一种超声波探测为主体的多功能裂隙监测装置及方法

本发明属于巷道围岩监测，尤其涉及一种超声波探测为主体的多功能裂隙监测装置及其控制方法。

背景技术：

1、对于地下岩体工程而言，如矿业工程领域，井下巷道采掘完毕后，巷道周围将会出现不同程度的松动破坏，并产生松动圈。松动圈内往往含有大量发育程度不一的裂隙，而松动圈裂隙的发育形态、大小及数量恰恰是井下巷道后期支护设计的关键基础参数。关于井下松动圈裂隙的探测，现主要采用的是钻孔窥视结合视频成像的监测技术，即通过对钻孔内壁表面的裂隙形态、大小与数量进行人为观察与主观判断。

2、然而，该监测方法具有一定的局限性。由于该方法往往只能得到的钻孔内壁表面的裂隙平面图，对于裂隙的延展程度及其贯通性无法给出准确判断与评价。另外，由于井下多重不可控因素，拍摄得到的图像甚至会出现模糊不清的情况，这就进一步地加大了人为观测并判断松动圈裂隙的难度。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前钻孔窥视结合视频成像的监测技术只能得到钻孔内壁表面的裂隙平面图，对于裂隙的延展程度及其贯通性无法给出准确判断与评价；其主要原因是井下或井上存在多重不可控因素，包括但不仅限于松动圈孔壁渗水、孔壁内残留煤岩体碎屑及观测人员探测经验等，这些因素都将导致拍摄到的图像出现模糊不清的情况，这将加大人为观测并判断松动圈裂隙的难度。本方案可以通过以超声波监测松动圈裂隙的为主，高清摄像头监测松动圈内壁及高锰酸钾纸的裂隙特征为辅的技术手段，解决井下观测媒介单一化的缺陷，弥补松动圈裂隙整体发育特征观测的空白，提高裂隙观测的精密度与准确性。

4、本发明装置创新性地通过以超声波监测为主要监测手段，辅以摄像监测与高猛酸钾纸复印监测，通过高清摄像头拍摄监测到的松动圈内壁和高猛酸钾纸的裂隙特征通过智能分析与处理，整合得到松动圈内部平面物理模型数据，并将其与超声波监测单元监测得到的立体物理模型数据进行结合并导出，使松动圈半径范围内的三维裂隙分布图像直观的呈现于面前，为巷道支护参数的确定提供技术支持。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种超声波探测为主体的多功能裂隙监测装置及其控制方法，所述技术方案如下：

2、本发明是这样实现的，超声波探测为主体的多功能裂隙监测装置，包括：

3、摄像监测单元，用于监测并记录高清摄像头拍摄到的松动圈裂隙的图像与视频；

4、超声波监测单元，用于监测并记录超声波发射、反射回来的强弱数据变化；

5、伸缩-复印监测单元，用于采集高清摄像头监测并记录高猛酸钾纸上的裂隙显色图像及视频数据；

6、传输单元，用于传输实时监测的数据；

7、整合处理单元，用于整合处理三种监测单元监测得到的数据，导出可视化的松动圈半径范围内的三维裂隙分布图像模型。

8、进一步，所述摄像监测单元为拍摄记录系统，该拍摄记录系统包括玻璃罩、辅助探头灯和高清摄像头；其中，玻璃罩用于防止辅助探头灯与高清摄像头在裂隙监测的过程中受到损伤或破坏，辅助探头灯用于为拍摄记录提供灯光，方便监测中与监测后的查看与记录。

9、进一步，所述超声波监测单元包括超声波发射器、超声波接收器和数据处理芯片；其中，超声波发射器用于将电能转换为超声波向四周进行发射，超声波接收器用于将反射回来的超声波转换为电能，数据处理芯片用于整体控制超声发射-接收的过程，并将监测到的超声波强落差进行数据处理；

10、所述数据处理芯片使用小波分析法针对监测得到的超声波回波进行逐层放大分析，找出存在的缺陷回波，将缺陷回波进行小波变换分析、小波离散化处理、小波变换重构信息、提取缺陷信号的特征值、计算得出裂分大小及深度。

11、进一步，所述伸缩-复印监测单元包括强力弹簧、可扩展实心胶圈、钢铁套管、铁丝和高锰酸钾纸；其中，强力弹簧被压缩并具有弹性，可扩展实心胶圈强力弹簧所撑大、扩展，钢铁套管为刚性套管，直径比松动圈钻孔的直径小；铁丝共有两根，对称缠绕绑定于钢铁套管的两端，所述高猛酸钾纸是指被0.025％浓度的高锰酸钾溶液浸泡并风干后的宣纸。

12、进一步，所述传输单元包括数据传输导线、保护所述数据传输导线的柔性护管、电池和铁质圆柱形外壳；所述数据传输线位于所述柔性护管内；所述传输单元用于传输实时监测的据并为单元传输电能；所述电池上部装配有两个微型无线信号发射器，用于为各单元提供电力并发送经过处理的无线数据信号；所述连接杆由螺旋纹钻头、连接杆主体及尾端螺旋纹组成，多个连接杆通过螺旋纹钻头与尾端螺旋纹的旋转嵌合作用进行衔接；所述铁质圆柱形外壳嵌套于多个监测单元外部，保证多个监测单元不受到损伤或破坏；铁质圆柱形外壳尾部设计有尾端螺旋纹，与带有螺旋纹钻头的连接杆嵌合旋转为一体。

