基于三维点云数据的煤矿顶板灾害预防方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维点云数据的煤矿顶板灾害预防方法。系统装置包括设在井上的地面分析设备，设在井下的中心站、多个具有相同参数的三维激光扫描仪、三维点云数据处理芯片，设在远地的上层终端和三维点云处理芯片，其中应用于井下的设备均是本质安全型的。本预防系统方法根据点云数据的差异分析顶板灾害发生的可能性。本发明专利技术采用分析三维点云数据的方法去预测煤矿顶板灾害的风险具有结构简单、易于布置、适应性强、识别率高、计算简便、程序运行效率高、人工干预少、成本低、且系统的适应性强，软硬件升级维护十分方便；本发明专利技术采用三维体素滤波算法，此算法稳定可靠，能够有效快速的对采集到的顶板三维点云数据进行数据压缩即滤波，并极大的加快了搜索速度。本发明专利技术采用三维正态分布变换算法可以较快收敛，避免针对三维点云数据的普通算法配准收敛性差和极易产生局部最优的问题，节省时间，降低了普通算法的复杂度。此方法适用于复杂环境下顶底板冒顶灾害的监测，可有效提高监测精度和效率，为安全生产提供极大便利。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤矿井下顶板灾害预防，具体地说，是一种基于三维点云数据的顶板灾害预防系统，属于虚拟现实

技术介绍
煤炭是我国的主要能源，而我国地质环境复杂，基础信息匮乏，在煤矿开采过程中，顶板灾害是煤矿的五大灾害之一，发生的概率居首。随着国内煤矿机械化水平的提高，也使工作面推进速度显著提高，一天可达到十几米，甚至更多，这就促使工作面更替的速度加快，但这也带来开切眼掘进完成后的支护等问题。目前对开切眼的支护都是参照临近回采巷道的支护，因此往往存在支护不足的问题。而切眼由于断面面积比较大，在掘进完成后裸露一段时间容易出现冒顶，导致维修巷道，影响煤矿生产和人员安全。因此，研究顶板灾害预防，对于保障井下安全生产具有重要的现实意义，尤其是在冒顶发生前能够预测冒顶的发生将会大大提高矿井的安全，减少事故的发生。由于回采巷道的围岩地质条件的复杂性，如每层的倾角变化、煤层厚度的变化、顶底板岩性及分层厚度的变化、节理裂隙发育程度及分布情况、断层构造等因素的影响，使得用经典力学或统计方法对矿压测量预测的结果与实际情况存在较大的差异。张星星学者将灰色系统理论的灰色预测应用在采场冒顶预测中，这种通过声发射参数来分析预测顶板冒落的方法取得了一定的效果。谭云亮等学者将时间序列模型应用在矿山岩石力学与工程预报中，利用时间序列分析对巷道支架位移和新奥法喊道的位移进行了预测，证明了该应用的可行性。部分学者利用一元线性回归方法在分析超前巷道内顶底板近量与距煤层距离时发现，顶板下沉量由煤壁向前方呈复指数规律递减，煤壁片帮深度随推进深度呈线性递减关系等。王永建等学者将各种是固定板的预防措施及大量的现场经验总结在一起构成专家系统知识库，依次匹配个规则，将满足条件的各规则提取出来，根据现场的地质条件、开采技术条件来进行推理、辨识事故类型。中科院武汉岩土所王平综合运用了修正的灰色模型和非线性回归模型，结合某工程现场实测结果对未来的位移状态进行了预测。但是无论使用灰色模型还是回归模型，他们都是以现有测量结果作为信息的，如果地质条件或开挖条件变化，那么其建模也需要重新考虑，或至少对它的预测精度就不可能有很高的期望值。河南理工大学的刘少伟等学者通过监测分析锚杆锚固体特征，认为巷道顶板锚杆托盘的变形可以反映顶板的危险程度，采用时间序列发、相关性分析、神经网络等方法对微变形数据处理，对顶板冒顶危险区进行预测。综上所述，国内玩相关专家通过理论分析、数值模拟及现场检测监测，对锚杆支护巷道顶板的稳定性做了大量的工作，取得许多研究成果。但关于巷道顶板稳定性的理论研究，主要采用极限平衡理论分析顶板岩体的冒落条件，而在实际应用过程中，主要存在以下问题：理论计算中的边界条件很难确定；难以通过理论计算来确定顶板岩层处于什么破坏形式，现场应用有一定的局限性。而目前对巷道顶板监测开发的仪器，虽然种类不少，但在监测过程中存在着监测密度较小、检测周期不合理、对围岩深部检测不足、仪器检测精度较低等缺点。