布乃政 王耀

【摘 要】針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道穩(wěn)定性難以確定的問(wèn)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(duì)巷道周圍巖石的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種基于攝影測(cè)量的礦井巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)儀器。我國(guó)目前有幾十個(gè)礦井，深度超過(guò)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(shí)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(duì)巷道變形的監(jiān)測(cè)。目前，獲得巷道周圍巖石變形的主要方法主要包括用測(cè)帶、點(diǎn)位移儀等進(jìn)行人工測(cè)量。然而，這些方法不僅需要大量的人力、物質(zhì)和財(cái)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(cè)裝置的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的監(jiān)控儀器由兩部分組成：客戶可以將測(cè)量部分用于測(cè)量，測(cè)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(jì)包括硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)：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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(píng)估，目的是求出變形的面積、長(zhǎng)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(cè)儀器

一、研制背景及意義

在很長(zhǎng)一段時(shí)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(cè)是預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)巷道周圍巖石失穩(wěn)和斷裂、支持方法和評(píng)價(jià)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(cè)量方法仍主要是人工測(cè)量方法，如交叉測(cè)量法。測(cè)量精度低，人力消耗大，無(wú)法實(shí)時(shí)獲得巷道周圍地下巖石的變形?；跀z影測(cè)量的礦井巷道周圍巖石變形監(jiān)測(cè)儀器可以實(shí)現(xiàn)礦井周圍巖石的實(shí)時(shí)變形，測(cè)量精度高，勞動(dòng)成本低。

二、設(shè)計(jì)方案

礦井巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)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(gè)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(jí)PID控制，經(jīng)過(guò)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(tái)

減震球搭配云臺(tái)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(shí)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(tái)平穩(wěn)工作，拍攝畫面更清晰。

2.1.2檢測(cè)裝置服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)器的主要功能是驅(qū)動(dòng)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(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶端。已經(jīng)開(kāi)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(jì)

為檢測(cè)巷道圍巖變形，軟件設(shè)計(jì)以檢測(cè)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(dòng)、提取及計(jì)算程序，確定變形的面積信息、長(zhǎng)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(cè)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(jué)感受野辨識(shí)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(lái)。

（3）形態(tài)學(xué)圖像處理：經(jīng)過(guò)上述步驟對(duì)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(píng)估，同時(shí)劃痕處可能還存在邊緣毛刺、內(nèi)部空洞情況主要通過(guò)形態(tài)學(xué)中腐蝕和膨脹等運(yùn)算來(lái)解決。

（4）特征提?。涸紙D像經(jīng)過(guò)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(lái)，此時(shí)便可提取目標(biāo)區(qū)域的面積、周長(zhǎng)、長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)短徑之比等特征參數(shù)。

（5）目標(biāo)識(shí)別與檢測(cè)：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(shí)別分類，并給出最終目標(biāo)區(qū)域的分類識(shí)別結(jié)果。一般而言，特征提取與目標(biāo)識(shí)別與檢測(cè)是同時(shí)進(jìn)行的，提取到的目標(biāo)特征與識(shí)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(shí)別分類，并給出最終目標(biāo)區(qū)域的分類識(shí)別結(jié)果。

針對(duì)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(jì)算→結(jié)果輸出。

三、理論設(shè)計(jì)計(jì)算及工作原理及性能分析

理論設(shè)計(jì)計(jì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)所述巷道內(nèi)的濕度信息;裝載瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，其與所述控制器電連接，用以監(jiān)測(cè)所述巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛刃畔?還包括無(wú)線充電模塊，其與所述控制器電連接，用于對(duì)所述電池模組進(jìn)行無(wú)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(guò)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(cè)高層住宅的裂縫和變形問(wèn)題。檢測(cè)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(shí)，高層住宅的高處裂縫很難被檢測(cè)到，然而裂縫和變形不及時(shí)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(shí)精確檢測(cè)。

（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(cè)工作效率;儀器外部設(shè)有防爆殼，適用于井下危險(xiǎn)的操作環(huán)境。由此可見(jiàn)，本裝置因其具有成本低、檢測(cè)精度高、方便使用等的優(yōu)勢(shì)，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(guó)煤礦監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展水平，對(duì)巖石變形進(jìn)行檢測(cè)。并且進(jìn)行數(shù)據(jù)及可視化分析，以便進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警、圍巖的穩(wěn)定性。該技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中對(duì)被測(cè)量目標(biāo)并不會(huì)產(chǎn)生不良影響，改善了原來(lái)技術(shù)的不足。同時(shí)測(cè)量速度快、使用簡(jiǎn)單，不需要消耗大量的人力和物力資源，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到礦井中人力難以到達(dá)的地方。同時(shí)，它可以根據(jù)未來(lái)的探測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)巖石周圍礦山的變形趨勢(shì)，這確實(shí)保證了煤炭開(kāi)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)）