专利名称：一种巷道变形的自动实时监测方法
技术领域：
本发明涉及矿压观测及安全监测技术领域，尤其是一种通过实时监测巷道图像的 巷道变形的自动实时监测方法。
背景技术：
在煤矿、隧道等地下岩体工程中，存在大量的巷道，是人员、车辆通行、运输设备、 材料、矿物资源、矸石及通风等的主要通道。采掘活动破坏了煤岩体原有的应力平衡状态， 引起采动空间周围应力的重新分布。当巷道围岩所承受的应力超出其强度后，造成围岩变 形、移动或破坏。巷道变形主要表现为顶板下沉、底臌、片帮、两邦收缩等现象，是由采动导 致的应力重新分布或动力灾害释放能量造成的。巷道变形观测是矿压观测的主要内容，是巷道支护设计、巷道维护及冲击地压、顶 板灾害预防的主要依据。巷道变形观测一般是通过在巷道围岩或支护体表面布设测量点、基准点，通过测 得的测量点间距或测量点与基准点间距变化，来反应巷道变形情况。现有的围岩变形测试 手段及仪器主要有1)机械式。机械式测试仪器的原理是基于机械传动学原理，利用金属构件受力后 产生弹性变形，并通过传动系统放大，由示数装置将数值显示出来。如测杆、测枪等。测杆一般用于巷道和采场顶底板相对移近量的监测，主要由活杆、套管、标尺、弹 簧等组成，活杆在套筒内借助弹簧弹力使测杆稳固地支撑在顶底板基点间，通过活杆上的 固定标尺可以读取两点间距离，与前次测量值比较得相对移近量。测枪用于测量巷道、硐室围岩各个方向的表面相对位移，主要由枪体和测读卷尺 组成，测量时将测尺接头挂在预先安设的测点上，待测枪顶尖触及另一测点，记录下卷尺读 数，与前次测量值比较的相对移近量。机械式测量仪器多为接触式测量，具有成本低、操作简单、受环境干扰小的优点； 但一次测量测点有限，多点测量时工作量大，对生产影响较大，测量结果受人为因素影响较 大，精度低，是间断性测量，实时性差。2)超声波测距法。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知， 测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到 障碍物的实际距离。该方法具有非接触测量的优点，但现有的矿用产品测量精度普遍偏低。3)激光测距法。激光测距法是利用激光对目标的距离进行准确测定，工作时向目 标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到 接收的时间，计算出从激光器到目标的距离。激光测距仪器分为一维激光测距仪、二维激光 测距仪如激光断面检测仪、以及三维激光测距仪如三维激光扫描仪。激光测距法可用于巷 道测点间距离测量、断面轮廓测量等，具有测量精度高、非接触测量的特点，但多测点测量、 多断面测量时，数据量大，测量时间长，因此连续性、实时性较差。4)全站仪、半站仪测量法。全站仪、半站仪是专业的测绘仪器，广泛用于地上大型
3建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测，特别是随着矿用半站仪、全站仪的出现， 该技术也逐渐在巷道变形观测领域得到普及。该方法具有自由设站、灵活性强、非接触测 量、精度高等的特点，但测量仍需人工干预，而且数据采集与数据处理不同步，无法实时在 线监测，对紧急情况无法进行应急处理。5)近景摄影测量法(ZL200810049859)。近景摄影测量是近几年被引入用于巷道 变形观测的技术，它是利用专业量测相机对同一特征部位连续拍摄两张不同角度的相片， 影像处理后获取监测点的三维空间坐标，用不同时刻的坐标值计算监测点的位移。该方法 可以获得测点的绝对位移，具有测量精度高、抗干扰性强、非接触测量的特点，但该方法仍 需人工操作相机，数据采集与数据处理不同步，无法实时在线监测。总之，现有的方法与仪器多需人工干预，观测或读数需要人工操作，自动化程度 低，在灾害严重的巷道段观测时人员安全性差；两次测量有较长的时间间隔，一般是每天测 一次，是间断性观测，无法实现连续监测，因此只能反映两次观测时刻间巷道的变形量，对 非勻速变形、突发变形等情况无法实时反映；一次测量测点有限，只能反映被测点之间的变 形，信息量有限，同步性差；观测工作量大，有时对生产影响较大；测量结果受人为因素影 响较大，精度较低。

