一实施方式的一种井下围岩变形探测装置的示意性结构图；

图8示出了本发明另一实施方式的一种井下围岩变形探测装置中待测点标志物固定示意图；

图9示出了本发明另一实施方式的一种井下围岩变形探测装置的模型示意图；

图10示出了本发明另一实施方式的一种井下围岩变形探测装置的侧向雷达模块示意图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1所示，一种井下围岩变形探测方法包括以下步骤：步骤一、利用雷达在固定时间间隔内对井下巷道一个或多个标志位置的待测点进行循环扫描探测，获取不同时间间隔的探测参数数据；其中，参数数据包括位置数据和方向数据；

步骤二、将不同时间间隔的探测参数数据进行比对，当巷道形变量超过预设阈值时发出巷道坍塌预警。

进一步地，步骤一中待测点包括顶部待测点和侧位待测点。

进一步地，步骤一中对顶部待测点进行单次扫描探测获取探测参数数据的步骤包括：以雷达初始位置为第一位置点，获得雷达与顶部待测点的第一距离数据R₁；雷达向上升固定距离D₁一个单位后到达第二位置点，获得雷达与顶部待测点的第二距离数据R₂；雷达再向上升固定距离D₁一个单位后到达第三位置点，获得雷达与顶部待测点的第三距离数据R₃；以第一位置点为原点、Z轴垂直于第一位置点所在平面建立X-Y-Z坐标系，利用下述公式(1)计算获得顶部待测点与Z轴的夹角θ₁、θ₂：

进一步地，步骤一中对侧位待测点进行单次扫描探测获取探测参数数据的步骤包括：

步骤一一、以水平方向固定半径的圆的圆心为原点建立X-Y平面，在圆上多个位置点利用雷达对侧位待测点进行探测，获得对应多个位置点的多组投影距离数据；

步骤一二、根据圆上多个位置点相对于坐标轴角度获取多个位置点坐标，从而根据多个位置点坐标和步骤一一中获取的多组投影距离数据，计算获得侧位待测点的空间坐标；

步骤一三、根据侧位待测点的空间坐标获取侧位待测点的水平夹角。

进一步地，步骤一一中对于每一个位置点，按照下述步骤获得投影距离数据：首先，以雷达初始位置为第一位置点，获得雷达与侧位待测点的第一距离数据R_D；雷达向上升固定距离D₂一个单位后到达第二位置点，获得雷达与侧位待测点的第二距离数据R_E；雷达再向上升固定距离D₂一个单位后到达第三位置点，获得雷达与侧位待测点的第三距离数据R_F；以第一位置点为原点、Z轴垂直于第一位置点所在平面建立空间X-Y-Z坐标系，利用下述公式(2)计算获得侧位待测点与Z轴的夹角θ_D、θ_E：

然后，根据第一距离数据R_D、第二距离数据R_E和夹角θ_D、θ_E，利用下述公式(3)计算获得侧位待测点相对于雷达位置在以雷达位置为原点建立的X-Y平面上的投影距离数据：

进一步地，步骤一二中侧位待测点的空间坐标计算公式为：

其中，R_A、R_B、R_C表示三组投影距离数据；(x_A,y_A),(x_B,y_B),(x_C,y_C)表示三个位置点坐标；(x，y，z)表示侧位待测点的空间坐标；

步骤一三中侧位待测点的水平角度计算公式为：

进一步地，步骤二中将不同时间间隔的探测参数数据进行比对的原则是：将前后相邻固定时间间隔内标志位置的待测点参数均值的变化量与预设阈值进行比较。

具体实施例一

如图2所示的顶部雷达工作示意图，以顶向雷达的中心升降杆底端点为原点建立X-Y-Z坐标系，分别以雷达处于升降杆1、2、3等处采集距离数据，记为R₁、R₂、R₃，利用以下公式求得角度θ₁，θ₂，其中：

