淺談礦井巷道圍巖變形監(jiān)測儀器的設(shè)計與應(yīng)用

布乃政 王耀

【摘 要】針對復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道穩(wěn)定性難以確定的問題，分析認(rèn)為復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道穩(wěn)定性受到多種因素的影響。為了準(zhǔn)確地把握巷道的穩(wěn)定性，有必要對巷道周圍巖石的變形進(jìn)行監(jiān)測。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計了一種基于攝影測量的礦井巷道圍巖變形監(jiān)測儀器。我國目前有幾十個礦井，深度超過1000米。隨著深部采礦工程的發(fā)展，煤礦事故頻發(fā)，破壞性大，與煤礦有關(guān)的其他災(zāi)害也時有發(fā)生。為了減少煤礦災(zāi)害造成的損失，特別重要的是加強(qiáng)對巷道變形的監(jiān)測。目前，獲得巷道周圍巖石變形的主要方法主要包括用測帶、點(diǎn)位移儀等進(jìn)行人工測量。然而，這些方法不僅需要大量的人力、物質(zhì)和財政資源。資源，但精度不高。因此，礦山巷道周圍巖石變形監(jiān)測裝置的設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計和開發(fā)的監(jiān)控儀器由兩部分組成：客戶可以將測量部分用于測量，測量部分可以放置在底座上，固定在礦車或任何其他平面上。整體設(shè)計包括硬件部分和軟件部分的設(shè)計：硬件部分為監(jiān)控儀器和安裝在其上的高精度攝像機(jī)，目的是完成圖像采集;軟件部分為巷道圍巖變形檢測系統(tǒng)的設(shè)計，流程為①圖片信息采集、②灰度化及圖像增強(qiáng)等預(yù)處理、③二值圖像形態(tài)學(xué)處理去噪、④標(biāo)記缺陷區(qū)域及提取缺陷特征參數(shù)、⑤參數(shù)輸入分類器評估，目的是求出變形的面積、長度、最大寬度、最小寬度及形狀等信息等，并將該缺陷進(jìn)行分類。

【關(guān)鍵詞】礦井巷道;圍巖變形;監(jiān)測儀器

一、研制背景及意義

在很長一段時間內(nèi)，各種類型巷道周圍巖石的變形和不穩(wěn)定，如深而軟的巖石和較大的斷面，嚴(yán)重影響了煤礦和其他地下作業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。由于巷道周圍巖石不穩(wěn)定而造成的屋頂墜落等事故是煤礦事故的主要受害者之一。巷道周圍巖石變形監(jiān)測是預(yù)測和預(yù)測巷道周圍巖石失穩(wěn)和斷裂、支持方法和評價參數(shù)有效性的重要手段。目前，礦井巷道周圍巖石變形的測量方法仍主要是人工測量方法，如交叉測量法。測量精度低，人力消耗大，無法實(shí)時獲得巷道周圍地下巖石的變形。基于攝影測量的礦井巷道周圍巖石變形監(jiān)測儀器可以實(shí)現(xiàn)礦井周圍巖石的實(shí)時變形，測量精度高，勞動成本低。

二、設(shè)計方案

礦井巷道圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)總體流程為：

2.1.1硬件配置

（1）STM32F103--32位ARM微控制器

采用STM32F103微控制器，前后經(jīng)歷了V1.0，V1.1，V1.2，V1.3四個飛控版本的更新驗(yàn)證，IMU慣導(dǎo)采用MPU6050+HMC5883+MS5611傳感器，采用串級PID控制，經(jīng)過下井實(shí)驗(yàn)表明有足夠的魯棒性和控制精度確保在礦井的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）減震球以及云臺

減震球搭配云臺解決了在裝置搭載在礦車中相機(jī)需要面臨的各種復(fù)雜的環(huán)境，能夠拍攝出圖像的真實(shí)信息。

運(yùn)用高性能阻尼材料制作的減震球，其阻尼系數(shù)達(dá)到1.0-1.1，同時減震性比傳統(tǒng)的橡膠和硅膠材料減震球更強(qiáng)，保證云臺平穩(wěn)工作，拍攝畫面更清晰。

2.1.2檢測裝置服務(wù)端設(shè)計

服務(wù)器的主要功能是驅(qū)動攝像機(jī)拍攝周圍巖石表面的變形，建立網(wǎng)絡(luò)套接字等待礦井上的客戶端進(jìn)行連接，地面客戶端連接之后，處理后的數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶端。已經(jīng)開發(fā)出能夠穩(wěn)定運(yùn)行的服務(wù)器程序在這里使用，這是非常實(shí)用和穩(wěn)定的。

2.2軟件設(shè)計

為檢測巷道圍巖變形，軟件設(shè)計以檢測是否存在變形及確定變形參數(shù)信息為主。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)中的數(shù)字圖像增強(qiáng)、自適應(yīng)閾值圖像分割及形態(tài)學(xué)圖像處理，使用Matlab軟件編寫表面位移及巖層移動、提取及計算程序，確定變形的面積信息、長度信息、最大寬度信息、最小寬度信息及形狀信息。將變形進(jìn)行分類以確定變形的危害性大小，以此實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形的檢測工作。

