[發明專利]基于光纖光柵和三維激光掃描的煤礦工作面片幫監測系統

在審

• 申請號: 201710560966.4
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107367231A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 方新秋;寧耀圣;梁敏富;吳剛;盧海洋;馮裕堂
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01K11/32;G01L1/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種煤礦工作面片幫識別監測系統，特別基于光纖光柵和三維激光掃描的煤礦工作面片幫監測系統。

背景技術

在礦井生產過程中，由于開挖或支護不當，工作面煤壁會發生大面積垮塌造成的傷害事故。當事故即將發生時，如果不提前采取相應的措施，會直接關系到煤礦工人的人身安全以及礦井生產作業的順利進行。因此，為了防止此類事故對井下工人造成人身傷害，就需要對工作面煤壁進行及時監測，以便了解煤壁的穩定狀況，從而避免此類事故的發生，確保井下工作人員的人身財產安全。

目前，我國煤礦井下常用的安全監測裝置抗電磁干擾能力差；同時，井下由于環境惡劣，燈光照明等條件較差，人為讀數誤差較大；傳統監測手段易受電磁干擾和外部環境影響，監測精度不好；不防潮，可靠性低，使用壽命短，不能滿足長期監測的要求。

發明內容

技術問題：本發明的目的是要提供一種抗電磁干擾及外部環境影響能力強，可靠性高，測量精度高同時能夠滿足實時動態監測及可視化監測的基于光纖光柵和三維激光掃描的煤礦工作面片幫監測系統。

技術方案：本發明的目的是這樣實現的：該識別監測系統包括地面數據處理系統、井下數據傳輸系統和井下數據采集系統；地面數據處理系統通過傳輸光纖與井下數據傳輸系統連接；數據傳輸系統通過光纖尾纖與井下數據采集系統連接。

所述的井下數據采集系統包括三維激光掃描點云數據采集子系統和光纖光柵傳感技術采集子系統。

所述的三維激光掃描點云數據采集子系統包括液壓支架及端頭支架頂梁和三維激光掃描儀；在液壓支架及端頭支架頂梁上安裝三維激光掃描儀；三維激光掃描儀的輸出端通過礦用數據線經井下數據傳輸系統與主控計算機連接；三維激光掃描儀將數據傳輸到主控計算機中；所述的三維激光掃描儀包括高頻數字電路元件及角度編碼器組成；高頻數字電路元件記錄激光從光源發射到某個目標表面并反射回來所經歷的往返時間來計算與目標之間的距離；角度編碼器測得激光頭轉過的角度。

所述的角度編碼器包括：旋轉軸、光柵板、發光二極管、棱鏡、固定光柵、光敏管、放大器和電源；旋轉軸通過軸承固定，在旋轉軸上連接有光柵板，有相對應的發光二極管、固定光柵和光敏管，光柵板界于發光二極管和固定光柵之間，光敏管與放大器連接，電源提供能源。

所述的光纖光柵傳感技術采集子系統包括安設在工作面頂板、液壓支架及采空區的多個光纖光柵傳感器。通過安設光纖光柵傳感器測得井下工作面頂板壓力、支架阻力及溫度情況信息；經井下數據傳輸系統通過傳輸光纖傳輸到地面數據處理系統中，經光纖光柵解調儀將地下傳輸上來的數據信號解調，再將解調后的信號傳輸到主控計算機4內，經AA光纖光柵軟件分析處理，處理過后反饋給井下，實現井上對井下動態的實時監測及預警機制。

所述的井下數據傳輸系統包括：三維激光掃描儀、專用礦用數據線、傳輸光纖和多個光纖接線盒；其中光纖接線盒串聯在傳輸光纖上。

所述的地面數據處理系統包括：主控計算機、光纖光柵解調儀、打印機及供電電源；光纖光柵解調儀5與主控計算機的輸入端連接，打印機與主控計算機的輸出端連接，供電電源為主控計算機供電；主控計算機安裝有各種礦山專用數據處理軟件，用于實時分析工作點頂板壓力、支架阻力及工作面溫度，并根據以上數據反演煤壁，頂板圍巖及支架受力狀況，為煤壁片幫機理提供依據；主控計算機中還安裝有專業建模軟件，根據提供的數據生成工作面三維模型；或者將數據導入主控計算機中安裝的SUPAC、DATEMINE專業礦山數據處理軟件中，進行各種數值計算，為煤壁穩定性提供依據。

光纖光柵解調儀與主控計算機連接，實現對數據信號的轉換與傳輸；主控計算機內安裝有井下數據處理及建模軟件，能夠實現對三維數據的成像，生成所測區域的三維圖像；能夠實現對井下工作面頂板壓力、支架阻力和溫度數據的處理；一旦發現異常，能夠及時預警，避免造成不必要的人員傷亡事故。

有益效果：由于采用了上述方案，由于采用了三維激光掃描技術，實現了對工作面空間的三維監測及成像。并通過分析工作面煤壁的變形及井下各測點測得的壓力、支架阻力及溫度情況等數據，能夠做到井下巷道的可視化及片幫災害發生時的及時預警，確保井下工作人員的安全作業。克服了傳統視頻監視比特率低，難以保證煤壁狀況的觀測精度。

實現了抗電磁干擾及外部環境影響能力強，可靠性高，測量精度高同時能夠滿足實時動態監測及可視化監測，達到了本發明的目的。