图3示出了顶部雷达工作流程示意图。

如图3所示，按照上述参数数据计算过程获取三个高度位置1、2、3的参数数据，并进行存储，若位置、方向变化量大于阈值则进行预警；若未大于阈值则继续循环扫描探测，进一步地，设定为将后一时间间隔(如m个扫描周期)内各锚点(标志物位置、方向)参数均值与前一时间间隔内各锚点参数均值的差值与预设阈值进行比较，例如，预设阈值可取：位置变化量α为5cm，方向变化量β为3°。具体地，若循环扫描探测的固定时间间隔为m个测量周期，则以前m个测量周期距离数据和夹角数据为一组，且取其均值为

后m个测量周期距离数据和夹角数据为另一组，且取其均值为

若满足：

或者

中任一不等式成立，即判断顶部发生形变。

图4示出了侧向雷达工作示意图，以升降杆底端点为原点建立X-Y-Z坐标系，分别以雷达处于升降杆D、E、F等处采集距离数据，记为R_D、R_E、R_F，利用以下公式求得角度θ_D，θ_E，其中：

将目标点投影于过D点的x-y平面或E点的x-y平面，那么目标在水平面投影距坐标原点(以D、E所在z轴为圆心)距离为：

R₀＝sinθ_D·R_D

R₀＝sinθ_E·R_E

工程中可用：

依据上述公式，可求得雷达对目标的距离R_D、R_E、R_F、俯仰角度θ_D、θ_E，以及水平投影距离R₀。

如图5所示的侧向雷达旋转-平面俯视图，A、B、C为侧向旋转雷达绕圆形滑轨转动的三点，目标探测水平投影距离分别为：R_A、R_B、R_C，且R_A、R_B、R_C可分别由求解水平投影距离R₀的公式求得。

ABC三点为雷达转动已知点，在X-Y坐标系中可得到三点相对坐标轴的角度，即(x_A,y_A),(x_B,y_B),(x_C,y_C)坐标已知。

目标点坐标(x,y)可由下式给出：

利用该三点定位法可求得(x，y)坐标，即目标点相对于坐标原点的水平角度：

因此，毫米波雷达探测标志物的参数为：顶部升降雷达对顶部标志物的径向距离R₁,R₂,R₃、俯仰角度θ₁，θ₂，以及侧向-升降旋转雷达对目标的径向距离R_D,R_E,R_F、俯仰角度θ₁，θ₂，以及水平向角度θ。

图6示出了侧向雷达工作流程示意图。如图6所示，按照上述参数数据计算过程获取水平位置A、B、C的三个高度位置D、E、F的参数数据，并进行存储，若位置、方向变化量大于阈值则进行预警；若未大于阈值则继续循环扫描探测，其中，侧向雷达上升距离D-E-F可进行设定，且DE-EF上升距离小于顶部雷达移动量，如为10cm。进一步地，设定为将后一时间间隔(如n个扫描周期)内各锚点(标志物位置、方向)参数均值与前一时间间隔内各锚点参数均值的差值与预设阈值进行比较，例如，预设阈值可取：位置变化量γ为3cm，方向变化量λ为3°。具体地，若固定时间间隔为n个测量周期(A->B->C->A为一个周期)，前n个测量周期(x，y，z)及θ取均值为

后n个测量周期(x，y，z)及θ取均值为

若满足：

或者

中任一不等式成立，即侧向发生形变。

如图7所示，一种井下围岩变形探测装置包括：

固定于标志位置的一个或多个雷达反射器；

用于控制雷达A升降的升降部件A，升降部件A顶部设置有雷达A，雷达A用于探测顶部待测点参数数据；

用于控制雷达B升降的升降部件B和控制雷达B水平移动的雷达移动部件，升降部件B顶部设置有雷达B，雷达B用于探测侧位待测点参数数据。

其中，雷达反射器包括吸波棉和设置于其中心的77GHz-81GHz角反射体，如图8所示；升降部件A包括螺纹升降杆和螺旋电动机；升降部件B为电动液压升降杆；雷达移动部件包括滑轨和设置在滑轨上的电控滑座；雷达A和雷达B均为毫米波雷达。

