一种煤矿巷道表面位移在线监测系统及监测方法与流程

本发明涉及煤矿巷道检测装置技术领域，尤其涉及一种煤矿巷道表面位移在线监测系统及监测方法。

背景技术：

在煤矿开挖的过程中存在着很多安全隐患，其中煤矿巷道的安全就是其中之一，煤矿巷道的安全直接影响到了煤矿开采工作能够进行，一旦煤矿巷道存在安全隐患，其后果也是不堪设想，所以在煤矿开采的过程中要实时监测煤矿巷道的安全与否，目前的一些监测设备还不能实时的准确的对巷道做出监测。

巷道表面位移是最基本的巷道矿压监测内容，包括顶板下沉量、底鼓量及单帮位移量，根据监测结果，可绘制位移量、位移速度随掘进工作面和时间的关系曲线，分析巷道围岩变形规律，对评价巷道围岩稳定性和支护效果具有重要参考依据。传统的巷道表面位移监测方法主要有钢卷尺监测法、测杆监测法、测枪监测法、收敛计监测法等。上述几种监测法测量方便，能够满足一般测量精度的要求，应用比较广泛。

但上述几种测量法都属于接触式测量法，在煤岩体比较松软的巷道中监测测点布置繁琐，随着巷道断截面的增大，测量误差也会增大，且不能实现连续监测记录巷道表面位移的效果，效率低，劳动强度高。

而现有的一些基于激光测距原理的非接触式巷道表面位移监测方法主要存在下面几个方面的问题：不能保证每次激光测距仪每次投射激光到所布置的测点都在同一位置，测量误差大；在监测巷道两帮位移时，只能监测两帮移近量，而不能监测单帮变形量；布置顶板监测基点时没有采用深锚的方法，不能保证顶板测点不变形，不能准确监测顶板下沉量及底鼓量；不能实时连续监测并记录巷道表面位移。

考虑到工程中的巷道受地应力、岩性等多种因素影响，通常情况下初始断面形状、不平整度差异较大，且围岩表面为非均匀变形。传统方法受限于测点位置的影响；如十字观测法，只能针对某一巷道断面的某个测点进行测量，无法测出巷道围岩的整体变形量，更无法测出不规则巷道围岩的整体变形量，且在测量过程中容易出现工人记录数据不及时和精度不高而导致数据分析不准确的问题。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种煤矿巷道表面位移在线监测系统及监测方法，用以解决现有巷道表面位移监测方法测量误差大、无法巷道整体测量及数据分析不准确的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明公开了一种煤矿巷道表面位移在线监测系统，包括控制单元、处理单元和分析单元；控制单元包括行走机构、转动机构、激光测距仪、数据存储器、控制芯片和数据传导线；行走结构用于激光测距仪在巷道中移动，转动机构用于控制激光测距仪沿煤矿巷道断截面进行360°旋转；激光测距仪用于采集巷道表面变形数据；数据存储器用于存储巷道表面变形数据，并通过数据传导线传输到计算机中；处理单元用于处理数据存储器存储的数据；分析单元用于对各个测点数据进行分析。

在一种可能的设计中，行走机构包括齿轮与轨道，轨道沿巷道顶板中线位置设置，齿轮上设置的激光测距仪射出的光线与巷道顶板中线垂直。

在一种可能的设计中，巷道表面变形数据包括测点位置、监测时间及巷道表面位移量l；处理单元用于对煤矿巷道变形数据进行分析筛选形成数据库，根据数据库建立各个测点的3d空间立体巷道断截面模型。

在一种可能的设计中，将巷道断截面划分为若干个块体，通过激光测距仪每次转动角度θ计算各个块体的面积，激光测距仪针对nθ和(n+1)θ角度间扫过的面积进行计算：

其中，sn为激光测距仪第n次转动所扫过面积；ln为激光测距仪第n次转动所测量与巷道表面围岩之间的距离；ln+1为激光测距仪第n+1次转动所测量与巷道表面围岩之间的距离；θ为激光测距仪每次转动的角度。

