本發(fā)明涉及巷道位移監(jiān)測(cè)，具體涉及一種基于gnss的巷道表面位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、煤礦深部開采條件下，采動(dòng)煤巖體受上覆巖層自重、構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力等高靜載應(yīng)力作用，容易在巷道圍巖上產(chǎn)生高應(yīng)力作用，引起巷道變形，嚴(yán)重威脅巷道圍巖的穩(wěn)定性，影響煤礦開采工作順利進(jìn)行。目前，巷道表面變形監(jiān)測(cè)方法主要有十字布點(diǎn)法和傳感器法，這兩種方法主要存在以下缺陷與不足：

2、（1）監(jiān)測(cè)時(shí)效性差。

3、十字布點(diǎn)法的監(jiān)測(cè)通常需要人工操作，包括設(shè)置布點(diǎn)、測(cè)量等，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易受到人為因素的影響，如誤差、監(jiān)測(cè)頻率不穩(wěn)定等，這些布點(diǎn)的設(shè)置通常是有限的，因此，該方法無法全面反映整個(gè)巷道或隧道的變形情況，特別是對(duì)于變形分布不均勻或局部變形較大的情況。并且，該方法在數(shù)據(jù)采集、更新和效率方面存在較大的滯后性和不確定性，無法提供實(shí)時(shí)或連續(xù)的變形數(shù)據(jù)。

4、使用應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，現(xiàn)有的產(chǎn)品在數(shù)據(jù)采集上受到采集頻率限制，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求，這使得它在及時(shí)發(fā)現(xiàn)變形異?；蚓o急情況方面存在一定的不足。

5、（2）監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性差。

6、應(yīng)變傳感器通常是一種精密的電子設(shè)備，易被機(jī)械損壞，或受到電磁干擾等因素的影響，需要進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，否則會(huì)影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，且傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器只能得到巷道應(yīng)變數(shù)據(jù)，無法得到巷道圍巖真實(shí)位移數(shù)據(jù)。

7、（3）環(huán)境適應(yīng)性差。

8、由于巷道環(huán)境的復(fù)雜性，巷道所在區(qū)域可能存在斷層、滑坡帶或溶洞等地質(zhì)構(gòu)造，以及存在高應(yīng)力集中或地下水大量滲透等情況，導(dǎo)致圍巖極不穩(wěn)定，威脅人員安全；巷道內(nèi)部可能存在有毒氣體、高溫或極端濕度等不利條件，人員無法長(zhǎng)時(shí)間停留，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中難以有效布置和操作，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)難度加大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種基于gnss的巷道表面位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置，還提供一種基于所述基于gnss的巷道表面位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置實(shí)現(xiàn)的基于gnss的巷道表面位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警方法，基于gnss系統(tǒng)對(duì)巷道位移實(shí)時(shí)監(jiān)控以及預(yù)警，能夠解決傳統(tǒng)巷道監(jiān)測(cè)方法存在的時(shí)效性低、監(jiān)測(cè)精度低等問題，提高井下巷道的安全性和穩(wěn)定性，提高巷道位移監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和精度，有效預(yù)防了巷道圍巖事故的發(fā)生，利用gnss（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的全球定位覆蓋和高精度定位能力，提高了監(jiān)測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性，并且通過構(gòu)建智能化的巷道檢測(cè)模型和預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、集成和分析，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用價(jià)值和應(yīng)用效率。

2、本發(fā)明基于gnss的巷道表面位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置，包括測(cè)量模塊、基準(zhǔn)模塊和數(shù)據(jù)處理終端，其中，巷道沿長(zhǎng)度方向設(shè)置若干個(gè)巷道斷面，所述巷道斷面均勻布置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過固定結(jié)構(gòu)固定一測(cè)量模塊，所述測(cè)量模塊用于測(cè)量巷道圍巖實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)；所述基準(zhǔn)模塊固定在地表，所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理終端的輸入端分別與測(cè)量模塊和基準(zhǔn)模塊的輸出端相連，所述數(shù)據(jù)處理終端基于所述基準(zhǔn)模塊的數(shù)據(jù)修正所述測(cè)量模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)，并基于修正后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道表面位移，所述測(cè)量模塊包括gnss接收裝置和加速度檢測(cè)裝置，所述基準(zhǔn)模塊采用能夠同時(shí)接收到多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的gnss接收機(jī)，所述基準(zhǔn)模塊設(shè)置在地表、遠(yuǎn)離遮擋物的開闊地帶，所述數(shù)據(jù)處理終端根據(jù)基準(zhǔn)模塊原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和數(shù)據(jù)平差，根據(jù)平差結(jié)果判斷基準(zhǔn)模塊是否發(fā)生位移，未發(fā)生位移則基準(zhǔn)模塊原始坐標(biāo)為可信；基準(zhǔn)模塊發(fā)生位移則根據(jù)平差結(jié)果計(jì)算發(fā)生位移量，更新基準(zhǔn)模塊的三維坐標(biāo)信息。

