技术领域
[0001] 本
发明涉及巷道变形监测预警技术领域，尤其是一种用于巷道或隧道的顶板变形高精度监测预警系统，以及监测预警方法。
背景技术
[0002] 随着
煤矿开采的进行，矿井巷道的长度和深度都在快速增加，另外隧道工程也在大量修建，巷道和隧道顶板变形导致的大规模冒顶和坍塌事故时常发生，加强巷道、隧道顶板沉降的监测刻不容缓。巷道、隧道顶板变形量是主要的工程监测参数内容，根据监测结果可以计算巷道、隧道顶板变形速度，巷道、隧道顶板变形收敛率，并建立绘制巷道、隧道顶板变形量、变形速度和变形
位置与时间的关系曲线，进而分析巷道、隧道顶板变形规律，围岩
稳定性，以及巷道、隧道支护效果。目前巷道、隧道顶板变形的监测方法普遍采用全站仪和
水准仪测量以及传统手动测量法，即在巷道、隧道顶、
底板中部垂直方向钻孔，安装
木桩、短锚杆、测钉等测量基点，由工作人员进行手工的测量和记录。
[0003] 考虑到工程中的巷道受地应
力、岩性、流变或爆破冲击的影响，通常情况下顶板初始断面形状、不平整度差异较大，且顶板沉降为非均匀变形。全站仪监测运用广泛，但是需要人工逐点监测，耗时耗力，且不能实时监测，同时测量精度受人为因素大，误差较大。水准仪监测能实现一定程度的自动化和数字化，但体积较大不便安装，且不适用于高差变化较大区段，并受环境影响较大。传统手动测量方法受限于测点位置的影响，主要适用于规则巷道围岩表面的均匀变形；人工记录时局限于巷道某一断面，不能实现整体测量；容易出现工人记录数据不及时和精度不高而导致数据分析不准确等，上述问题给巷道、隧道顶板沉降的测量带来了诸多困难。
[0004] 当前，光纤
传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光
信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将
光源入射的光束经由光纤送入
调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、
波长、
频率、
相位、偏振态等发生变化，成为被调制的
光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。与传统传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，电绝缘性能好，抗
电磁干扰能力强，非侵入性、高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐
腐蚀、防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
[0005] 利用分布式光纤传感器可以实现巷道、隧道顶板变形的实时测量、一次性精确地测出任意位置巷道、隧道顶板变形量并对变形量进行预警处理。其中，中国
专利CN108680139A，“隧道顶板沉降监测装置和隧道沉降监测方法”利用沿隧道顶板顺次排列的光纤光栅高差计和解调仪搭建隧道顶板沉降监测装置，能够接收并处理光纤光栅高差计的监测数据，解决了
现有技术中隧道顶板沉降监测精度较低的工程问题。但该装置主要适用于测量变形较为规则的隧道顶板变形，而且完成隧道顶板整体变形测量工作的难度较高。中国专利CN106123767A，“一种长壁工作面充填开采顶板沉降监测方法”根据
电阻应变式传感器监测的应变值在监控主机中转化位移量并判断充填开采顶板沉降量，可以通过调节测杆长度适用于不同顶底板高度工况，在监测充填开采顶板沉降量的同时确定顶板的采动影响区范围。该装置安装和线路布置较为繁琐，测量
采样间隔的随机性较大，而且作为安装载体的套筒容易受外界环境的扰动。中国专利CN106908033A，“一种采空区顶板多点位移同步测量装置及其测量方法”计算采空区顶板各基点的位移变化同时，利用光栅尺位移传感器检测顶板沉降以及覆岩深部位移，无需在采空区的复杂环境中埋设传输线路；但所选用的光栅尺位移传感器仅工作于范围较小的顶板区域而不能实现长距离巷道顶板沉降测量，完成一次测量需要使用大量的光栅尺位移传感器。
[0006] 因此，需要解决现有巷道、隧道顶板变形测量装置存在的上述问题，即在精确获取顶板沉降变形量的
