CN113295851A - 一种矿山地质环境预警装置及其预警方法 - Google Patents

一种矿山地质环境预警装置及其预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矿山地质环境预警装置及其预警方法，包括工作台和检测装置，所述工作台的上表面安装有监测机构，所述监测机构的内侧壁安装有四个驱动机构；所述监测机构包括外壳体、连接套圈、二十二个激光测距仪、环形激光发射灯、顶盖、二十二个光敏传感器、第一信号收发器、底座和伺服电机；本装置利用布尔布面曲面法为监视依据，通过实际测绘与检测装置对目标山体反馈两组三维数据进行比对，实时检测山体因为自然或人为因素的变化程度及位置信息，并能够做到及时汇总反馈位置异常信息，帮助工作人员判断山体状况与危险系数，同时能够第一时间预报与反馈山体变形信息，帮助有关部门及时启动紧急预案，避免危险事故的扩散。

Description

一种矿山地质环境预警装置及其预警方法
技术领域
本发明涉及地质预警装置技术领域，特别涉及一种矿山地质环境预警装置及其预警方法。
背景技术
矿产资源开采后在一定程度上会改变当地现有的地质环境，容易造成地质灾害的发生，因此目前矿山在开采完毕后，仍需要进行相应的矿山修复工序；
如果恰遇暴雨、暴雪、洪涝等恶劣自然天气，则会加重地质灾害的发生；并且部分无人矿山正是因为矿产开采而发展出了人流聚集地与定居点，甚至部分矿产项目结束后，仍有不少定居点安置于处于这种危险地质内，如果没有相应的预警机制与条件，则在未来的某一天很有可能酿成悲剧事故。
为此，提出一种矿山地质环境预警装置及其预警方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例希望提供一种矿山地质环境预警装置及其预警方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择；
本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种矿山地质环境预警装置，包括工作台和检测装置，所述工作台的上表面安装有监测机构，所述监测机构的内侧壁安装有四个驱动机构；
所述监测机构包括外壳体、连接套圈、二十二个激光测距仪、环形激光发射灯、顶盖、二十二个光敏传感器、第一信号收发器、底座和伺服电机；
所述激光测距仪的外表面安装于所述连接套圈的外表面，所述环形激光发射灯的外表面安装于所述连接套圈的内侧壁，所述顶盖焊接于所述外壳体的上表面，所述光敏传感器的外表面安装于所述顶盖的内侧壁，所述第一信号收发器的外表面安装于所述外壳体的内侧壁，所述底座的下表面固定连接于所述外壳体的内部底壁，所述伺服电机的外表面安装于所述底座的内侧壁；
所述驱动机构包括固定块和滑架，所述固定块的下表面焊接于所述外壳体的内部底壁，所述滑架的外表面与所述连接套圈的外表面通过螺栓螺纹连接。
作为本技术方案的进一步优选的：所述外壳体的一侧安装有显示器；显示器用于投放虚拟山体的立体图形。
作为本技术方案的进一步优选的：所述伺服电机的输出轴焊接有置物台，所述置物台的上表面设有山体测绘模型；置物台配合山体测绘模型实现对比需求，并通过伺服电机的旋转，配合环形激光发射灯对其不同角度进行照射，从而满足后续二次对比需求。
作为本技术方案的进一步优选的：所述驱动机构还包括步进电机、滚珠丝杠和滑轨，所述步进电机的外表面安装于所述固定块的内侧壁，所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述滚珠丝杠的螺纹杆固定连接，所述滚珠丝杠的移动螺母与所述滑架的外表面通过螺栓螺纹连接，所述滑轨的下表面与所述固定块的上表面焊接，所述滑架的内侧壁与所述滑轨的外表面滑动连接；连接套圈通过驱动机构实现上下调节，驱动机构中步进电机带动滚珠丝杠的螺纹杆旋转，进而驱动滚珠丝杠的移动螺母上下移动，从而带动滑架配合滑轨带动连接套圈进行上下移动，实现对山体测绘模型不同高度的比对需求。