（1）圖像增強(qiáng)：圖像增強(qiáng)的目的是為了提高人眼視覺感受野辨識圖像的清晰度，有目的地將圖像中感興趣的部分從背景圖中突出或使得原圖像變得更加清晰。

（2）圖像分割：圖像分割是將數(shù)字圖像按照一定的準(zhǔn)則將感興趣的部分或是目標(biāo)部分從增強(qiáng)的圖像中分離出來。

（3）形態(tài)學(xué)圖像處理：經(jīng)過上述步驟對圖像進(jìn)行閾值分割后，二值圖像中仍然不可避免存在著雜點(diǎn)，這些雜點(diǎn)較劃痕離散分布且占有較小，影響后期圍巖變形評估，同時劃痕處可能還存在邊緣毛刺、內(nèi)部空洞情況主要通過形態(tài)學(xué)中腐蝕和膨脹等運(yùn)算來解決。

（4）特征提取：原始圖像經(jīng)過上述步驟處理后，二值圖像中目標(biāo)區(qū)域便從圖像中分割分離出來，此時便可提取目標(biāo)區(qū)域的面積、周長、長度、寬度及長短徑之比等特征參數(shù)。

（5）目標(biāo)識別與檢測：將特征提取得到的目標(biāo)區(qū)域特征參數(shù)按照相應(yīng)的模式識別分類，并給出最終目標(biāo)區(qū)域的分類識別結(jié)果。一般而言，特征提取與目標(biāo)識別與檢測是同時進(jìn)行的，提取到的目標(biāo)特征與識別結(jié)果便可用于最終目標(biāo)物的定性和定量描述。將特征提取得到的目標(biāo)區(qū)域特征參數(shù)按照相應(yīng)的模式識別分類，并給出最終目標(biāo)區(qū)域的分類識別結(jié)果。

針對巷道圍巖變形缺陷，圖像的按序處理流程為：原始圖像→圖像灰度化→空間濾波→圖像增強(qiáng)→圖像分割→形態(tài)學(xué)重建→缺陷特征提取→缺陷特征計算→結(jié)果輸出。

三、理論設(shè)計計算及工作原理及性能分析

理論設(shè)計計算包含線性灰度變換、平滑去噪、形態(tài)學(xué)圖像處理。煤礦井下巷道狹小，黑暗，數(shù)字?jǐn)z影機(jī)拍攝的目標(biāo)圖像一般均是比較昏暗，若采用原始的圖像直接進(jìn)行圖像內(nèi)測量標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)的提取較為困難，因此需要進(jìn)行預(yù)先的處理，以增加拍攝的圖像清晰度及標(biāo)志點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

四、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）該監(jiān)測設(shè)備上裝載有溫度傳感器，其與所述控制器相連，用以監(jiān)測所述巷道內(nèi)的溫度信息;包括濕度傳感器，其與所述控制器電連接，用以監(jiān)測所述巷道內(nèi)的濕度信息;裝載瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎渑c所述控制器電連接，用以監(jiān)測所述巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛刃畔?還包括無線充電模塊，其與所述控制器電連接，用于對所述電池模組進(jìn)行無線充電。

（2）利用分段線性灰度增強(qiáng)技術(shù)，提高圖像清晰度并突出圖像中感興趣的目標(biāo)。

（3）提出形態(tài)學(xué)圖像處理與自適應(yīng)閾值的圖像分割相結(jié)合的技術(shù)，通過閾值分割的辦法獲取巷道圍巖變形、位移偏量，從而有效獲取巷道圍巖中的各種標(biāo)志缺陷。

（4）該設(shè)備可以推廣到檢測高層住宅的裂縫和變形問題。檢測裝置應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，可以在不同天氣不同季節(jié)進(jìn)行全天候的工作。同時，高層住宅的高處裂縫很難被檢測到，然而裂縫和變形不及時進(jìn)行控制容易威脅到人的生命安全，可以利用該設(shè)備進(jìn)行及時精確檢測。

（5）裝置核心部分為攝像頭部分，其應(yīng)用 Sirovision 系統(tǒng)建立巖體表面三維模型，儀器方便快捷易操作，極大地提高監(jiān)測工作效率;儀器外部設(shè)有防爆殼，適用于井下危險的操作環(huán)境。由此可見，本裝置因其具有成本低、檢測精度高、方便使用等的優(yōu)勢，可創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)論

綜上所述。根據(jù)我國煤礦監(jiān)測和監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展水平，對巖石變形進(jìn)行檢測。并且進(jìn)行數(shù)據(jù)及可視化分析，以便進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警、圍巖的穩(wěn)定性。該技術(shù)在測量過程中對被測量目標(biāo)并不會產(chǎn)生不良影響，改善了原來技術(shù)的不足。同時測量速度快、使用簡單，不需要消耗大量的人力和物力資源，能夠準(zhǔn)確地探測到礦井中人力難以到達(dá)的地方。同時，它可以根據(jù)未來的探測數(shù)據(jù)預(yù)測未來巖石周圍礦山的變形趨勢，這確實(shí)保證了煤炭開采的安全、穩(wěn)定。

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（作者單位：山東科技大學(xué)泰安校區(qū)）