CN115199336A - 一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法，属于矿山采空区探测技术领域。本发明包括数据采集模块、人员定位模块、信息传递模块和数据解析模块，将激光探头、数字罗盘和倾斜传感器内置于矿灯，再安装于安全帽上，设定数据采集间隔时间，随井下作业人员在不同位置或不同视角随机扫描采空区，再借助井下人员定位系统及程序解算采空区扫描点的真实坐标，建立数据单元及“锥形”实体单元，累进地对构建的实体单元取并集，直至达到采空区的探测精度要求。本发明操作简便、信息化程度高、测量误差小、数据更新及时，能够准确监测开采过程中采空区的形态变化，快速更新采空区数字模型，给采空区稳定性数值分析提供数据支撑。

Description

一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法

技术领域

本发明涉及矿山采空区探测技术领域，更具体地说，涉及一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法。

背景技术

空场采矿法形成了大量大小不同、形状各异的采空区，恶化了后期开采条件，引发矿柱变形，甚至发生地表塌陷等大规模地压活动，成为矿山的主要危险源之一。因此，要准确快速地探查井下空区的即时状态及空间形状，为空区安全治理及资源回采提供准确的设计依据。

目前，国内外关于采空区三维激光扫描技术已相当成熟，产品包括但不仅限于便携手持式激光扫描仪、脚架式激光扫描仪及无人机式激光扫描仪等，均被广泛应用于地下采空区探测。三维激光扫描技术需对目标的整体或局部进行完整的三维坐标数据测量，激光测量单元必须进行从上到下、从左到右的全自动扫描，进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据(即“点云”)。但金属矿床地下采空区分布广泛且复杂，该种技术在现场测量时工作量大，且在数据处理时还需进行“点云”间的拼接、冗余点的删除等，导致采空区三维数字模型更新缓慢，不利于生产中矿山采空区的动态监测。同时单一的采用三维激光扫描技术，信息化程度低，也不利于矿山监管部门对企业地下开采活动的监督。

因此，开发一种操作简便、性能稳定、结果可靠，且能及时追踪并自动监测生产矿山采空区的系统，以及提出一种与采空区实时动态监测系统相匹配的建模方法，以提升采空区监测的信息化、智能化水平，对指导矿山采空区稳定性分析及空区治理具有重要意义。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供了一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法，操作简便、信息化程度高、测量误差小、数据更新及时，能够准确监测开采过程中采空区的形态变化，快速更新采空区数字模型，给采空区稳定性数值分析提供数据支撑，解决了现有技术存在数据更新慢、信息化程度低、操作繁琐等问题。

2、技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种矿山采空区形态实时监测系统，包括数据采集模块、人员定位模块、信息传递模块和数据解析模块，其中：

所述数据采集模块包括安全帽、激光探头、数字罗盘、倾斜传感器、蓄电池、数据存储单元、控制模块和定位卡；所述安全帽上设有矿灯，矿灯的两侧设有灯带，矿灯上设有矿用灯泡和激光探头，激光探头设有多个，固定在矿用灯泡周围，其发射方向呈发散式；所述数字罗盘和倾斜传感器设置于矿灯内，能测量激光探头发射时矿灯的转向及倾角；所述蓄电池属于可充电式电池，与矿灯通过通电导线相连，向灯泡、激光探头、数字罗盘和倾斜传感器供电；所述定位卡与数据存储单元通过数据导线相连，均固定于蓄电池表面；所述数据存储单元与矿灯也通过数据导线相连，数据存储单元上设有无线数据输出端端口；所述控制模块固定于蓄电池表面，用于控制激光探头扫描的间隔时间及调节矿灯的亮度；

所述人员定位模块包括基站、定位卡、井下分站、地面信息中心等，利用现有井下人员定位技术，能准确定位装备了定位卡的测量人员坐标，其定位精度要求控制在采空区探测允许范围内；