在一种可能的设计中，某巷道断截面的巷道表面变形量sa的计算方式为：

sa＝(s1+s2+…+sn)-sb

其中，sa为某巷道断截面的巷道表面变形量；sb为巷道断截面的初始面积。

在一种可能的设计中，巷道表面位移在线监测系统还包括预警单元，预警单元包括巷道表面位移量预警和巷道表面变形量预警；当巷道表面位移量或巷道表面变形量超过设定值后，报警器发出报警信号。

在一种可能的设计中，预警单元还包括巷道断截面整体变形面积预警和某一区段变形面积预警。

在一种可能的设计中，转动机构通过控制芯片控制激光测距仪沿巷道断截面360°旋转。

另一方面，本发明还公开了一种煤矿巷道表面位移在线监测及预警方法，采用上述的煤矿巷道表面位移在线监测系统，该方法包括以下步骤：

步骤1、在巷道顶板中线位置架设轨道，激光测距仪射出的光线与巷道的中线垂直，确定激光测距仪的旋转角度θ和移动距离a，确定各个巷道断截面并将各个巷道断截面分成若干个块体；

步骤2、开启激光测距仪，通过控制单元使激光测距仪按照设定旋转角度θ旋转360°，记录激光测距仪测定的数据并将数据保存至数据存储器；将激光测距仪在巷道断截面上沿设定方向移动l，再次启动激光测距仪，记录该测点位置的激光测距仪旋转360°的测定数据，并保存至数据存储器；

步骤3、将激光测距仪沿着轨道移动，每次移动距离为a，然后重复步骤2；

步骤4、针对激光测距仪在不同巷道断截面及巷道断截面上不同位置、不同角度的测定数据建立监测数据库，根据监测数据库构建巷道监测系统3d模型图，计算不同位置的巷道表面位移量及巷道表面变形量；

步骤5、当巷道表面位移量、巷道表面变形量、巷道断截面整体变形面积和某一区段变形面积超过设定值后，报警器发出报警信号。

进一步地，在步骤5中，对于巷道表面位移量预警，当所监测巷道表面位移数据超过设定值后预警单元发出报警信号；对于巷道表面变形量预警，当针对不同块体内巷道变形面积进行计算，某一块体变形面积超过设定值后预警单元发出报警信号；针对巷道断面整体变形面积预警，当将块体所有变形面积进行累计相加，变形超过设定值后预警单元发出报警信号；针对某一区段位置变形面积预警，某一区段位置激光测距仪连续旋转角度内巷道表面位移发生变化，当变形面积超过设定值后预警单元发出报警信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

(1)本申请采用非接触式巷道表面位移监测装置，通过在巷道顶板中线位置布置行走机构，并通过行走机构移动激光测距仪，即能够保证激光测距仪每次投射激光点与所布置的测点在同一位置，减小测量误差；本申请能够监测巷道各个断面的变形，进而实现整体测量；在监测巷道两帮位移时，除了能够监测两帮位移量，本申请还能够以顶板激光测距仪为基点或参照，计算单帮位移量。

(2)本申请通过采用控制芯片控制激光测量仪进行360°周向转动，利用激光测距仪对巷道断截面的不同位置、不同角度近距离观测巷道，观测获得的巷道表面变形数据利用sd储存卡经过数字化的短暂储存后，利用数据传导线传输至计算机中，实现实时连续监测并记录巷道表面位移数据，数据记录及时且精度高，最终实现对围岩变形无损、非接触式监测。

(3)本申请在精确获取巷道断截面各方向变形量的基础上，实现自动调整测量采样的空间距离、不规则巷道围岩表面非均匀变形的实时监测功能，同时减小外界环境对测量装置的影响、降低测量成本等，对于岩体工程支护及开采活动的安全有效进行都具有极其重要的研究和工程意义。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施1中巷道断截面上在线检测系统安装主意图；