作为本技术方案的进一步优选的：所述检测装置包括螺纹插杆、位置传感器和第二信号收发器，所述位置传感器与所述第二信号收发器的外表面均安装于所述螺纹插杆的外表面上部，所述第二信号收发器的电性输出端与所述第一信号收发器；检测装置负责传递实际山体的不同高度放样面数据，从而满足本装置的对比测量需求。
作为本技术方案的进一步优选的：所述工作台的前表面安装有MCU处理器，所述MCU处理器的电性输入端与所述第一信号收发器和所述光敏传感器的电性输出端电性连接，所述MCU处理器的电性输出端与所述二十二个激光测距仪、所述环形激光发射灯、所述伺服电机和所述步进电机的电性输入端电性连接。
另外本发明还提供一种矿山地质环境预警装置的预警方法，具体包括以下步骤：
S1、首先将多个检测装置通过螺纹插杆插入目标检测山体的外部，并保证每组检测装置处于同一水平面，并沿山体铅垂面平行方向设置多组不同高度的检测装置；
S2、将利用测绘法配合生成的目标山体三维模型使用3D打印技术，得到等比例缩小的山体测绘模型，并放置于置物台上；
S3、在正常环境下，对目标山体录入初始数据，其中每组在山体上相同高度的检测装置中，位置传感器通过第二信号收发器传递位置信号至MCU处理器，MCU处理器将这些点位进行连线，得到一个封闭放样面，不同高度的放样面在MCU处理器的模拟处理下进行放样，利用布尔布面曲面建模法得到虚拟山体立体图形，并投放至显示器实时反馈目前山体状况；
S4、监测时，监测机构中的连接套圈使用环形安置的激光测距仪照射山体测绘模型不同高度的水平面，按比例对应实际山体中不同高度安置的检测装置组，并将尺寸数据反馈至MCU处理器，经MCU处理器按等比例放大后比对虚拟山体立体图形，监测原山体与实际山体的外形是否发生变化；
S5、当山体受到自然灾害或正在进行人工修补、山体外表面发生形变时，检测装置会受到人为或自然因素的位移、陷涝或倾斜，则此时虚拟山体因某处检测装置的位置变化而产生位置信号输出的变化，与之对应的，虚拟山体的布尔布面也会发生变化，如果某处检测装置因为地质变化而失联，与之对应的布尔布面相当于失去了一块面片，恰好能反应目标检测山体的地势缺失，此时的MCU处理器发现对比信息异常，随后通过环形激光发射灯对山体测绘模型的外部投射环形激光，上部的多组光敏传感器同样感知、绘点、连线得到原放样面数据，MCU处理器进行二次比对，确认实际山体发生变化无误后，根据本设备的实际使用情况，可以进行如下判断：
作为矿山修复的智能管控设备：通过第一信号收发器将数据信息反馈至后台PC，辅助工作人员将各项修复数据与山体模拟数据汇总测算；
作为地质环境的研究设备：通过第一信号收发器将数据信息反馈至后台PC，辅助研究人员长时间记录目标检测山体地质环境的变化记录，并提供各种研究数据；
安置于处于地质灾害频发的人类定居点附近，作为该地区的监控设备：结合天气等自然因素，当恶劣天气发生且MCU处理器发现对比信息异常时，立即通过第一信号收发器警告通知相应部门启动处理方案，及时作出相应处理动作。
作为本技术方案的进一步优选的：在所述S4中，连接套圈通过驱动机构实现上下调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本装置利用布尔布面曲面法为监视依据，通过实际测绘与检测装置对目标山体反馈两组三维数据进行比对，实时检测山体因为自然或人为因素的变化程度及位置信息，并能够做到及时汇总反馈位置异常信息，帮助工作人员判断山体状况与危险系数，同时能够第一时间预报与反馈山体变形信息，帮助有关部门及时启动紧急预案，避免危险事故的扩散；
二、本装置不仅能够应用于地质灾害事故预警，还能应用于矿山修复治理工程中，作为后台智能管控与数据收集中枢，帮助工作人员将各项修复数据与山体模拟数据汇总测算，同时还能作为地质环境的研究设备，辅助研究人员长时间记录目标检测山体地质环境的变化记录，并提供各种研究数据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的监测机构立体结构示意图；
图3为本发明的监测机构仰视视角立体结构示意图；
图4为本发明的底座立体结构示意图；
图5为本发明的驱动机构立体结构示意图；
图6为本发明的连接套圈立体结构示意图；
图7为本发明的山体测绘模型立体结构示意图；