基础上，实现不规则巷道、隧道顶板大区域非均匀变形的实时监测及预警等功能，同时减小外界环境对测量装置的影响、降低测量成本等，这对于岩体工程支护及施工安全等都具有极其重要的科研和工程意义。
发明内容
[0007] 为了更加准确、方便、灵敏、直观的监测巷道和隧道顶板变形，精确获取顶板沉降变形量，对不规则巷道、隧道的顶板非均匀变形进行监测预警，提高监测效率，节省监测成本，本发明提供了一种顶板变形高精度监测预警系统及方法，具体技术方案如下。
[0008] 现有的顶板变形测量系统及方法，如果要绘制巷道、隧道顶板变形量、变形速度和变形位置与时间的关系曲线，需要耗费大量的时间，并且难以保证信息的实时性和准确性；另外由于巷道的断面一般是不平整的，而且顶板沉降多为非均匀变形，需要准确确定监测装置的位置，保证顶板和光纤传感器之间的契合安装；顶板变形高精度监测预警系统根据巷道、隧道的顶板变形情况预设传感器的测量基点，由中央
控制器发出指令控制附着于顶板监测区域的防爆光纤传感器，同时持续实时接收测点发出的光信号，进而实现巷道或隧道顶板变形的高精度测量。
[0009] 一种顶板变形高精度监测预警系统，包括防爆光纤传感器、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、
数据处理单元和中央控制器，防爆光纤传感器安装于顶板锚固体上，传感器集成装置连接监测区域范围内的防爆光纤传感器，信号转换装置与传感器集成装置连接，将
光谱信息转换为
电子信号，数据传输装置将电子
信号传输至数据处理单元；所述防爆光纤传感器置于光纤容置器内，光纤容置器固定在螺杆体的外露端，光纤容置器和防爆胶管相连，防爆胶管内的光缆和防爆光纤传感器连接，防爆胶管上设置有多个光纤容置器和多个卡箍；所述传感器集成装置通过防腐蚀线缆将顶板监测范围内的防爆光纤传感器搭接，传感器集成装置和信号转换装置进行光纤熔接；所述信号转换装置包括振幅转换器、相位转换器和频率转换器，信号转换装置将传感器集成装置传输来的振幅、相位和频率的光谱信息转换为电子信号；所述数据传输装置通过有线数据传输或无线数据传输将电子信号传递至数据处理单元；所述数据处理单元包括电子记录仪、电子分析仪、电子配准仪和3D模型机，电子记录仪确定空间坐标信息并获取三维点
云阵列，电子分析仪提取多平面特征确定变形的标准，电子配准仪匹配图像并标定
时空关系，3D模型机处理RGB图像形成三维空间模型，数据处理单元结合接收的变形监测信息和空间坐标信息实时确定顶板变形；中央控制器分别连接防并控制防爆光纤传感器、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置和数据处理单元工作。
[0010] 优选的是，防爆光纤传感器包括光源、接收器和调制器，接收器接收顶板处的光源入射的光束并送入调制器，调制器内将随顶板变形变化后的光强、波长、频率、相位、偏振态转换为被调制的光信号。
[0011] 优选的是，数据处理单元还包括控
制芯片和SD卡集成模
块，防爆光纤传感器监测到的顶板变形信息经过信号转换装置传输，以及数据处理单元的3D模型机处理后，存储至控制芯片和SD卡集成模块。
[0012] 优选的是，信号转换装置还包括信号接收器和信号发射器，信号接收器和传感器集成装置相连接收光信号，信号发射器和数据传输装置相连传输电子信号。
[0013] 优选的是，数据传输装置包括数据传输线、USB数据传输
接口和RJ45网络接口，所述数据传输线连接防爆光纤传感器、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、数据处理单元和中央控制器，所述USB数据传输接口和RJ45网络接口设置在数据传输装置上。
[0014] 优选的是，中央控制器设置有防爆
外壳和防爆照明灯，防爆外壳内设置有电源，电源使用防爆型
锂离子电池和安全防护型锂电池充电板；防爆外壳的下部设置有承重
钢架，防爆外壳的底部设置有滚轮。
[0015] 优选的是，中央控制器设置有防爆光纤
传感器数据显示按钮、防爆光纤传感器数据分析按钮、防爆外壳移动控制按钮、启动按钮、结束按钮、记录按钮、保存按钮和导出按钮。