所述信息传递模块包括数据无线输出端、基站无线接收端、无线网、井下交换机、光纤等；所述数据无线输出端与井下人员定位基站通过无线网相连，当两者相距较近时，所述数据输出端自动开启数据传递通道，将采集的数据传递至基站；所述井下交换机整合各个基站接受的采空区监测数据，再通过光纤将数据传递至地面数据处理中心；

所述数据解析模块包括地面数据处理中心，通过内置程序解算采空区监测点的真实坐标，具体解算原理如下：

设井下人员定位系统反馈的第i时刻、第j号井下人员所处的空间坐标为(xij，yij，zij)；该人员所持终端的数据采集装置内共有n个激光探头，所述激光探头与装置正向的方位角、倾角偏差分别为δ1、δ2、δ3、…、δn及θ1、θ2、θ3、…、θn，所述激光探头监测的数据为lij1、1ij2、lij3、…、lijn，所述数字罗盘、倾斜传感器的监测数据分别为δij及θij，则数据采集装置扫描到的采空区上n个点的真实坐标如下：

……

式中i＝1，2，3，…k；j＝1，2，3，…m；

经上式解算得到的空间坐标数据，即为第i时刻、第j号井下人员扫描的采空区面上的点；当m个数据采集装置、k个时刻扫描到采空区的所有面后，则按上式解算即可得到采空区面上的点坐标，再通过建模软件形成采空区三维实体模型。

进一步地，所述激光探头能发出对人眼安全的激光，并能迅速测量激光探头到采空区扫描点之间的距离，激光测量范围及精度均满足采空区探测要求。

进一步地，所述数据存储单元存储所有扫描时刻的定位卡坐标，以及在该时刻激光探头的测量距离、传感器的测量数据。

进一步地，所述定位卡通过蓝牙、无线网与井下基站建立联系，并时刻精准定位获取测量人员的空间坐标。

本发明提供另一种技术方案：一种矿山采空区形态实时监测系统的建模方法，其步骤为：

S1：设第1时刻、第1号井下人员在数据采集时的空间坐标为(x11，y11，z11)，按上式解算采空区扫描面上的n个点的空间坐标，并按各点的空间位置排序组成一个数据单元，该数据单元设为A11；

S2：建模软件通过内置的程序设定，自动根据接收到的数据单元A11内各个点排序及其空间坐标建立三角面，再由三角面封闭组成一个实体单元V11；

S3：接收第i时刻、第j号井下人员扫描的采空区面上的点数据，重复S1操作得到数据单元Aij，重复S2操作得到实体单元Vij，式中i＝1，2，3，…k、j＝1，2，3，…m，多个数据采集装置可以同步监测；

S4：将S3建立的实体单元Vij与S2建立的实体单元V11取并集；

S5：在建模软件中设定程序，不断重复S1、S2、S3、S4操作，采空区实体模型不断被优化，直至达到采空区探测精度要求，停止井下测量作业。

进一步地，S2中所述建模软件能进行实体布尔运算功能，包括并集、差集、交集等。

进一步地，S2中所述实体单元V11为类似“锥形”的实体模型，“锥形”底面即为激光探头扫描得到的采空区不规则面，“锥形”顶点即为所述数据采集装置所在位置。

进一步地，S3中所述的数据单元是指m个井下作业人员佩戴的数据采集装置，设置监测间隔时间，在地下采场作业时移动到不同位置，或同一位置的不同扫描方向自动监测k次的数据点集。

进一步地，S5中形成的采空区三维实体模型可实时通过卫星信号向第三方监管部门传递，实现信息化传递。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法，旨在动态监测采空区的空间形状及大小，其激光探头内置于矿灯内，随井下作业人员现场自动监测，井下覆盖范围更广，能适应井下多个工作面同步监测；与传统的采空区三维激光扫描装置相比，其造价成本更低，占用空间小，同时设置的间隔性采集方式使装置的续航能力更强。

2、本发明提供的一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法，通过程序可实现从现场测量采空区至构建实体模型全自动控制，与传统三维激光扫描技术相比，操作更简单。