图8为本发明的外壳体立体结构示意图；
图9为本发明的检测装置立体结构示意图。
附图标记：1、工作台；101、MCU处理器；2、监测机构；201、外壳体；2011、显示器；202、连接套圈；203、激光测距仪；204、环形激光发射灯；205、顶盖；206、光敏传感器；207、第一信号收发器；208、底座；209、伺服电机；210、置物台；3、山体测绘模型；4、驱动机构；401、固定块；402、步进电机；403、滚珠丝杠；404、滑架；405、滑轨；5、检测装置；501、螺纹螺纹插杆；502、位置传感器；503、第二信号收发器。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种矿山地质环境预警装置，包括工作台1和检测装置5，工作台1的上表面安装有监测机构2，监测机构2的内侧壁安装有四个驱动机构4；
监测机构2包括外壳体201、连接套圈202、二十二个激光测距仪203、环形激光发射灯204、顶盖205、二十二个光敏传感器206、第一信号收发器207、底座208和伺服电机209；
激光测距仪203的外表面安装于连接套圈202的外表面，环形激光发射灯204的外表面安装于连接套圈202的内侧壁，顶盖205焊接于外壳体201的上表面，光敏传感器206的外表面安装于顶盖205的内侧壁，第一信号收发器207的外表面安装于外壳体201的内侧壁，底座208的下表面焊接于外壳体201的内部底壁，伺服电机209的外表面安装于底座208的内侧壁；
驱动机构4包括固定块401和滑架404，固定块401的下表面焊接于外壳体201的内部底壁，滑架404的外表面与连接套圈202的外表面通过螺栓螺纹连接。
本实施例中，具体的：外壳体201的一侧安装有显示器2011；显示器2011用于投放虚拟山体的立体图形。
本实施例中，具体的：伺服电机209的输出轴焊接有置物台210，置物台210的上表面设有山体测绘模型3；置物台210配合山体测绘模型3实现对比需求，并通过伺服电机209的旋转，配合环形激光发射灯204对其不同角度进行照射，从而满足后续二次对比需求。
本实施例中，具体的：驱动机构4还包括步进电机402、滚珠丝杠403和滑轨405，步进电机402的外表面安装于固定块401的内侧壁，步进电机402的输出轴通过联轴器与滚珠丝杠403的螺纹杆固定连接，滚珠丝杠403的移动螺母与滑架404的外表面通过螺栓螺纹连接，滑轨405的下表面与固定块401的上表面焊接，滑架404的内侧壁与滑轨405的外表面滑动连接；连接套圈202通过驱动机构4实现上下调节，驱动机构4中步进电机402带动滚珠丝杠403的螺纹杆旋转，进而驱动滚珠丝杠403的移动螺母上下移动，从而带动滑架404配合滑轨405带动连接套圈202进行上下移动，实现对山体测绘模型3不同高度的比对需求。
本实施例中，具体的：检测装置5包括螺纹插杆501、位置传感器502和第二信号收发器503，位置传感器502与第二信号收发器503的外表面均安装于螺纹插杆501的外表面上部，第二信号收发器503的电性输出端与第一信号收发器207；检测装置5负责传递实际山体的不同高度放样面数据，从而满足本装置的对比测量需求。
本实施例中，具体的：工作台1的前表面安装有MCU处理器101，MCU处理器101的电性输入端与第一信号收发器207和光敏传感器206的电性输出端电性连接，MCU处理器101的电性输出端与二十二个激光测距仪203、环形激光发射灯204、伺服电机209和步进电机402的电性输入端电性连接；
第一信号收发器207和第二信号收发器503的具体型号为ADM485AR；光敏传感器206的具体型号为XGM-0805GM；激光测距仪203的具体型号为；伺服电机209的具体型号为HFF80B4B5；步进电机402的具体型号为ACM2072907。
另外本发明还提供一种矿山地质环境预警装置的预警方法，具体包括以下步骤：
S1、首先将多个检测装置5通过螺纹插杆501插入目标检测山体的外部，并保证每组检测装置5处于同一水平面，并沿山体铅垂面平行方向设置多组不同高度的检测装置5；