[0016] 一种顶板变形高精度监测预警方法，利用上述的一种顶板变形高精度监测预警系统，步骤包括：
[0017] 步骤一.在巷道或隧道内的顶板
选定待监测区域，标定测量基点，将防爆光纤传感器安装至测量基点的位置，并安装光纤容置器、卡箍、防爆胶管和光缆；
[0018] 步骤二.依次连接传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、数据处理单元和中央控制器，并保证
中央处理器水平放置；
[0019] 步骤三.确认防爆光纤传感器垂直顶板设置，通过中央处理器上的启动按钮控制防爆光纤传感器工作，并检测线路安装；
[0020] 步骤四.输入各个测量基点编号并开始监测，防爆光纤传感器监测顶板的水平位移和垂直位移；
[0021] 步骤五.数据处理单元确定围岩空间坐标，统计分析各个测量基点的监测信息，根据测量基点的坐标信息确定顶板变形，实时显示顶板变形，保存顶板的变形数据；
[0022] 步骤六.获取监测时间段内的顶板变形数据，对各个测量基点和顶板变形进行分析，构建道顶板变形三维模型，导出顶板测点的3D断面图。
[0023] 优选的是，道顶板变形三维模型的构建步骤包括：
[0024] A.获取监测时间段内的顶板变形数据，并将顶板变形数据送入数据处理单元的控制芯片，
[0025] B.数据处理单元的电子分析仪提取多平面特征确定变形的标准，电子配准仪匹配图像并标定时空关系；
[0026] C.数据处理单元根据每组监测数据的试件和空间关系进行识别处理，确定顶板的真实变形，得到任意测量基点的变形曲线；
[0027] D.数据处理单元利用3D模型机构建顶板变形三维模型，根据连续时间的顶板变形监测数据，实时确定顶板变形，更新三维模型。
[0028] 本发明的有益效果包括：
[0029] (1)提供了一种顶板变形高精度监测预警系统，结合了光纤测量、
图像处理、3D建模和顶板变形监测，共同实现了对巷道或隧道顶板准确、方便、灵敏、直观的监测，通过防爆光纤传感器得到顶板变形数据，导入数据处理单元进行处理，得到巷道或隧道顶板变形，并通过3D模型直观显示，使得顶板变形监测过程中操作更加简洁、并提高了监测的准确度。
[0030] (2)防爆光纤传感器工作时将测点反馈的的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与感光元件相互作用，改变入射光强度、波长、频率、相位、偏振态等并成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件直至传感器集成系统，整体呈现灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化等特点；传感器集成装置将顶板变形监测区域内所有的防爆光纤传感器采集的光信号进行统一集成处理，经过标记位置信息后的光信号背传输至信号转换装置，通过振幅转换器、相位转换器及频率转换器将光信号转换为电子信号，可以适用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境。
[0031] (3)利用传感器监测，通过预先设置监测参数后实现高效无人化监测，避免了在顶板上多次监测，解决了顶板监测耗时长、施工困难和成本高等问题，监测过程简单、实施方便，利于施工过程中的工程操作安全，测量数据由数据处理单元进行处理，可以立体显示巷道或隧道的顶板变形监测数据，并绘制三维结构模型，自动化程度高，环境适应性良好，整个监测过程不影响工程的正常进行。
[0032] (4)通过中央处理器可以移动式分析工况不同的巷道或隧道顶板变形，依托防爆外壳和滚轮的结构，不仅移动方便而且能适应巷道或隧道内凹凸不平的地面环境，稳定性强，具有防爆功能，安全性高。
附图说明
[0033] 图1为顶板变形高精度监测预警系统部分结构示意图；
[0034] 图2为顶板变形高精度监测预警系统结构示意图；
[0035] 图3为中央控制器操作示意图；
[0036] 图4是顶板变形高精度监测预警方法流程示意图。