图2为本发明实施1中巷道断截面上在线检测系统安装俯视图；

图3为本发明实施1中巷道断截面分块模型示意图；

图4为图3中a的放大图；

图5为本发明实施1中监测与预警单元的工作流程图。

附图标记：

1-第一块体；2-第二块体；3-第三块体；4-第四块体；5-第五块体；6-第六块体；7-第七块体；8-第八块体；9-第九块体；10-第十块体；11-第十一块体；12-第十二块体；13-第十三块体；14-第十四块体；15-第十五块体；16-第十六块体；17-导轨；18-监测巷道断截面；19-激光测距仪。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种煤矿巷道表面位移在线监测及预警系统，如图1至图5所示，包括控制单元z1、处理单元z2、分析单元z3和预警单元z4；控制单元包括行走机构、转动机构、激光测距仪19、数据存储器、控制芯片和数据传导线；行走结构用于激光测距仪19在巷道中移动，转动机构用于控制激光测距仪19沿煤矿巷道断截面进行360°旋转；激光测距仪19用于采集巷道表面变形数据；数据存储器用于存储巷道表面变形数据，并通过数据传导线传输到计算机中；处理单元用于处理数据存储器存储的数据；分析单元用于对各个测点数据进行分析。

具体地，本发明的控制单元包括转动机构、激光测距仪19、数据存储器(例如sd储存卡)、控制芯片、数据传导线；其中，行走机构用于移动激光测距仪19在巷道内移动，转动机构通过控制芯片控制激光测距仪19沿着整个巷道断截面进行360°旋转，设每次转动角度为θ，θ的大小可通过控制单元进行调节；利用激光测距仪19对不同位置、不同角度的巷道近距离观测，观测获得的巷道表面变形数据利用sd储存卡经过数字化的短暂储存后，利用数据传导线传输至计算机中；处理单元用于处理数据存储器存储的数据；激光测距仪19分析单元用于对各个测点数据进行分析。

与现有技术相比，本申请采用非接触式巷道表面位移监测装置，通过在巷道顶板中线位置布置行走机构，并通过行走机构移动激光测距仪19，即能够保证激光测距仪19每次投射激光点与所布置的测点在同一位置，减小测量误差；本申请能够监测巷道各个断面的变形，进而实现整体测量；在监测巷道两帮位移时，除了能够监测两帮位移量，本申请还能够以顶板激光测距仪19为基点或参照，计算单帮位移量；另外，本申请通过利用激光测距仪19对不同位置、不同角度的巷道近距离观测，观测获得的巷道表面变形数据利用sd储存卡经过数字化的短暂储存后，利用数据传导线传输至计算机中，实现实时连续监测并记录巷道表面位移数据，数据记录及时且精度高；综上，本申请在精确获取巷道断截面各方向变形量的基础上，实现自动调整测量采样的空间距离、不规则巷道围岩表面非均匀变形的实时监测等功能，同时减小外界环境对测量装置的影响、降低测量成本等，对于岩体工程支护及开采活动的安全有效进行都具有极其重要的研究和工程意义。

需要说明的是，由于激光测距仪19只能实现对距离的观测，为了使激光测距仪19能够沿整个巷道断截面进行360°旋转，本发明对控制芯片进行了编程设计，通过该控制芯片进而控制转动机构，而转动机构能够带动激光测距仪19沿整个巷道断截面进行360°旋转，控制芯片提前编好程序，置于激光测距仪19旁边或通过计算机来实现。

为了减小测量误差，保证每次激光测距仪19每次投射激光点到所布置的测点都在同一位置，本申请的行走机构包括齿轮与导轨，导轨沿巷道顶板中线位置设置，齿轮上设置的激光测距仪19射出的光线与巷道顶板中线垂直。

具体地，本申请的导轨沿着巷道顶板中线位置布置，齿轮设于导轨上并可沿导轨进行移动，进而带动设于齿轮上的激光测距仪19进行移动，以实现激光测距仪19对不同位置的巷道围岩移近量进行检测，激光测距仪19每次移动距离a，a的数值可通过控制芯片进行调节，控制芯片能够通过程序与代码设计，实现移动距离和移动角度的调节。需要注意的是，本申请提供的巷道表面位移监测装置适用于不同断面巷道，本申请仅以矩形巷道为例，本申请所述均默认为巷道断截面为矩形。