3、本发明提供的一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法，通过对现有井下人员定位系统进行的改进，一方面能解算装置采集数据时的坐标，另一方面也能将采集的数据通过无线网及光纤传递至地表信息处理中心，经过内置程序解算采空区探测点的真实坐标，直接形成采空区数字实体模型，实时更新采空区的变化形态。

附图说明

图1为本发明的系统流程图；

图2为本发明的数据采集模块立体结构图；

图3为本发明的数据采集模块侧视结构图；

图4为本发明的数据解析模块坐标点解算原理图；

图5为本发明的建模方法示意图。

图中：1、安全帽；21、激光探头；22、矿用灯泡；23、灯带；24、数字罗盘；25、倾斜传感器；31、数据存储单元；32、定位卡；33、控制模块；34、蓄电池；41、通电导线；42、数据导线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述：

实施例1

如图1-5所示，本实施例的一种矿山采空区形态实时监测系统，包括数据采集模块、人员定位模块、信息传递模块和数据解析模块，其中：

所述数据采集模块包括安全帽1、激光探头21、数字罗盘24、倾斜传感器25、蓄电池34、数据存储单元31、控制模块33和定位卡32；所述安全帽1上设有矿灯，矿灯的两侧设有灯带23，矿灯上设有矿用灯泡22和激光探头21，激光探头21设有多个，固定在矿用灯泡22周围，其发射方向呈发散式，激光探头21能发出对人眼安全的激光，并能迅速测量激光探头21到采空区扫描点之间的距离，激光测量范围及精度均满足采空区探测要求；所述数字罗盘24和倾斜传感器25设置于矿灯内，能测量激光探头21发射时矿灯的转向及倾角；所述蓄电池34属于可充电式电池，与矿灯通过通电导线41相连，向灯泡、激光探头21、数字罗盘24和倾斜传感器25供电；所述定位卡32与数据存储单元31通过数据导线42相连，均固定于蓄电池34表面；所述数据存储单元31与矿灯也通过数据导线42相连，数据存储单元31存储所有扫描时刻的定位卡32坐标，以及在该时刻激光探头21的测量距离、传感器的测量数据，数据存储单元31上设有无线数据输出端端口；所述控制模块33固定于蓄电池34表面，用于控制激光探头21扫描的间隔时间及调节矿灯的亮度；

所述人员定位模块包括基站、定位卡32、井下分站、地面信息中心等，利用现有井下人员定位技术，能准确定位装备了定位卡32的测量人员坐标，其定位精度要求控制在采空区探测允许范围内，定位卡32通过蓝牙、无线网与井下基站建立联系，并时刻精准定位获取测量人员的空间坐标；

所述信息传递模块包括数据无线输出端、基站无线接收端、无线网、井下交换机、光纤等；所述数据无线输出端与井下人员定位基站通过无线网相连，当两者相距较近时，所述数据输出端自动开启数据传递通道，将采集的数据传递至基站；所述井下交换机整合各个基站接受的采空区监测数据，再通过光纤将数据传递至地面数据处理中心；

所述数据解析模块包括地面数据处理中心，通过内置程序解算采空区监测点的真实坐标，具体解算原理如下：

设井下人员定位系统反馈的第i时刻、第j号井下人员所处的空间坐标为(xij，yij，zij)；该人员所持终端的数据采集装置内共有n个激光探头21，所述激光探头21与装置正向的方位角、倾角偏差分别为δ1、δ2、δ3、…、δn及θ1、θ2、θ3、…、θn，所述激光探头21监测的数据为lij1、1ij2、lij3、…、lijn，所述数字罗盘24、倾斜传感器25的监测数据分别为δij及θij，则数据采集装置扫描到的采空区上n个点的真实坐标如下：

……

式中i＝1，2，3，…k；j＝1，2，3，…m；

经上式解算得到的空间坐标数据，即为第i时刻、第j号井下人员扫描的采空区面上的点；当m个数据采集装置、k个时刻扫描到采空区的所有面后，则按上式解算即可得到采空区面上的点坐标，再通过建模软件形成采空区三维实体模型。