进一步地，探测装置还包括通信部件和控制装置移动的装置移动部件，通信部件用于将探测到的雷达参数数据传输至地面处理中心；装置移动部件包括履带部件和电机(图中未示出)，电机用于驱动履带部件以使装置移动。在装置左右两侧各有一条履带，每条履带由四个辊轮驱动，即单侧履带由一组四个步进电机精确控制辊轮转动，四个步进电机成梯形配置，各侧步进电机由地面控制中心控制，可使得装置前进、后退、转弯等。

具体实施例二

图9示出了探测装置的模型示意图，如图9所示，该装置主要通过由螺杆控制升降的顶部探测雷达、由电动液压升降杆控制升降和电动滑轨系统控制的侧方位雷达系统构成。借助网络远程操控，控制该系统到达指定巷道探测位置点，并对该位置的顶部待测点(固定标志物为角反射体，角反射体后有吸波棉来区别岩石杂波干扰)位移量和侧位待测点(固定标志物为角反射体，角反射体后有吸波棉来区别岩石杂波干扰)位移量进行探测；锚点标志物为77GHz-81GHz角反射体最优，后面固定不小于30cm*30cm吸波棉材料，且标注物固定于吸波棉中心；锚点(标志物)设置可不限个数，各标志物间距离大于10cm。

顶部雷达通过螺杆操控升降，并使用螺旋电动机控制螺杆的升降，对巷道顶部位移量进行探测；侧方向雷达通过对电控液压升降杆控制升降，通过圆形电动滑轨对巷道侧方向进行360°探测，并探测巷道壁的各指定待测点的侧方向形变位移量；利用连续多个时间段雷达侧向探测获得的特定点数据，构成场景的3D相对关系，借助之前储存的探测点墙壁位移信息，来判断墙壁是否发生位置形变。雷达在沿导轨移动或上升过程，可将采集到的回波数据进行打包上传至地面处理中心；侧向若干标志物(探测点)若发生位移，则发出警报，并提醒该检测点有发生坍塌的可能性，提醒矿井作业人员对该位置进行保护处理，以便于对巷道作业安全提供保证。顶部探测雷达、测向探测雷达均采用TI公司的AWR1243或IWR1642毫米波雷达，其工作机制为77-81GHz，FMCW调制机制；带宽不限。顶部探测雷达负责对顶部待测点探测，测角范围-60-60度，可通过设定若干个上升位置(如1,2,3)进行间断探测；其中，上升距离可进行设定，如20cm；在1、2、3三处进行探测，上升过程雷达不进行探测，仅进行数据存储、阈值比较等参数处理。

图10是侧方向雷达模块示意图，由毫米波雷达、电动液压升降杆和电动滑轨模块构成。毫米波雷达通过电动液压升降杆控制高度，电动滑轨则控制雷达可以沿着导轨进行360°旋转，达到360°探测的目的。侧向升降-旋转雷达运行机制，测角范围-60-60度，在A、B、C三处进行工作，滑轨运动过程雷达不进行探测，仅进行数据存储、阈值比较等参数处理；在A、B、C处可设定雷达探测时间，如100帧。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种井下围岩变形探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、利用雷达在固定时间间隔内对井下巷道一个或多个标志位置的待测点进行循环扫描探测，获取不同时间间隔的探测参数数据；其中，参数数据包括位置数据和方向数据；

步骤二、将不同时间间隔的探测参数数据进行比对，当巷道形变量超过预设阈值时发出巷道坍塌预警。

2.根据权利要求1所述的一种井下围岩变形探测方法，其特征在于，步骤一中所述待测点包括顶部待测点和侧位待测点。

3.根据权利要求2所述的一种井下围岩变形探测方法，其特征在于，步骤一中对顶部待测点进行单次扫描探测获取探测参数数据的步骤包括：以雷达初始位置为第一位置点，获得雷达与顶部待测点的第一距离数据R₁；雷达向上升固定距离D₁一个单位后到达第二位置点，获得雷达与顶部待测点的第二距离数据R₂；雷达再向上升固定距离D₁一个单位后到达第三位置点，获得雷达与顶部待测点的第三距离数据R₃；以第一位置点为原点、Z轴垂直于第一位置点所在平面建立X-Y-Z坐标系，利用下述公式计算获得顶部待测点与Z轴的夹角θ₁、θ₂：