为了实现巷道表面变形数据的实时连续监测，本申请的巷道表面变形数据包括各个测点空间位置、坐标位置、监测时间及巷道表面位移；处理单元用于对煤矿巷道变形数据进行分析筛选，将筛选后数据进行数字化处理，形成数字化模块，根据导出监测的围岩变形数据对各个测点变形进行分析，利用3dgms软件绘制出巷道断截面各个测点的3d空间立体巷道断截面模型。

具体地，本申请通过将sd存储卡内的巷道表面变形数据导入到处理单元中，处理单元将那些错误数据或误差较大的数据删除掉，处理单元首先会对这部分数据进行筛选处理，然后针对符合要求的数据，通过三维处理技术、3d空间模型按照采集监测数据计算围岩空间坐标，形成3d空间立体巷道断截面模型。

为了分析处理单元产生的数据，通过计算机编程设计分析单元，分析单元通过导出监测的围岩变形数据对各个测点变形进行分析，将巷道断截面划分为若干个块体，对各块体围岩变形进行综合处理分析，激光测距仪19针对nθ和(n+1)θ角度间扫过的面积进行计算：

其中，sn-激光测距仪19第n次转动所扫过面积；

ln为激光测距仪第n次转动所测量与巷道表面围岩之间的距离；

ln+1-为激光测距仪第n+1次转动所测量与巷道表面围岩之间的距离；

θ-激光测距仪19每次转动的角度。

sa＝(s1+s2+…+sn)-sb

其中，sa为巷道中某一断截面的巷道变形量；sb为巷道断截面的初始面积。

某巷道断截面的巷道表面变形量sa的计算方式为：

sa＝(s1+s2+…+sn)-sb

其中，sa为某巷道断截面的巷道表面变形量；sb为巷道断截面的初始面积。

具体地，将巷道断截面分为若16个块体，其中，第一块体1、第二块体2、第三块体3和第四块体4为巷道顶板变形评价块体；第五块体5、第‘六块体6、第七块体7和第八块体8为巷道右帮变形评价块体；第九块体9、第十块体10、第十一块体11和第十二块体12为巷道底板变形评价块体；第十三块体13、第十四块体14、第十五块体15和第十六块体16为巷道左帮变形评价块体，针对不同块体下结合巷道表面位移量l与巷道表面变形面积进行综合性分析评价，精准确定巷道变形量。

为了保证巷道正常使用，本申请的巷道表面位移监测系统还包括预警单元，预警单元包括报警器，针对巷道围岩变形进行处理后，针对巷道表面位移变化与巷道表面变形面积进行综合性的评判，在超过设定红色警戒范围内发出报警信号，保证巷道正常使用与危险性评判预测。

针对巷道表面位移量、巷道表面变形量设置预警值，所设预警值主要包括四个预警值，其中，第一预警值为巷道表面位移量预警，第二预警值为巷道表面变形量预警，第三预警值为巷道断截面整体变形面积预警，第四预警值为某一区段变形面积预警；所述步骤5中，对于巷道表面位移量预警，当所监测巷道表面位移数据超过设定值后预警单元发出报警信号；对于巷道表面变形量预警，当针对不同块体内巷道变形面积进行计算，某一块体变形面积超过设定值后预警单元发出报警信号；针对巷道断面整体变形面积预警，当将所述块体所有变形面积进行累计相加，变形超过设定值后预警单元发出报警信号；针对某一区段位置变形面积预警，某一区段位置激光测距仪19连续旋转角度内巷道表面位移发生变化，当变形面积超过设定值后预警单元发出报警信号。