需要说明的是，本系统属累积性测量，数据采集装置安装在井下作业人员的安全帽上，并设定了采集间隔时间，采集并存储作业人员在采空区内的不同位置或不同视角上扫描的采空区面数据，随着采集的范围越广，采空区的空间形态也越来越精细。

本实施例的一种矿山采空区形态实时监测系统的建模方法，其步骤为：

S1：设第1时刻、第1号井下人员在数据采集时的空间坐标为(x11，y11，z11)，按上式解算采空区扫描面上的n个点的空间坐标，并按各点的空间位置排序组成一个数据单元，该数据单元设为A11；

S2：建模软件通过内置的程序设定，自动根据接收到的数据单元A11内各个点排序及其空间坐标建立三角面，再由三角面封闭组成一个实体单元V11；

S3：接收第i时刻、第j号井下人员扫描的采空区面上的点数据，重复S1操作得到数据单元Aij，重复S2操作得到实体单元Vij，式中i＝1，2，3，…k、j＝1，2，3，…m，多个数据采集装置可以同步监测；

S4：将S3建立的实体单元Vij与S2建立的实体单元V11取并集；

S5：在建模软件中设定程序，不断重复S1、S2、S3、S4操作，采空区实体模型不断被优化，直至达到采空区探测精度要求，停止井下测量作业。

本实施例中，S2中所述建模软件能进行实体布尔运算功能，包括并集、差集、交集等；S2中所述实体单元V11为类似“锥形”的实体模型，“锥形”底面即为激光探头21扫描得到的采空区不规则面，“锥形”顶点即为所述数据采集装置所在位置；S3中所述的数据单元是指m个井下作业人员佩戴的数据采集装置，设置监测间隔时间，在地下采场作业时移动到不同位置，或同一位置的不同扫描方向自动监测k次的数据点集；S5中形成的采空区三维实体模型可实时通过卫星信号向第三方监管部门传递，实现信息化传递。

综上所述，本发明的一种矿山采空区形态实时监测系统及建模方法，操作简便、信息化程度高、测量误差小、数据更新及时，能够准确监测开采过程中采空区的形态变化，快速更新采空区数字模型，给采空区稳定性数值分析提供数据支撑。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种矿山采空区形态实时监测系统，其特征在于：包括数据采集模块、人员定位模块、信息传递模块和数据解析模块，其中：

所述数据采集模块包括安全帽(1)、激光探头(21)、数字罗盘(24)、倾斜传感器(25)、蓄电池(34)、数据存储单元(31)、控制模块(33)和定位卡(32)；所述安全帽(1)上设有矿灯，矿灯的两侧设有灯带(23)，矿灯上设有矿用灯泡(22)和激光探头(21)，激光探头(21)设有多个，固定在矿用灯泡(22)周围，其发射方向呈发散式；所述数字罗盘(24)和倾斜传感器(25)设置于矿灯内，能测量激光探头(21)发射时矿灯的转向及倾角；所述蓄电池(34)属于可充电式电池，与矿灯通过通电导线(41)相连，向灯泡、激光探头(21)、数字罗盘(24)和倾斜传感器(25)供电；所述定位卡(32)与数据存储单元(31)通过数据导线(42)相连，均固定于蓄电池(34)表面；所述数据存储单元(31)与矿灯也通过数据导线(42)相连，数据存储单元(31)上设有无线数据输出端端口；所述控制模块(33)固定于蓄电池(34)表面，用于控制激光探头(21)扫描的间隔时间及调节矿灯的亮度；

所述人员定位模块包括基站、定位卡(32)、井下分站、地面信息中心等，利用现有井下人员定位技术，能准确定位装备了定位卡(32)的测量人员坐标，其定位精度要求控制在采空区探测允许范围内；

所述信息传递模块包括数据无线输出端、基站无线接收端、无线网、井下交换机、光纤等；所述数据无线输出端与井下人员定位基站通过无线网相连，当两者相距较近时，所述数据输出端自动开启数据传递通道，将采集的数据传递至基站；所述井下交换机整合各个基站接受的采空区监测数据，再通过光纤将数据传递至地面数据处理中心；

