淺談礦井巷道圍巖變形監測儀器的設計與應用

布乃政 王耀

【摘 要】針對復雜地質條件下巷道穩定性難以確定的問題，分析認為復雜地質條件下巷道穩定性受到多種因素的影響。為了準確地把握巷道的穩定性，有必要對巷道周圍巖石的變形進行監測。通過實驗設計了一種基于攝影測量的礦井巷道圍巖變形監測儀器。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展，煤礦事故頻發，破壞性大，與煤礦有關的其他災害也時有發生。為了減少煤礦災害造成的損失，特別重要的是加強對巷道變形的監測。目前，獲得巷道周圍巖石變形的主要方法主要包括用測帶、點位移儀等進行人工測量。然而，這些方法不僅需要大量的人力、物質和財政資源。資源，但精度不高。因此，礦山巷道周圍巖石變形監測裝置的設計起著至關重要的作用。設計和開發的監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。整體設計包括硬件部分和軟件部分的設計：硬件部分為監控儀器和安裝在其上的高精度攝像機，目的是完成圖像采集;軟件部分為巷道圍巖變形檢測系統的設計，流程為①圖片信息采集、②灰度化及圖像增強等預處理、③二值圖像形態學處理去噪、④標記缺陷區域及提取缺陷特征參數、⑤參數輸入分類器評估，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，并將該缺陷進行分類。

【關鍵詞】礦井巷道;圍巖變形;監測儀器

一、研制背景及意義

在很長一段時間內，各種類型巷道周圍巖石的變形和不穩定，如深而軟的巖石和較大的斷面，嚴重影響了煤礦和其他地下作業的安全生產和經濟效益。由于巷道周圍巖石不穩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測是預測和預測巷道周圍巖石失穩和斷裂、支持方法和評價參數有效性的重要手段。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測儀器可以實現礦井周圍巖石的實時變形，測量精度高，勞動成本低。

二、設計方案

礦井巷道圍巖變形監測系統總體流程為：

2.1.1硬件配置

（1）STM32F103--32位ARM微控制器

采用STM32F103微控制器，前后經歷了V1.0，V1.1，V1.2，V1.3四個飛控版本的更新驗證，IMU慣導采用MPU6050+HMC5883+MS5611傳感器，采用串級PID控制，經過下井實驗表明有足夠的魯棒性和控制精度確保在礦井的惡劣環境下穩定運行。

（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需要面臨的各種復雜的環境，能夠拍攝出圖像的真實信息。

運用高性能阻尼材料制作的減震球，其阻尼系數達到1.0-1.1，同時減震性比傳統的橡膠和硅膠材料減震球更強，保證云臺平穩工作，拍攝畫面更清晰。

2.1.2檢測裝置服務端設計

服務器的主要功能是驅動攝像機拍攝周圍巖石表面的變形，建立網絡套接字等待礦井上的客戶端進行連接，地面客戶端連接之后，處理后的數據將通過網絡發送給客戶端。已經開發出能夠穩定運行的服務器程序在這里使用，這是非常實用和穩定的。

2.2軟件設計

為檢測巷道圍巖變形，軟件設計以檢測是否存在變形及確定變形參數信息為主。利用數字圖像處理技術中的數字圖像增強、自適應閾值圖像分割及形態學圖像處理，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。將變形進行分類以確定變形的危害性大小，以此實現巷道圍巖變形的檢測工作。

（1）圖像增強：圖像增強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：圖像分割是將數字圖像按照一定的準則將感興趣的部分或是目標部分從增強的圖像中分離出來。

（3）形態學圖像處理：經過上述步驟對圖像進行閾值分割后，二值圖像中仍然不可避免存在著雜點，這些雜點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、內部空洞情況主要通過形態學中腐蝕和膨脹等運算來解決。

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

（5）目標識別與檢測：將特征提取得到的目標區域特征參數按照相應的模式識別分類，并給出最終目標區域的分類識別結果。一般而言，特征提取與目標識別與檢測是同時進行的，提取到的目標特征與識別結果便可用于最終目標物的定性和定量描述。將特征提取得到的目標區域特征參數按照相應的模式識別分類，并給出最終目標區域的分類識別結果。

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→圖像分割→形態學重建→缺陷特征提取→缺陷特征計算→結果輸出。

三、理論設計計算及工作原理及性能分析

理論設計計算包含線性灰度變換、平滑去噪、形態學圖像處理。煤礦井下巷道狹小，黑暗，數字攝影機拍攝的目標圖像一般均是比較昏暗，若采用原始的圖像直接進行圖像內測量標志點坐標的提取較為困難，因此需要進行預先的處理，以增加拍攝的圖像清晰度及標志點的精確坐標。

四、創新點及應用

4.1 創新點

（1）該監測設備上裝載有溫度傳感器，其與所述控制器相連，用以監測所述巷道內的溫度信息;包括濕度傳感器，其與所述控制器電連接，用以監測所述巷道內的濕度信息;裝載瓦斯濃度傳感器，其與所述控制器電連接，用以監測所述巷道內的瓦斯濃度信息;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行無線充電。

（2）利用分段線性灰度增強技術，提高圖像清晰度并突出圖像中感興趣的目標。

（3）提出形態學圖像處理與自適應閾值的圖像分割相結合的技術，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志缺陷。

（4）該設備可以推廣到檢測高層住宅的裂縫和變形問題。檢測裝置應用領域十分廣闊，可以在不同天氣不同季節進行全天候的工作。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行控制容易威脅到人的生命安全，可以利用該設備進行及時精確檢測。

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

五、結論

綜上所述。根據我國煤礦監測和監測設備的發展水平，對巖石變形進行檢測。并且進行數據及可視化分析，以便進行監測和預警、圍巖的穩定性。該技術在測量過程中對被測量目標并不會產生不良影響，改善了原來技術的不足。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，能夠準確地探測到礦井中人力難以到達的地方。同時，它可以根據未來的探測數據預測未來巖石周圍礦山的變形趨勢，這確實保證了煤炭開采的安全、穩定。

參考文獻：

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（作者單位：山東科技大學泰安校區）