[0037] 图中：1顶板；2锚固体；3螺杆体；4光纤容置器；5卡箍；6防爆光纤传感器；7防爆胶管；8光缆；9防爆显示屏；10中央控制器；11数据线；12防爆外壳；13-1水平位移监测按钮；13-2空间位置监测按钮；13-3垂直位移监测按钮；14-1启动按钮；14-2记录按钮；14-3保存按钮；14-4导出按钮；14-5结束按钮；15-RJ45网络接口；16-USB数据传输接口。
具体实施方式
[0038] 结合图1至图4所示，本发明提供的一种顶板变形高精度监测预警系统及方法具体实施方式如下。
[0039] 顶板变形高精度监测预警系统，克服了传统顶板变形测量的不足之处，其包括防爆光纤传感器、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、数据处理单元和中央控制器，该系统工作时预先设置光纤传感器监测参数，后根据顶板变形情况预设传感器测量基点，由中央控制器发出指令控制附着于顶板监测区域的光纤传感器，同时持续实时接收测点发出的一序列光感信号进而实现顶板变形的高精度实时测量。
[0040] 一种顶板变形高精度监测预警系统具体包括防爆光纤传感器6、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、数据处理单元和中央控制器，防爆光纤传感器安6装于顶板1锚固体2上，传感器集成装置连接监测区域范围内的防爆光纤传感器6，信号转换装置与传感器集成装置连接，将光谱信息转换为电子信号，数据传输装置将电子信号传输至数据处理单元。顶板变形高精度监测预警系统具体部件包括锚固体2、螺杆体3、光纤容置器4、卡箍5防爆光纤传感器6、防爆胶管7、光缆8、中央处理器10、防爆显示屏9、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、数据处理单元和中央控制器等。其结合了光纤测量技术、图像处理技术、3D建模技术和顶板变形监测，共同实现了对巷道或隧道顶板准确、方便、灵敏、直观的监测，通过防爆光纤传感器得到顶板变形数据，导入数据处理单元进行处理，得到巷道或隧道顶板变形，并通过3D模型直观显示，使得顶板变形监测过程中操作更加简洁、并提高了监测的准确度。
[0041] 防爆光纤传感器6置于光纤容置器4内，螺杆体3和光纤容置器4直接固定连接，光纤容置器4固定在螺杆体的外露端，螺杆体3借助锚固体插入顶板内，并且螺杆体3保证与顶板垂直。光纤容置器4还和防爆胶管7相连，防爆胶管7内的光缆8和防爆光纤传感器6连接，光缆8并网连接各个防爆光纤传感器6，防爆胶管7上设置有多个光纤容置器4和多个卡箍5，其中卡箍5可以直接连接在锚固体2上，卡箍5和光纤容置器4可以间隔布置，从而更好的固定防爆光纤传感器6，保证传感器和顶板的有效契合
接触。同时光缆置于防爆胶管中，防止巷道或隧道腐蚀性气体环境对光缆的化学及物理破坏，可以在每两组防爆光纤传感器中间设置一组卡箍5，将防爆胶管7与螺杆体3相连接，防止防爆胶管7自重引起的弯曲下沉。防爆光纤传感器6包括光源、接收器和调制器，接收器接收顶板处的光源入射的光束并送入调制器，调制器内将随顶板变形变化后的光强、波长、频率、相位、偏振态转换为被调制的光信号。防爆光纤传感器内部多模光纤置于机械变形器中间，当变形器受顶板位移扰动时，光纤沿轴线产生周期性微弯曲，通过检测光纤纤芯中传导光功率变化量，得到与顶板位移相关的光信号。
[0042] 传感器集成装置通过防腐蚀线缆将顶板监测范围内的防爆光纤传感器搭接，传感器集成装置和信号转换装置进行光纤熔接。其中顶板的监测范围内，防爆光纤传感器测量基点的布置原则是：同一防爆光缆连接的测量基点纵向轴线与巷道长轴线平行，测量基点一直保持固定在原位，避免前后两次测量因的竖向位置变化而导致测量结果不准确，根据实际需要设置监测的点的个数，在防爆胶管上添加，保证同一光缆上的传感器在同一平面上，改变监测方向，测量巷道顶板的不同区域。
[0043] 信号转换装置包括振幅转换器、相位转换器和频率转换器，信号转换装置将传感器集成装置传输来的振幅、相位和频率的光谱信息转换为电子信号。信号转换装置还包括信号接收器和信号发射器，信号接收器和传感器集成装置相连接收光信号，信号发射器和数据传输装置相连传输电子信号。