S2、将利用测绘法配合生成的目标山体三维模型使用3D打印技术，得到等比例缩小的山体测绘模型3，并放置于置物台210上；
S3、在正常环境下，对目标山体录入初始数据，其中每组在山体上相同高度的检测装置5中，位置传感器502通过第二信号收发器503传递位置信号至MCU处理器101，MCU处理器101将这些点位进行连线，得到一个封闭放样面，不同高度的放样面在MCU处理器101的模拟处理下进行放样，利用布尔布面曲面建模法得到虚拟山体立体图形，并投放至显示器2011实时反馈目前山体状况；
S4、监测时，监测机构2中的连接套圈202使用环形安置的激光测距仪203照射山体测绘模型3不同高度的水平面，按比例对应实际山体中不同高度安置的检测装置5组，并将尺寸数据反馈至MCU处理器101，经MCU处理器101按等比例放大后比对虚拟山体立体图形，监测原山体与实际山体的外形是否发生变化；
S5、当山体受到自然灾害或正在进行人工修补、山体外表面发生形变时，检测装置5会受到人为或自然因素的位移、陷涝或倾斜，则此时虚拟山体因某处检测装置5的位置变化而产生位置信号输出的变化，与之对应的，虚拟山体的布尔布面也会发生变化，如果某处检测装置5因为地质变化而失联，与之对应的布尔布面相当于失去了一块面片，恰好能反应目标检测山体的地势缺失，此时的MCU处理器101发现对比信息异常，随后通过环形激光发射灯204对山体测绘模型3的外部投射环形激光，上部的多组光敏传感器206同样感知、绘点、连线得到原放样面数据，MCU处理器101进行二次比对，确认实际山体发生变化无误后，根据本设备的实际使用情况，可以进行如下判断：
作为矿山修复的智能管控设备：通过第一信号收发器207将数据信息反馈至后台PC，辅助工作人员将各项修复数据与山体模拟数据汇总测算；
作为地质环境的研究设备：通过第一信号收发器207将数据信息反馈至后台PC，辅助研究人员长时间记录目标检测山体地质环境的变化记录，并提供各种研究数据；
安置于处于地质灾害频发的人类定居点附近，作为该地区的监控设备：结合天气等自然因素，当恶劣天气发生且MCU处理器101发现对比信息异常时，立即通过第一信号收发器207警告通知相应部门启动处理方案，及时作出相应处理动作。
本实施例中，具体的：在S4中，连接套圈202通过驱动机构4实现上下调节。
本实施例中，具体的：在安置检测装置5时，需要多组工作人员需手持海拔仪与定位仪互相沟通，确定以相同海拔点与间距点进行安置检测装置5；
本实施例中，具体的：检测装置5的外部需要连接一台继电器，且需要并入当地电网系统实现电源输入。
本实施例中，具体的：山体测绘模型3的成型，首先需要工作人员实地考量并利用登高线法绘制草图，随后利用电脑通过MATLAB的peaks函数生成该山区的地点及其高度三维数据，具体命令格式为[x,y,z]＝peaks(n)，生成的n阶矩阵x,y,z为测量的山区地点三维数据(n>＝30)，根据peaks函数生成的数据，利用Matlab二维插值画出该山区的地貌图和等值线图(提示函数：interp2、meshgrid和plot3)，最终得到生成的三维模型，并按等比例缩小进行3D打印成型。
工作原理或者结构原理：本装置利用布尔布面曲面法为监视依据，通过实际测绘与检测装置5对目标山体反馈两组三维数据，利用监测机构2进行比对，实时检测山体因为自然或人为因素的变化程度及位置信息，并能够做到及时汇总反馈位置异常信息，帮助工作人员判断山体状况与危险系数，同时能够第一时间预报与反馈山体变形信息，帮助有关部门及时启动紧急预案，避免危险事故的扩散；
本装置不仅能够应用于地质灾害事故预警，还能应用于矿山修复治理工程中，作为后台智能管控与数据收集中枢，帮助工作人员将各项修复数据与山体模拟数据汇总测算，同时还能作为地质环境的研究设备，辅助研究人员长时间记录目标检测山体地质环境的变化记录，并提供各种研究数据。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种矿山地质环境预警装置，包括工作台(1)和检测装置(5)，其特征在于：所述工作台(1)的上表面安装有监测机构(2)，所述监测机构(2)的内侧壁安装有四个驱动机构(4)；
