CN116503511B - 一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，属于巷道围岩破坏探测技术领域，基于在相同应力场中超前钻孔裂隙形态与掘进巷道围岩破坏区形态存在整体相似的特性，通过获取超前钻孔裂隙形态图像，使用计算机图像处理程序映射掘进巷道围岩破坏区信息。本发明的即时映射成像方法可在巷道掘进中即时提供掘进巷道围岩破坏区形态、范围、最大深度，在工程应用中为掘进巷道采取针对性的支护措施与灾害风险预估提供支持。

Description

一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法
技术领域
本发明涉及巷道围岩破坏探测技术领域，特别是涉及一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法。
背景技术
我国煤矿井下巷道工程量巨大，据不完全统计，每年新开掘巷道达1.2万公里，目前巷道顶板事故的起数在煤矿各类事故中占比最高，顶板事故死亡人数占比始终保持在30％左右的高位，严重威胁了煤矿的安全高效生产。巷道穿越地下复杂多变的地质环境，同一条巷道的不同区域所处的围岩与应力环境存在巨大差异，盲目的标准化支护，会造成普通区域的过度支护以及风险区域的支护不足，为巷道顶板灾害埋下隐患。
目前，钻孔技术成熟，在井下易操作、易观测，超前钻孔通用来探水、探构造等取得了良好的应用效果。在研究中发现相同应力场中超前钻孔裂隙形态与掘进巷道围岩破坏区形态存在整体相似的特性。即时有效识别巷道围岩破坏区形态进而采取针对性的支护措施是问题解决的关键，而破坏区形态的识别及支护依据的获取是目前研究的难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够即时精确地掌握掘进巷道围岩破坏区形态、范围、最大深度，为掘进巷道采取针对性的支护措施与灾害风险预估提供支持。
为实现上述目的，本发明采取了如下方案：
一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，包括以下2个步骤：
S1、掘进巷道端头中心钻进超前钻孔，成孔后高压注入示踪剂标记超前钻孔裂隙形态，注浆压力计波动后停止注入示踪剂，封孔保存，随着掘进巷道开挖使用矿用相机固定焦距拍摄标记的超前钻孔裂隙形态，获取超前钻孔裂隙图像后即时上传计算机存储；
S2、在计算机图像处理程序对所述图像预处理；
S3、对预处理后的所述图像后处理，映射掘进巷道围岩破坏区信息，包括：
掘进巷道围岩破坏区形态：检测示踪剂标记区域所有轮廓，重构嵌套轮廓的整个层次，绘制超前钻孔裂隙形态轮廓；
掘进巷道围岩破坏区范围：遍历统计所述图像中示踪剂标记颜色区间内的所有像素点数量，计算与所述图像总像素点数量的比值；
掘进巷道围岩破坏区最大深度：以掘进巷道断面矩形做内切椭圆形，矩形对角线过内切椭圆形的一半弦长与图像钻孔像素半径的比例为映射关系，计算掘进巷道围岩破坏区最大深度公式为：
其中，r为图像钻孔像素半径，(a，b)为图像钻孔圆心像素坐标，m为掘进巷道宽度的二分之一，n为掘进巷道高度的二分之一，Lmax为掘进巷道围岩破坏区最大深度，(x1，y1)为图像裂隙最大深度点坐标。
进一步地，步骤S2中所述的图像信息预处理，包括超前钻孔圆心与半径检测，记录所述图像圆心像素坐标(a，b)和钻孔像素半径r；示踪剂标记区域识别，提取示踪剂颜色区间中的所有像素点后，将图像二值化；统一图像格式，以圆心像素坐标(a，b)为中心向四周固定像素裁剪图像。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明提供了一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，克服了现有技术中难以精确检测掘进巷道围岩破坏区信息的问题，实施本发明方法可在工程应用中即时准确、高效地为掘进巷道采取针对性的支护措施与灾害风险预估提供支持。
2、本发明基于相同应力场中超前钻孔裂隙形态与掘进巷道围岩破坏区形态存在整体相似的特性，获取超前钻孔裂隙形态图像时，超前钻孔与掘进巷道处于相同的应力场中，映射结果可靠。
3、本发明实现了超前钻孔裂隙形态图像映射掘进巷道围岩破坏区信息，克服了现在技术中采用人力手动或半自动处理图像信息耗时长与容易产生主观误差的不足，简单、准确、高效地输出掘进巷道围岩破坏区形态、破坏区范围、破坏区最大深度信息。
附图说明
图1为本发明提供的掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法流程图。
图2为本发明提供的超前钻孔裂隙形态映射掘进巷道围岩破坏区机理图。
具体实施方式
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。