需要说明的是，上述四个预警值中只要其中一个超过预设值，预警单元就会发出报警信号。

实施例2

本实施例提供了一种煤矿巷道表面位移在线监测方法，采用实施例1提供的煤矿巷道表面位移在线监测系统，该监测方法包括以下步骤：

步骤1、选择目标巷道，在该巷道顶板中线位置架设导轨，激光测距仪19利用该导轨在巷道内移动；在巷道中线位置的激光测距仪19调整后射出的光线与巷道中线垂直，在控制单元中设置监测参数，确定激光测距仪19的旋转角度θ和移动距离a，测定不同时间、不同角度和不同位置的测点数据并建立监测数据库，利用该监测数据库内的监测数据建立巷道监测系统3d模型图；

步骤2、再次开启激光检测仪，控制单元z1主要通过控制芯片对电源、行走机构、转动机构和激光测距仪19进行控制，确定测点的空间位置、坐标位置和监测时间等表面位移数据并储存于sd储存卡内，在控制单元z1作用下，按照固定旋转角度保持激光测距仪19旋转，在旋转后启动激光测距仪19，记录观测到的巷道表面位移数据l，并记录该各个测点位置旋转360°对应的数据，将其记录并存入sd储存卡；

步骤3、将激光测距仪19沿着轨道17进行移动，每次移动距离为a(a通过控制单元进行提前设定)，然后重复进行上述步骤；

步骤4、数据处理与分析

将sd存储卡内的监测数据进行筛选处理，将数据利用数据传导线传输于处理单元z2，通过三维处理技术、3d空间模型按照采集监测数据计算围岩空间坐标，形成3d空间立体巷道断截面模型；将所得处理数据经由分析单元z3，对巷道的空间坐标表面移近量进行处理，并且将监测巷道断截面18划分为第一块体1至第十六块体16，针对nθ和(n+1)θ角度间激光测测距仪扫过面积进行计算：

sn——激光测距仪19第n次转动所扫过面积；

ln——激光测距仪19第n次转动与巷道表面围岩距离；

ln+1——激光测距仪19第n+1次转动与巷道表面围岩距离；

θ——激光测距仪19每次转动的角度；n为激光测距仪19的转动次数。

需要说明的是，在图3和图4中，将巷道断截面分为若干个块体，其中，第一块体1、第二块体2、第三块体3和第四块体4为巷道顶板变形评价块体；第五块体5、第‘六块体6、第七块体7和第八块体8为巷道右帮变形评价块体；第九块体9、第十块体10、第十一块体11和第十二块体12为巷道底板变形评价块体；第十三块体13、第十四块体14、第十五块体15和第十六块体16为巷道左帮变形评价块体；待巷道断截面块体划分后，针对不同块体并结合表面位移与变形面积进行综合性分析评价，精准确定巷道变形量。

步骤5、数据预警处理

针对巷道表面位移量、巷道表面变形量设置预警值，所设预警值主要包括四个预警值；其中，第一预警值为巷道表面位移量预警，第二预警值为巷道表面变形量预警，第三预警值为巷道断截面整体变形面积预警，第四预警值为某一区段变形面积预警；对于巷道表面位移量预警，当所监测巷道表面位移数据超过设定值后系统会自动报警；对于巷道表面变形量预警，当针对不同块体内巷道变形面积进行计算，某一块体变形面积超过设定值后系统会自动报警；针对巷道断截面整体变形面积预警，当将所述块体所有变形面积进行累计相加，变形超过设定值后系统会自动报警；针对某一区段变形面积预警，某一区段位置激光测距仪19连续旋转角度内巷道表面位移发生变化，当变形面积超过设定值后系统会自动报警，需要说明的是，上述四个预警值中只要其中一个超过预设值，系统就会自动报警。

综上，本发明提供的巷道表面位移在线监测方法具有非接触式、精度高、连续监测的特点，在精确获取巷道断截面各方向变形量的基础上，能够实现自动调整测量采样的空间距离、不规则巷道围岩表面非均匀变形的实时监测功能，本发明对于岩体工程支护及开采活动的安全有效进行都具有极其重要的研究和工程意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。