所述监测机构(2)包括外壳体(201)、连接套圈(202)、二十二个激光测距仪(203)、环形激光发射灯(204)、顶盖(205)、二十二个光敏传感器(206)、第一信号收发器(207)、底座(208)和伺服电机(209)；
所述激光测距仪(203)的外表面安装于所述连接套圈(202)的外表面，所述环形激光发射灯(204)的外表面安装于所述连接套圈(202)的内侧壁，所述顶盖(205)焊接于所述外壳体(201)的上表面，所述光敏传感器(206)的外表面安装于所述顶盖(205)的内侧壁，所述第一信号收发器(207)的外表面安装于所述外壳体(201)的内侧壁，所述底座(208)的下表面固定连接于所述外壳体(201)的内部底壁，所述伺服电机(209)的外表面安装于所述底座(208)的内侧壁；
所述驱动机构(4)包括固定块(401)和滑架(404)，所述固定块(401)的下表面焊接于所述外壳体(201)的内部底壁，所述滑架(404)的外表面与所述连接套圈(202)的外表面螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种矿山地质环境预警装置，其特征在于：所述外壳体(201)的一侧安装有显示器(2011)。
3.根据权利要求1所述的一种矿山地质环境预警装置，其特征在于：所述伺服电机(209)的输出轴焊接有置物台(210)，所述置物台(210)的上表面设有山体测绘模型(3)。
4.根据权利要求1所述的一种矿山地质环境预警装置，其特征在于：所述驱动机构(4)还包括步进电机(402)、滚珠丝杠(403)和滑轨(405)，所述步进电机(402)的外表面安装于所述固定块(401)的内侧壁，所述步进电机(402)的输出轴通过联轴器与所述滚珠丝杠(403)的螺纹杆固定连接，所述滚珠丝杠(403)的移动螺母与所述滑架(404)的外表面通过螺栓螺纹连接，所述滑轨(405)的下表面与所述固定块(401)的上表面焊接，所述滑架(404)的内侧壁与所述滑轨(405)的外表面滑动连接。
5.根据权利要求1所述的一种矿山地质环境预警装置，其特征在于：所述检测装置(5)包括螺纹插杆(501)、位置传感器(502)和第二信号收发器(503)，所述位置传感器(502)与所述第二信号收发器(503)的外表面均安装于所述螺纹插杆(501)的外表面上部，所述第二信号收发器(503)的电性输出端与所述第一信号收发器(207)。
6.根据权利要求4所述的一种矿山地质环境预警装置，其特征在于：所述工作台(1)的前表面安装有MCU处理器(101)，所述MCU处理器(101)的电性输入端与所述第一信号收发器(207)和所述光敏传感器(206)的电性输出端电性连接，所述MCU处理器(101)的电性输出端与所述二十二个激光测距仪(203)、所述环形激光发射灯(204)、所述伺服电机(209)和所述步进电机(402)的电性输入端电性连接。
7.根据权利要求1-6所述的一种矿山地质环境预警装置的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、首先将多个检测装置(5)通过螺纹插杆(501)插入目标检测山体的外部；
S2、将利用测绘法配合生成的目标山体三维模型使用3D打印技术，得到等比例缩小的山体测绘模型(3)，并放置于置物台(210)上；
S3、在正常环境下，对目标山体录入初始数据，利用布尔布面曲面建模法得到虚拟山体立体图形，并投放至显示器(2011)实时反馈目前山体状况；
S4、监测机构(2)中的连接套圈(202)使用环形安置的激光测距仪(203)照射山体测绘模型(3)不同高度的水平面，按比例对应实际山体中不同高度安置的检测装置(5)组；
S5、通过环形激光发射灯(204)对山体测绘模型(3)的外部投射环形激光，上部的多组光敏传感器(206)同样感知、绘点、连线得到原放样面数据。
8.根据权利要求7所述的一种矿山地质环境预警装置的预警方法，其特征在于：在所述S4中，连接套圈(202)通过驱动机构(4)实现上下调节。
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