一种煤矿巷道表面位移在线监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种煤矿巷道表面位移在线监测系统及监测方法，属于煤矿巷道安全监测方法技术领域，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问题。本发明专利技术提供的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；行走结构用于移动激光测距仪，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；处理单元用于处理监测数据；分析单元用于分析各个测点数据。本发明专利技术能够实时连续监测并记录巷道表面位移数据，实现对不规则巷道围岩表面非均匀变形的实时监测。

An on-line monitoring system and method for surface displacement of coal mine roadway

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿巷道表面位移在线监测系统及监测方法
本专利技术涉及煤矿巷道检测装置
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术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。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，同时减小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿巷道表面位移在线监测系统，其特征在于，包括控制单元、处理单元和分析单元；所述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；所述行走结构用于激光测距仪在巷道中移动，所述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；所述激光测距仪用于采集巷道表面变形数据；所述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；/n所述处理单元用于处理数据存储器存储的数据；所述分析单元用于对各个测点数据进行分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤矿巷道表面位移在线监测系统，其特征在于，包括控制单元、处理单元和分析单元；所述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；所述行走结构用于激光测距仪在巷道中移动，所述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；所述激光测距仪用于采集巷道表面变形数据；所述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；
所述处理单元用于处理数据存储器存储的数据；所述分析单元用于对各个测点数据进行分析。


2.根据权利要求1所述煤矿巷道表面位移在线监测系统，其特征在于，所述行走机构包括齿轮与轨道，所述轨道沿巷道顶板中线位置设置，所述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。


3.根据权利要求1所述煤矿巷道表面位移在线监测系统，其特征在于，所述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；所述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。


4.根据权利要求3所述煤矿巷道表面位移在线监测系统，其特征在于，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。


5.根据权利要求4所述的煤矿巷道表面位移在线监测系统，其特征在于，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。


6.根据权利要求5所述煤矿巷道表面位移在线监测系统，其特征在于，所述巷道表面位移在线监测系统还...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚强岭，回新冬，李学华，朱柳，夏泽，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32