发明内容
技术问题本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种通过监测巷 道图像自动、实时、连续、非接触监测巷道变形的自动实时监测方法。技术方案本发明的巷道变形的自动实时监测方法(1)在选择的巷道段内选择至少一个断面，在断面上布设断面标志，断面标志为便 于从图像中识别的带断面序号的断面标志牌；(2)在每个断面上布设多个观测标志点，观测标志点为便于从图像中识别的带观 测点序号的测点标志牌；(3)固定架设矿用摄像探头，朝向被监测巷道段，探头主光轴垂直于被测断面，并 与电源、通讯系统及计算机监测中心连接，显示被监测巷道段的视频图像；(4)观测前，先用标尺测量各断面上各观测标志点之间的初始物方距离Lnu，此时 计算机视频图像上显示为相应的像方距离Inij，得到物方与像方之间比例系数knij = Lnij/
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inij，(5)观测开始后，摄像探头实时采集被测巷道段视频图像，上传至计算机监测中 心，实时显示被测巷道段的图像；(6)计算机监测中心软件自动对视频图像进行实时处理提取断面标志及观测标志点，得到各断面上各观测标志点之间的像方距离，进而 计算出选定统计时间尺度内的相对变形，通过相对变形及相应的物方与像方之间比例系数 kniJ得到绝对变形值；顺序连接同断面上的各观测标志点，自动勾画出巷道断面轮廓，计算巷道断面大 小；(7)在终端计算机上查询显示选定统计时间尺度的相对变形值、绝对变形值和断 面大小及其随时间变化曲线；
当需要了解被测巷道段内其它任意断面的变形时，在终端计算机上人工对被监测 巷道段视屏图像进行查看与处理，统计该断面内任意选定点之间在选定时间段内的相对变 形值及断面的变化。所述的多个观测点至少为四个，观测标志点为四个时分别位于巷道顶部中央、巷 道底部中央、巷道左帮中央及右帮中央；所述的矿用摄像探头为矿用普通可见光探头或矿 用红外探头。有益效果(1)具有监测范围大和实时连续监测的优点，实现对巷道变形的多断面、全断面的 实时、连续和同步监测，监测信息量大，实时性好，能够完整的记录巷道在不同时刻的变形 情况，可实时反映巷道变形情况及预警煤岩动力灾害等，便于及时发现异常情况；可以获得 灾害事故的第一手资料，对灾害鉴定、事故处理有着重要的意义。(2)能对巷道变形进行自动和非接触监测，监测时现场无需人员操作，安全性好， 特别是在高危险情况下仍可通过该方法进行监测；减少工人劳动强度，提高巷道变形监测 和信息利用的自动化水平。(3)利用现有矿井监控网络来实施监测，降低了投入成本，提高了效益，便于实施。(4)能够适应各种煤岩体和支护条件，操作简便，抗干扰性强；应用范围广，功能 性强，可普遍应用于矿压监测及预报、煤岩动力灾害监测及预报，可为矿井支护设计、巷道 维护、顶板灾害防治等提供依据。


附图1是本发明巷道变形的自动实时监测的流程图。附图2是本发明巷道变形的自动实时监测测点布局示意图。图中1、II、III-断面标志牌，①、② ⑧-各断面上的观测标志点。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述本发明巷道变形的自动实时监测方法步骤如下(1)首先根据需求选择要观测变形的巷道段，在该巷道段内选择至少一个断面，如 图2所示为在巷道段内选择了三个断面，为便于从图像中识别，在三个断面上分别设有断 面标志牌I、II、III ；(2)在每个断面上布设多个观测标志点，观测标志点为便于从图像中识别的带观 测点序号的测点标志牌，如观测标志点①、② ⑧等；观测标志点至少为四个，观测标志点 为四个时分别位于巷道顶部中央、巷道底部中央、巷道左帮中央及右帮中央，主要观测巷道 断面在垂直方向和水平方向上的变形；(3)固定架设矿用摄像探头，朝向被监测巷道段，探头主光轴垂直于被测断面，并 与电源、通讯系统及计算机监测中心连接，计算机上显示被监测巷道段的视频图像；矿用摄 像探头为矿用普通可见光探头或矿用红外探头；(4)观测前测量各断面上各观测标志点之间的初始物方距离Lnu (其中下标η为断 面序号，i和j为η断面上观测标志点序号，i Φ j)，此时计算机视频图像上显示为相应的像方距离Inij，得到物方与像方之间比例系数knij = LniJ/lniJ ；(5)观测开始后，摄像探头实时采集被测巷道段视频图像，实时上传至地面监测中 心，实时显示视频图像的变化；(6)计算机监测中心软件自动对视频图像进行实时处理提取断面标志及观测标志点，自动计算出t时刻各断面上各观测标志点之间的 实时像方距离Slnijt，计算出选定统计时间尺度(tl t2)内的相对变形(Slnijtl-Slnijt2)/ Slnutl，正数表示收缩变形；计算出t时刻各断面上各观测标志点之间的实时物方距离SLnijt =sinijt*knij，t = 0时SLnijt = Lnij ；计算出选定统计时间尺度(tl t2)内的绝对变形值 SLnijtl-SLnijt2，正数表示收缩变形；计算机监测中心软件自动顺序连接同断面上的各观测标志点，勾画出巷道断面轮 廓，并计算巷道该断面大小；(7)在终端计算机软件上查询显示出选定统计时间尺度的相对变形值、绝对变形 值和断面大小及其随时间变化曲线；当需要了解被测巷道段内其它任意断面的变形时，在终端计算机上人工对被监测 巷道段视屏图像进行查看与处理，统计该断面内任意选定点之间在选定时间段内的相对变 形值及断面的变化。监测结果可为巷道支护设计、巷道维护及冲击地压、顶板灾害预防提供依据，该方 法具有自动、实时、连续、非接触监测和安全、高效的优点。
权利要求
一种巷道变形的自动实时监测方法，其特征在于包括下列步骤(1)在选择的巷道段内选择至少一个断面，在断面上布设断面标志，断面标志为便于从图像中识别的带断面序号的断面标志牌；(2)在每个断面上布设多个观测标志点，观测标志点为便于从图像中识别的带观测点序号的测点标志牌；(3)固定架设矿用摄像探头，朝向被监测巷道段，探头主光轴垂直于被测断面，并与电源、通讯系统及计算机监测中心连接，显示被监测巷道段的视频图像；(4)观测前，先用标尺测量各断面上各观测标志点之间的初始物方距离Lnij，此时计算机视频图像上显示为相应的像方距离lnij，得到物方与像方之间比例系数knij＝Lnij/lnij；(5)观测开始后，摄像探头实时采集被测巷道段的视频图像，上传至计算机监测中心，实时显示被测巷道段的视频图像；(6)计算机监测中心软件自动对视频图像进行实时处理提取断面标志及观测标志点，得到各断面上各观测标志点之间的像方距离，进而计算出选定统计时间尺度内的相对变形，通过相对变形及相应的物方与像方之间比例系数knij得到绝对变形值；顺序连接同断面上的各观测标志点，自动勾画出巷道断面轮廓，计算巷道断面大小；(7)在终端计算机上查询显示选定统计时间尺度的相对变形值、绝对变形值和断面大小及其随时间变化曲线；当需要了解被测巷道段内其它任意断面的变形时，在终端计算机上人工对被监测巷道段视屏图像进行查看与处理，统计该断面内任意选定点之间在选定时间段内的相对变形值及断面的变化。
2.根据权利要求1所述的巷道变形的自动实时监测方法，其特征在于所述的多个观 测点至少为四个。
3.根据权利要求1所述的巷道变形的自动实时监测方法，其特征在于所述的矿用摄 像探头为矿用普通可见光探头或矿用红外探头。
全文摘要
一种巷道变形的自动实时监测方法，在被测巷道段的选择断面上布设断面标志，在断面上布设多个观测标志点；架设矿用摄像探头，朝向被监测巷道，主光轴垂直于被测断面；观测之前测量各观测点之间的初始真实距离，其在计算机图像上的显示为显示距离；采集被测巷道段的视频图像，在计算机监测中心软件上实时监测图像的变化，并对视频图像进行处理，自动识别断面标志及观测标志点，得到不同统计时间尺度内的相对变形值和绝对变形值；也可计算出巷道断面大小及其变化。该方法具有自动、实时、连续、非接触监测和安全、高效的优点，监测结果可为巷道支护设计、巷道维护及冲击地压、顶板灾害预防提供依据。
文档编号G01C11/36GK101975571SQ20101028686
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者徐剑坤, 王恩元 申请人:中国矿业大学