即时有效识别巷道围岩破坏区形态进而采取针对性的支护措施是问题解决的关键，本发明的目的是提供一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，能够即时精确掌握掘进巷道围岩破坏区形态，识别掘进巷道破坏区风险位置，为掘进巷道采取针对性的支护措施与灾害风险预估提供支持。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中，一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、掘进巷道端头中心钻进超前钻孔，成孔后高压注入示踪剂标记超前钻孔裂隙形态，注浆压力计波动后停止注入示踪剂，封孔保存，随着掘进巷道开挖使用矿用相机固定焦距拍摄超前钻孔裂隙形态，图像即时上传计算机存储；
在相同应力场中超前钻孔裂隙形态与掘进巷道围岩破坏区形态存在整体相似的特性，如图2所示。为了确保超前钻孔与掘进巷道所处应力环境完全相同，在掘进巷道端头沿着巷道掘进方向，在巷道断面的几何中心位置钻进超前钻孔，超前钻孔钻进方向、钻进角度与掘进巷道掘进方向、掘进角度保持一致。
S2、在计算机图像处理程序对所述图像预处理；
包括以下步骤：
首先，超前钻孔圆心与半径检测，为了准确识别图像中超前钻孔位置，减少图像噪声的干扰，本实施例中使用双边滤波对图像降噪，(双边滤波参数：d＝5，sigmaColor＝100，sigmaSpace＝100)，消除图像噪声的同时有效保留边缘，对降噪的图像使用霍夫梯度法检测图像中的闭合圆形，Canny边缘检测后遍历图像中所有像素点，检测图像中的闭合圆形并记录钻孔圆心像素坐标(a，b)与半径r。
其次，示踪剂标记区域识别，为了准确获得示踪剂标记区域，去除其余颜色影响，将图像转化到HSV颜色空间处理，本实施例使用白色示踪剂，遍历检查图像中所有像素，提取颜色区间(Hmin，Smin，Vmin)＝[0，0，221]，(Hmax，Smax，Vmax)＝[180，30，255]中的所有像素点，图像中提取像素点以外的像素点转换为黑色，完成图像二值化。
S3、对预处理后的所述图像后处理，映射掘进巷道围岩破坏区信息，包括：
掘进巷道围岩破坏区形态：为了直观地以超前钻孔裂隙形态即时映射掘进巷道围岩破坏区形态，对预处理后的图像检索示踪剂标记区域，轮廓检索模式为检测所有轮廓，并重构嵌套轮廓的整个层次，用完整的线条表示轮廓，绘制裂隙形态完整轮廓，以钻孔裂隙轮廓图映射掘进巷道围岩破坏区形态，显示掘进巷道围岩存在的风险区域。
掘进巷道围岩破坏区范围：遍历统计所述图像中示踪剂标记颜色区间内的所有像素点数量，计算与所述图像总像素点数量的比值；
掘进巷道围岩破坏区最大深度：以掘进巷道断面矩形做内切椭圆形，矩形对角线过内切椭圆形的一半弦长与图像钻孔像素半径的比例为映射关系，计算掘进巷道围岩破坏区最大深度公式为：
其中，r为图像钻孔像素半径，(a，b)为图像钻孔圆心像素坐标，m为掘进巷道宽度的二分之一，n为掘进巷道高度的二分之一，Lmax为掘进巷道围岩破坏区最大深度，(x1，y1)为图像裂隙最大深度点坐标。
最后，统一图像格式，将示踪剂标记区域识别后图像调整分辨率为300dpi，以圆心像素坐标(a，b)为中心向四周以3000*3000像素裁剪图像，统一所有图像大小标准与像素点数量。
显然，本发明以相同应力环境下的超前钻孔裂隙形态即时映射掘进巷道围岩破坏区形态，克服了现有技术中难以精确检测掘进巷道围岩破坏区形态的问题，且使用程序自动处理超前钻孔裂隙图像信息，克服了现在技术中采用人力手动或半自动处理图像信息耗时长与容易产生的主观误差的不足，使该即时映射成像方法在工程应用中更准确地为掘进巷道采取针对性的支护措施与灾害风险预估提供支持。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、掘进巷道端头中心钻进超前钻孔，成孔后高压注入示踪剂标记超前钻孔裂隙形态，注浆压力达到初始注浆压力两倍以上时停止注入示踪剂，封孔保存，随着掘进巷道开挖使用矿用相机固定焦距拍摄标记的超前钻孔裂隙形态，获取超前钻孔裂隙图像后即时上传计算机存储；
S2、在计算机图像处理程序对所述图像预处理；
S3、对预处理后的所述图像后处理，映射掘进巷道围岩破坏区信息，包括：
掘进巷道围岩破坏区形态：检测示踪剂标记区域所有轮廓，重构嵌套轮廓的整个层次，绘制超前钻孔裂隙形态轮廓；
掘进巷道围岩破坏区范围：遍历统计所述图像中示踪剂标记颜色区间内的所有像素点数量，计算与所述图像总像素点数量的比值；
掘进巷道围岩破坏区最大深度：以掘进巷道断面矩形做内切椭圆形，矩形对角线过内切椭圆形的一半弦长与图像钻孔像素半径的比例为映射关系，计算掘进巷道围岩破坏区最大深度公式为：
其中，r为图像钻孔像素半径，(a，b)为图像钻孔圆心像素坐标，m为掘进巷道宽度的二分之一，n为掘进巷道高度的二分之一，Lmax为掘进巷道围岩破坏区最大深度，(x1，y1)为图像裂隙最大深度点坐标。
2.根据权利要求1所述的掘进巷道围岩破坏区形态的即时映射成像方法，其特征在于：所述的图像信息预处理包括：超前钻孔圆心与半径检测，记录所述图像圆心像素坐标(a，b)和钻孔像素半径r；示踪剂标记区域识别，提取示踪剂颜色区间中的所有像素点后，将图像二值化；统一图像格式，以圆心像素坐标(a，b)为中心向四周固定像素裁剪图像。
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