并且在对顶板冒顶危险的预测模型，虽然有灰色模型和非线性回归模型、数值模拟实验等，但它们都是根据现场前期测量的结果作为信息的，且这些模型都是依据时间序列进行分析的，而现场实际情况复杂多变，所以这些模型的预测精度不太高，因此有必要建立更完善的切眼冒顶危险区预测模型。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术公开了一种精度高、结构简单、成本低的煤矿顶板灾害预防系统方法。该方法根据三维点云数据的复杂空间曲面建模的属性特点，采用三维激光扫描技术可以直接得到真实物体表面的空间采样点，即点云数据，采用点云数据即可重构三维区域表面。这种建模方法采用非接触测量，速度快，精度高，真实感强，不受表面复杂程度影响。可以很好的满足对巷道的监测。本专利技术的基于三维点云数据的煤矿顶板灾害预防系统功能方法的实现思想如下：井下移动目标(包括井下工作人员或其他移动设备如机器人)携带三维激光扫描仪，在采煤工作面或巷道内每隔25米对空间区域进行一次扫描，得到复杂空间曲面的点云数据。根据以上数据，通过对点云数据的处理得到一次井下顶板的精确三维模型。经过T时间后，重复上述工作，又得到一次三维模型，对两次三维模型进行对比、分析，即可得出两次的差异，通过差异的大小可有效预测冒顶发生的风险。上述系统是一种基于三维点云数据的顶板灾害预防系统，包括地面分析中心、三维点云处理芯片、上层终端、井下中心站、三维激光扫描仪、光纤。在本系统中设计的井下设备包括：井下中心站，三维激光扫描仪，全部是本质安全型设备。所述地面分析中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面分析中心从井下中心站接收从井下发来的三维点云数据包，处理点云数据包，并且地面分析中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。所述点云处理芯片是本系统的核心，分为点云数据预处理模块、点云数据精确分析模块、安全性分析模块，集成了对点云数据进行处理的算法。所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面分析中心连接，获取实时监测数据。所述光纤连接井下中心站与地面分析中心，实现井下中心站与地面分析中心之间的数据传输。所述井下中心站是本质安全型交换机，负责汇聚各三维激光扫描仪获取的数据信息，并通过光纤传输到地面分析中心。本系统的核心是在地面分析中心依靠点云处理芯片对井下顶板点云数据的处理与分析。地面中心将汇聚的三维激光扫描仪获取的数据信息做特征提取，得到数据特征模型，再将非特征模型进行点云滤波简化，将简化后的非特征模型与特征模型综合得到简化模型，作为对顶板点云数据的滤波，这样可加快数据的分析。将各简化模型进行差异分析，获得目标点云和参考点云之间的转移矩阵，该转移矩阵使得所有的所有目标点云数据点到其对应的参考点云数据点所在的切平面距离之和最小，得到相关系数。即对两次点云数据进行配准，看是否是完全配准，如果完全配准，则无危险；如果配准有差异，则比较误差函数值，若误差函数值(相关系数)大于阈值，则是顶板可能变形。相关系数的大小就能够反映顶板灾害发生的风险，进而有效的对灾害的发生进行监测。所述对点云数据的分析与处理方法，包括以下步骤：A.顶板点云数据的预处理；B.基于三维正态分布变换算法的顶板点云精确差异配准，主要是比较两次采集的顶板点云数据能不能近似对齐，处理当噪声存在时的配准情况。所述步骤A包括下列步骤：A1.由三维激光扫描仪获取的顶板点云数据本身就具有密度不均的特性，并且井下顶板表面属性的不确定性都会产生一些密度稀疏的离散点云群。为提高差异分析的精度，降低点云庞大的数据量，我们对顶板点云进行三维体素网格滤波算法进行精简。A2.三维体素滤波算法即将顶板点云分割成n个立方体，即体素。A3.求出每个体素的内任意点云数据的平均曲率，即对应顶板点云数据精简的近似阈值。这样就完成对整个点云数据的降采样过程，对曲面点云进行更精确的简化。A4.设曲率的阈值为δ，如果ξ′<δ，则保留该立方体；如果ξ′>δ，则将该立方体继续分割为更小的立方体，再计算曲率，重复该行为。直到保留所有立方体。A5.遍历所有保留下来的立方体内的点云，求出该立方体的重心(x′，y′，z′)。A6.