3、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理終端包括處理器、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中，所述處理器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道表面位移，所述存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)基準(zhǔn)模塊及測(cè)量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息及保存計(jì)算結(jié)果，所述顯示模塊用于計(jì)算結(jié)果可視化，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊用于數(shù)據(jù)處理終端與基準(zhǔn)模塊和測(cè)量模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

4、本發(fā)明還提供一種基于gnss的巷道表面位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警方法，包括如下步驟：

5、s101：接收巷道表面每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全球坐標(biāo)，建立每個(gè)巷道斷面編號(hào)、測(cè)量模塊編號(hào)信息；

6、s102：基于基準(zhǔn)模塊的全球坐標(biāo)信息，對(duì)測(cè)量模塊測(cè)量的全球坐標(biāo)進(jìn)行修正，獲得各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)更新后的三維坐標(biāo)信息；

7、s103：選擇其中一個(gè)巷道斷面的安裝面中軸線位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為局部坐標(biāo)原點(diǎn)，生成各個(gè)巷道斷面數(shù)據(jù)，確定各個(gè)巷道斷面的相對(duì)位置；

8、s105：判斷各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息是否有變化，如果否，返回執(zhí)行步驟s101，如果是，則更新該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，并接收該測(cè)量模塊的實(shí)時(shí)加速度信息；

9、s107：記錄每次坐標(biāo)更新的單次位移量、單位時(shí)間內(nèi)巷道表面變形量及實(shí)時(shí)加速度信息；

10、s108：建立預(yù)警機(jī)制：設(shè)置預(yù)警信號(hào)特征，所述預(yù)警信號(hào)特征包括巷道總位移量和變形速度，基于預(yù)警信號(hào)特征值，生成提醒相關(guān)人員的預(yù)警信息。

11、進(jìn)一步地，在步驟s103執(zhí)行后，還包括步驟s104：根據(jù)巷道斷面的位置特征及斷面變化特征構(gòu)建巷道監(jiān)測(cè)模型，

12、步驟s105執(zhí)行后，還包括步驟s106：基于三維坐標(biāo)信息改變的監(jiān)測(cè)點(diǎn)重新構(gòu)造巷道監(jiān)測(cè)模型。

13、進(jìn)一步地，步驟s104中，根據(jù)巷道斷面的位置特征及斷面變化特征構(gòu)建巷道監(jiān)測(cè)模型的方法為：

14、若巷道斷面處于直線段，則將相鄰的巷道斷面對(duì)應(yīng)點(diǎn)相連，采用三角剖分的方法，構(gòu)造三角面網(wǎng)，生成巷道監(jiān)測(cè)模型；

15、若巷道斷面處于拐角處，則以相鄰三個(gè)巷道斷面為一個(gè)巷道斷面組，計(jì)算拐角處特征點(diǎn)局部坐標(biāo)，應(yīng)用曲面拼接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)巷道監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建。

16、進(jìn)一步地，若巷道斷面處于拐角處，巷道監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法為：

17、由三個(gè)巷道斷面a、b、c的中軸線坐標(biāo)，將巷道拐角處三個(gè)巷道斷面的弧線段均勻離散化為p個(gè)特征點(diǎn)，由三個(gè)巷道斷面中軸線坐標(biāo)、、計(jì)算三點(diǎn)的圓心坐標(biāo)及半徑r，以圓心為局部坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)特征點(diǎn)的方位角α計(jì)算巷道斷面之間特征點(diǎn)坐標(biāo)；相鄰特征點(diǎn)相連，以線-面-體順序構(gòu)建三角網(wǎng)，拐角處使用曲面拼接技術(shù)相連，生成巷道監(jiān)測(cè)模型，

18、特征點(diǎn)的坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

19、

20、

21、

22、其中，。

23、進(jìn)一步地，步驟s108中，如果任一預(yù)警信號(hào)特征值大于設(shè)定閾值，則在所述巷道監(jiān)測(cè)模型的展示端突出顯示所述測(cè)量模塊的位置，以可視化方式提醒相關(guān)人員。

24、進(jìn)一步地，步驟s108中，所述預(yù)警信號(hào)特征還包括巷道表面位移的分形維度，巷道表面位移的分形維度用于評(píng)估巷道圍巖表面變形時(shí)間序列是否具有狀態(tài)持續(xù)性。

25、進(jìn)一步地，通過分形維度評(píng)估巷道圍巖表面變形時(shí)間序列是否具有狀態(tài)持續(xù)性的具體方法為：

26、（1）構(gòu)建分形維度與hurst指數(shù)h的關(guān)系公式：；

27、（2）構(gòu)建hurst指數(shù)h的回歸方程，由最小二乘回歸方程得到h值，hurst指數(shù)h的獲取方法為：

28、使用重表極差法計(jì)算hurst指數(shù)h，將巷道表面位移時(shí)間序列等分為個(gè)子序列，每個(gè)序列包含個(gè)元素，為子序列的序號(hào)，為元素的序號(hào)，各個(gè)元素記為：