所述数据解析模块包括地面数据处理中心，通过内置程序解算采空区监测点的真实坐标，具体解算原理如下：

设井下人员定位系统反馈的第i时刻、第j号井下人员所处的空间坐标为(xij，yij，zij)；该人员所持终端的数据采集装置内共有n个激光探头(21)，所述激光探头(21)与装置正向的方位角、倾角偏差分别为δ1、δ2、δ3、…、δn及θ1、θ2、θ3、…、θn，所述激光探头(21)监测的数据为lij1、1ij2、lij3、…、lijn，所述数字罗盘(24)、倾斜传感器(25)的监测数据分别为δij及θij，则数据采集装置扫描到的采空区上n个点的真实坐标如下：

……

式中i＝1，2，3，…k；j＝1，2，3，…m；

经上式解算得到的空间坐标数据，即为第i时刻、第j号井下人员扫描的采空区面上的点；当m个数据采集装置、k个时刻扫描到采空区的所有面后，则按上式解算即可得到采空区面上的点坐标，再通过建模软件形成采空区三维实体模型。

2.根据权利要求1所述的一种矿山采空区形态实时监测系统，其特征在于：所述激光探头(21)能发出对人眼安全的激光，并能迅速测量激光探头(21)到采空区扫描点之间的距离，激光测量范围及精度均满足采空区探测要求。

3.根据权利要求1所述的一种矿山采空区形态实时监测系统，其特征在于：所述数据存储单元(31)存储所有扫描时刻的定位卡(32)坐标，以及在该时刻激光探头(21)的测量距离、传感器的测量数据。

4.根据权利要求1所述的一种矿山采空区形态实时监测系统，其特征在于：所述定位卡(32)通过蓝牙、无线网与井下基站建立联系，并时刻精准定位获取测量人员的空间坐标。

5.根据权利要求1所述的一种矿山采空区形态实时监测系统的建模方法，其特征在于：其步骤为：

S1：设第1时刻、第1号井下人员在数据采集时的空间坐标为(x11，y11，z11)，按上式解算采空区扫描面上的n个点的空间坐标，并按各点的空间位置排序组成一个数据单元，该数据单元设为A11；

S2：建模软件通过内置的程序设定，自动根据接收到的数据单元A11内各个点排序及其空间坐标建立三角面，再由三角面封闭组成一个实体单元V11；

S3：接收第i时刻、第j号井下人员扫描的采空区面上的点数据，重复S1操作得到数据单元Aij，重复S2操作得到实体单元Vij，式中i＝1，2，3，…k、j＝1，2，3，…m，多个数据采集装置可以同步监测；

S4：将S3建立的实体单元Vij与S2建立的实体单元V11取并集；

S5：在建模软件中设定程序，不断重复S1、S2、S3、S4操作，采空区实体模型不断被优化，直至达到采空区探测精度要求，停止井下测量作业。

6.根据权利要求5所述的一种矿山采空区形态实时监测系统的建模方法，其特征在于：S2中所述建模软件能进行实体布尔运算功能，包括并集、差集、交集等。

7.根据权利要求5所述的一种矿山采空区形态实时监测系统的建模方法，其特征在于：S2中所述实体单元V11为类似“锥形”的实体模型，“锥形”底面即为激光探头(21)扫描得到的采空区不规则面，“锥形”顶点即为所述数据采集装置所在位置。

8.根据权利要求5所述的一种矿山采空区形态实时监测系统的建模方法，其特征在于：S3中所述的数据单元是指m个井下作业人员佩戴的数据采集装置，设置监测间隔时间，在地下采场作业时移动到不同位置，或同一位置的不同扫描方向自动监测k次的数据点集。

9.根据权利要求5所述的一种矿山采空区形态实时监测系统的建模方法，其特征在于：S5中形成的采空区三维实体模型可实时通过卫星信号向第三方监管部门传递，实现信息化传递。

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