计算顶板点云中两两相邻立方体重心的距离Li，再求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维点云数据的煤矿顶板灾害预防系统装置和方法，所述系统包括包括地面分析中心、上层终端、井下中心站、三维激光扫描仪、三维点云处理芯片、光纤，其特征在于：许多三维激光扫描仪用在井下，每隔一段距离、每隔一段时间扫描一次井下环境，定点采集三维点云数据，将三维激光扫描仪在井下获得的三维点云数据进行定点分析，并由分析得到的数据计算出灾害发生的概率。上述系统是一种基于三维点云数据的顶板灾害预防系统，包括地面分析中心、上层终端、井下中心站、三维激光扫描仪、三维点云处理芯片、光纤。在本系统中设计的井下设备包括：井下中心站，三维激光扫描仪。所述地面分析中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面分析中心从井下中心站接收从井下发来的三维点云数据包，处理点云数据包，并且地面分析中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。所述点云处理芯片是本系统的核心装置，分为点云数据预处理模块、点云数据精确分析模块、安全性分析模块。集成了对点云数据进行处理的方法。此装置处理点云数据后得到相关系数。相关系数的大小就能够反映顶板灾害发生的风险，进而有效的对灾害的发生进行监测。所述光纤连接井下中心站与地面分析中心，实现井下中心站与地面分析中心之间的数据传输。所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面分析中心连接，获取实时监测数据。所述井下中心站是本质安全型交换机，负责汇聚各三维激光扫描仪获取的数据信息，并通过光纤传输到地面分析中心。...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维点云数据的煤矿顶板灾害预防系统装置和方法，所述系统包括包括地面分析中心、上层终端、井下中心站、三维激光扫描仪、三维点云处理芯片、光纤，其特征在于：许多三维激光扫描仪用在井下，每隔一段距离、每隔一段时间扫描一次井下环境，定点采集三维点云数据，将三维激光扫描仪在井下获得的三维点云数据进行定点分析，并由分析得到的数据计算出灾害发生的概率。上述系统是一种基于三维点云数据的顶板灾害预防系统，包括地面分析中心、上层终端、井下中心站、三维激光扫描仪、三维点云处理芯片、光纤。在本系统中设计的井下设备包括：井下中心站，三维激光扫描仪。所述地面分析中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面分析中心从井下中心站接收从井下发来的三维点云数据包，处理点云数据包，并且地面分析中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。所述点云处理芯片是本系统的核心装置，分为点云数据预处理模块、点云数据精确分析模块、安全性分析模块。集成了对点云数据进行处理的方法。此装置处理点云数据后得到相关系数。相关系数的大小就能够反映顶板灾害发生的风险，进而有效的对灾害的发生进行监测。所述光纤连接井下中心站与地面分析中心，实现井下中心站与地面分析中心之间的数据传输。所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面分析中心连接，获取实时监测数据。所述井下中心站是本质安全型交换机，负责汇聚各三维激光扫描仪获取的数据信息，并通过光纤传输到地面分析中心。2.根据权利要求1所述一种在地面分析中心对点云数据的处理与分析的方法。其特征在于地面中心将每次汇聚的三维激光扫描仪获取的数据信息做特征提取，得到数据特征模型，再将非特征模型进行点云滤波简化，将简化后的非特征模型与特征模型综合得到简化模型，作为对顶板点云数据的滤波，这样可加快数据的分析。将各简化模型进行差异分析，获得目标点云和参考点云之间的转移矩阵，该转移矩阵使得所有的所有目标点云数据点到其对应的参考点云数据点所在的切平面距离之和最小，得到相关系数。相关系数的大小就...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓阳，胡乔森，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11