29、

30、子序列樣本數(shù)據(jù)正態(tài)化值為：

31、

32、其中，為子序列樣本數(shù)據(jù)均值，

33、建立一個(gè)巷道表面位移累計(jì)時(shí)間序列：

34、

35、計(jì)算極差、標(biāo)準(zhǔn)差、重標(biāo)極差，計(jì)算公式為：

36、

37、

38、

39、令，

40、對(duì)數(shù)化,建立最小二乘回歸方程，得到hurst指數(shù)h的值，所述最小二乘回歸方程為：

41、

42、其中，是巷道表面位移樣本累計(jì)時(shí)間序列的極差，為樣本序列的標(biāo)準(zhǔn)差，為常數(shù)，為常數(shù)對(duì)數(shù)化，為子序列數(shù)量k的h次方，h為hurst指數(shù)；為與對(duì)應(yīng)的累計(jì)時(shí)間序列的序數(shù)；

43、（3）基于所述分形維度與hurst指數(shù)h的關(guān)系獲取分形維度d的值；

44、（4）基于所述分形維度d的值，評(píng)估巷道圍巖表面變形時(shí)間序列狀態(tài)持續(xù)性的程度。

45、進(jìn)一步地，所述預(yù)警機(jī)制為：根據(jù)預(yù)警信號(hào)特征所處的數(shù)值范圍，生成對(duì)應(yīng)的預(yù)警信號(hào)，所述預(yù)警信號(hào)包括：第一級(jí)預(yù)警信號(hào)，第二級(jí)預(yù)警信號(hào)和第三級(jí)預(yù)警信號(hào)，

46、當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的巷道總位移量小于或等于第一位移閾值或變形速度小于或等于第一速度閾值時(shí)，則對(duì)巷道保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理終端系統(tǒng)發(fā)出第一級(jí)預(yù)警信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的巷道總位移量大于第一位移閾值，且小于或等于第二位移閾值，或變形速度大于第一速度閾值，且小于或等于第二速度閾值時(shí)，根據(jù)測(cè)量模塊編號(hào)，定位巷道斷面位置，在巷道斷面位置處發(fā)出第二級(jí)預(yù)警信號(hào)，提醒工作人員檢查巷道相關(guān)區(qū)域；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的巷道總位移量大于第二位移閾值，或變形速度大于第二速度閾值時(shí)，對(duì)巷道整體發(fā)出第三級(jí)預(yù)警信號(hào)，根據(jù)測(cè)量模塊編號(hào)，定位巷道斷面位置，警示工作人員作出對(duì)應(yīng)應(yīng)急措施，

47、同時(shí)，

48、當(dāng)分形維度時(shí)，說明巷道變形不具備時(shí)間持續(xù)性，當(dāng)前巷道安全性高，數(shù)據(jù)處理終端系統(tǒng)發(fā)出第一級(jí)預(yù)警信號(hào)；當(dāng)分形維度時(shí)，說明巷道變形具備時(shí)間持續(xù)性，系統(tǒng)發(fā)出第二級(jí)預(yù)警信號(hào)，提醒相關(guān)工作人員提高警惕性，重點(diǎn)關(guān)注持續(xù)變形區(qū)域；當(dāng)分形維度，說明巷道變形具有高度時(shí)間持續(xù)性，系統(tǒng)發(fā)出第三級(jí)預(yù)警信號(hào)，提醒相關(guān)工作人員應(yīng)該對(duì)變形區(qū)域立即采取應(yīng)急措施。

49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：通過在巷道內(nèi)設(shè)置多個(gè)巷道端面，并在巷道端面上布置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)全斷面監(jiān)測(cè)，通過基準(zhǔn)模塊對(duì)測(cè)量模塊的檢測(cè)信息進(jìn)行修正，能夠進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)的精度。通過設(shè)置數(shù)據(jù)處理終端，能夠使工作人員遠(yuǎn)程獲取巷道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提升了人員監(jiān)測(cè)的安全性。本發(fā)明還具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

50、（1）本發(fā)明可以得到煤巖巷道的真實(shí)位移，實(shí)時(shí)構(gòu)建巷道的三維位置狀態(tài)，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)性監(jiān)測(cè)。

51、本發(fā)明采用gnss接收裝置，具有較高的定位精度，可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)甚至更高精度的位移監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)微小的位移變化，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加及時(shí)準(zhǔn)確，并且gnss系統(tǒng)具有全球定位覆蓋的特點(diǎn)，極大提高了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和精度。同時(shí)，通過構(gòu)建三維的巷道監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)巷道連續(xù)全斷面監(jiān)測(cè)。

52、（2）本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)包括從巷道掘進(jìn)施工到工作面安裝、回采，再到工作面回撤及封閉的巷道全生命周期監(jiān)測(cè)，確保巷道在全生命周期的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

53、（3）本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，對(duì)整體巷道進(jìn)行可視化管理，并基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)巷道狀態(tài)智能預(yù)測(cè)，對(duì)巷道風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，為決策者提供應(yīng)對(duì)方案，提高決策效率和準(zhǔn)確性。