13、进一步，所述整合处理单元为智能处理器，该智能处理器包括信号接收器、微型无线信号发射器、智能处理系统、监测视频记录模块、三维显现仪智能成像模块以及视频控制键；所述信号接收器与微型无线信号发射器用于接收与发射无线数据信号；所述智能处理系统用于整合处理三种监测得到的数据、图像或视频；所述监测视频记录模块用于对监测单元所拍摄得到的图像进行实时成像记录与图像处理；所述三维显现仪智能成像模块用于生成经过智能处理系统处理后生成的松动圈10m半径范围内的三维裂隙分布图像模型；所述控制按键用于对所述监测视频记录模块的功能进行操作控制。

14、本发明的另一目的在于提供一种超声波探测为主体的多功能裂隙监测方法，该方法用于对所述的超声波探测为主体的多功能裂隙监测装置进行调控，该方法包括：

15、s1，利用摄像监测单元监测并记录高清摄像头拍摄到的松动圈裂隙的图像与视频，超声波监测单元监测并记录超声波发射、反射的强弱数据变化；

16、s2，利用伸缩-复印监测单元监测并记录高猛酸钾纸上的裂隙显色图像及视频数据，并利用传输单元传输实时监测的数据；

17、s3，利用整合处理单元整合处理三种监测单元监测得到的数据，并导出可视化的松动圈半径范围内的三维裂隙分布图像模型。

18、在步骤s1中，摄像监测单元的高清摄像头内置的转换器，利用灰度信息与最大熵法相结合的方法对图像进行二值化精细处理，使用矩阵奇异值分解方法svd对松动圈内壁表面物理模型数据进行分解，使用法线多次聚类的计算方法完成松动圈内壁场景平面物理模型的提取；

19、最终，通过数据处理芯片的数据处理功能，将所得摄像监测数据储存于整合处理单元之中。

20、在步骤s2中，传输单元使用实体数据线与无线网络传输实时监测的数据信号。

21、在步骤s3中，整合处理单元中的智能处理系统使用矩阵奇异值分解方法svd对松动圈内壁表面物理模型数据进行分解，得到优化后的离散点；随后使用法线多次聚类的计算方法完成松动圈内壁场景平面物理模型的提取，并使用最小二乘法将提取的松动圈表面裂隙数据与使用cgal处理方法的立体物理模型中的松动圈表面裂隙数据进行数据拟合；最后使用lod渲染方法进行立体物理模型的优化与渲染，在整合处理单元三维显现仪智能成像模块中生成经过整合处理后的松动圈半径范围内的三维裂隙分布图像模型

22、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：

23、(1)本发明可清晰监测巷道松动圈内壁表面的裂隙的大小、方向、数量、形态等裂隙特征，通过摄像监测及高猛酸钾纸复印监测相结合的技术方式以及智能处理单元的整合处理功能，为井下巷道支护决策提供技术支持。

24、(2)本发明可清晰探测出松动圈内部的、肉眼不可见的裂隙发育程度及其相关情况，通过超声波监测的技术手段，在松动圈内部向四周发射并接收超声波。超声波监测的两个主要装置均分布有密集的微型超声波发射器及接收器，以此提高超声波监测围岩的覆盖范围与探测强度，通过监测得到的围岩表面及裂隙形态特征转换为可存储于智能处理系统中的立体物理模型数据，便于人们观察裂隙特征与进一步处理，保证井下巷道的安全与稳定。

25、(3)本发明创新性地通过以超声波监测为主要监测手段，辅以摄像监测与高猛酸钾纸复印监测，通过高清摄像头拍摄监测到的松动圈内壁和高猛酸钾纸的裂隙特征通过智能分析与处理，整合得到松动圈内部平面物理模型数据，并将其与超声波监测单元监测得到的立体物理模型数据进行结合并导出，使松动圈半径范围内的三维裂隙分布图像直观的呈现于面前，为巷道支护参数的确定提供技术支持。

26、(4)为了克服现有松动圈裂隙监测技术中存在的缺陷，本发明提出了超声波探测为主体的多功能裂隙监测装置，其目的是为了精密、准确地描述出松动圈在一定区域范围内裂隙数量、大小及其形态。该装置以超声波监测为主要监测技术手段，辅以摄像监测与高猛酸钾纸复印监测手段，对松动圈裂隙进行综合性地、多方位地技术监测，为井下巷道稳定控制体提供技术支持与创新监测思路。

27、(5)本发明预期可以转换为监测井下煤岩体内部的孔洞、裂隙等影响围岩稳定性的工程设备，现阶段井下的人员安全作业已成为企业、矿山最重要的资源开采指标之一，维持井下巷道及围岩稳定，保证工人安全作业显得尤为重要。本发明可提升井下松动圈裂隙的探测精度及监测效果、且可探测围岩体内部的肉眼不可见的裂隙发育程度、数量及其形态特征，为井下巷道稳定控制提供技术支持与创新监测思路；将该发明设备化后，能够进行出售或给矿山企业、地质勘探单位进行技术服务，具备一定的商业价值。

28、(6)本发明填补了松动圈裂隙探测的精密度低、无法探测煤岩体内部一定范围内的裂隙数量、形态及发育形态特征的技术空白。

29、(7)本发明的技术方案通过超声波监测为主、高清摄像头监测及高锰酸钾复印纸监测为辅的技术手段，对松动圈裂隙进行综合性地、多方位地技术监测提供帮助。本发明克服了人们长期以来认为只需要探测松动圈内壁存在的裂隙数量、形态及发育特征就可以判断围岩稳定性的认知偏见。本发明则通过多种技术手段，对松动全内壁表面及内部的裂隙同时进行监测，提高了裂隙监测的精度、准度及可靠程度。