4.根据权利要求2所述的一种井下围岩变形探测方法，其特征在于，步骤一中对侧位待测点进行单次扫描探测获取探测参数数据的步骤包括：

步骤一一、以水平方向固定半径的圆的圆心为原点建立X-Y平面，在圆上多个位置点利用雷达对侧位待测点进行探测，获得对应多个位置点的多组投影距离数据；

步骤一二、根据圆上多个位置点相对于坐标轴角度获取多个位置点坐标，从而根据多个位置点坐标和步骤一一中获取的多组投影距离数据，计算获得侧位待测点的空间坐标；

步骤一三、根据侧位待测点的空间坐标获取侧位待测点的水平夹角。

5.根据权利要求4所述的一种井下围岩变形探测方法，其特征在于，步骤一一中对于每一个位置点，按照下述步骤获得投影距离数据：首先，以雷达初始位置为第一位置点，获得雷达与侧位待测点的第一距离数据R_D；雷达向上升固定距离D₂一个单位后到达第二位置点，获得雷达与侧位待测点的第二距离数据R_E；雷达再向上升固定距离D₂一个单位后到达第三位置点，获得雷达与侧位待测点的第三距离数据R_F；以第一位置点为原点、Z轴垂直于第一位置点所在平面建立空间X-Y-Z坐标系，利用下述公式计算获得侧位待测点与Z轴的夹角θ_D、θ_E：

然后，根据第一距离数据R_D、第二距离数据R_E和夹角θ_D、θ_E，利用下述公式计算获得侧位待测点相对于雷达位置在以雷达位置为原点建立的X-Y平面上的投影距离数据：

6.根据权利要求4所述的一种井下围岩变形探测方法，其特征在于，步骤一二中所述侧位待测点的空间坐标计算公式为：

其中，R_A、R_B、R_C表示三组投影距离数据；(x_A,y_A),(x_B,y_B),(x_C,y_C)表示三个位置点坐标；(x，y，z)表示侧位待测点的空间坐标；

步骤一三中所述侧位待测点的水平夹角计算公式为：

7.根据权利要求1所述的一种井下围岩变形探测方法，其特征在于，步骤二中将不同时间间隔的探测参数数据进行比对的原则是：将前后相邻固定时间间隔内标志位置的待测点参数均值的变化量与预设阈值进行比较。

8.一种井下围岩变形探测装置，其特征在于，包括：

固定于标志位置的一个或多个雷达反射器；

用于控制雷达A升降的升降部件A，所述升降部件A顶部设置有雷达A，所述雷达A用于探测顶部待测点参数数据；

用于控制雷达B升降的升降部件B和控制雷达B水平移动的雷达移动部件，所述升降部件B顶部设置有雷达B，所述雷达B用于探测侧位待测点参数数据。

9.根据权利要求8所述的一种井下围岩变形探测装置，其特征在于，所述雷达反射器包括吸波棉和设置于其中心的77GHz-81GHz角反射体；所述升降部件A包括螺纹升降杆和螺旋电动机，所述升降部件B为电动液压升降杆，所述雷达移动部件包括滑轨和设置在滑轨上的电控滑座；所述雷达A和雷达B为毫米波雷达。

10.根据权利要求8所述的一种井下围岩变形探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括通信部件和控制装置移动的装置移动部件，所述通信部件用于将探测到的雷达参数数据传输至地面处理中心；所述装置移动部件包括履带部件和电机，所述电机用于驱动履带部件以使装置移动。

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