[0044] 数据传输装置通过有线数据传输或无线数据传输将电子信号传递至数据处理单元。数据传输装置包括数据传输线11、USB数据传输接口16和RJ45网络接口15，数据传输线连接防爆光纤传感器6、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、数据处理单元和中央控制器，USB数据传输接口16和RJ45网络接口15设置在数据传输装置上，其中数据传输装置的
硬件设备可以集成至中央控制器上。
[0045] 数据处理单元包括电子记录仪、电子分析仪、电子配准仪和3D模型机，电子记录仪确定空间坐标信息并获取三维点云阵列，电子分析仪提取多平面特征确定变形的标准，电子配准仪匹配图像并标定时空关系，3D模型机处理RGB图像形成三维空间模型，数据处理单元结合接收的变形监测信息和空间坐标信息实时确定顶板变形。数据处理单元还包括控制芯片和SD卡集成模块，防爆光纤传感器监测到的顶板变形信息经过信号转换装置传输，以及数据处理单元的3D模型机处理后，存储至控制芯片和SD卡集成模块。
[0046] 中央控制器分别连接防并控制防爆光纤传感器6、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置和数据处理单元工作。中央控制器10设置有防爆外壳12和防爆照明灯，防爆外壳12内设置有电源，电源使用防爆型
锂离子电池和安全防护型锂电池充电板，电源为爆光纤传感器、传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置和数据处理单元供电，并且为防爆照明灯供电。防爆外壳12的下部设置有承重钢架，防爆外壳的底部设置有滚轮。中央控制器设置有防爆光纤传感器数据显示按钮、防爆光纤传感器数据分析按钮、防爆外壳移动控制按钮、水平位移监测按钮13-1、空间位置监测按钮13-2、垂直位移监测按钮13-3、启动按钮14-1、结束按钮14-5、记录按钮14-2、保存按钮14-3和导出按钮14-4。防爆显示屏9和中央控制器10相连，将监测处理结果显示。
[0047] 一种顶板变形高精度监测预警方法，利用上述的一种顶板变形高精度监测预警系统，步骤包括：
[0048] 步骤一.在巷道或隧道内的顶板选定待监测区域，标定测量基点，将防爆光纤传感器安装至测量基点的位置，并安装光纤容置器、卡箍、防爆胶管和光缆。在巷道或隧道中确定需要监测的顶板区域，标记测量基点，将防爆光纤传感器及防爆胶管、光缆、防爆数据线移动至测量基点处。
[0049] 步骤二.依次连接传感器集成装置、信号转换装置、数据传输装置、数据处理单元和中央控制器，并保证中央处理器水平放置，组装完成顶板变形高精度监测预警系统，并打开启动按钮。
[0050] 步骤三.确认防爆光纤传感器垂直顶板设置，通过中央处理器上的启动按钮控制防爆光纤传感器工作，并检测线路安装。正式测量前开启防爆光纤传感器空间位置监测按钮13-2，调整锚固体、螺杆体与顶板保持垂直，保证顶板变形高精度监测及预警系统中防爆光纤传感器与能够和顶板垂直。
[0051] 步骤四.输入各个测量基点编号并开始监测，防爆光纤传感器监测顶板的水平位移和垂直位移。
[0052] 步骤五.数据处理单元确定围岩空间坐标，统计分析各个测量基点的监测信息，根据测量基点的坐标信息确定顶板变形，实时显示顶板变形，保存顶板的变形数据；
[0053] 步骤六.获取监测时间段内的顶板变形数据，对各个测量基点和顶板变形进行分析，构建道顶板变形三维模型，导出顶板测点的3D断面图。
[0054] 对各个测量基点和顶板变形进行分析，具体是根据监测结果可以计算巷道或隧道顶板变形速度，顶板变形收敛率，并建立绘制巷道、隧道顶板变形量、变形速度和变形位置与时间的关系曲线，进而分析巷道、隧道顶板变形规律，围岩稳定性，以及巷道或隧道的支护效果。
[0055] 利用该方法可以对光纤传感器预设位置进行准确判定，并且实现了光纤传感器与顶板的高契合度安装，利用光纤传感器光信号的高精度传递与转换计算，实现了更加准确、灵敏的顶板监测。
[0056] 结合图4所示，其中道顶板变形三维模型的构建步骤包括：
[0057] 步骤A.获取监测时间段内的顶板空间位置及其变形数据，并将顶板变形数据自动输入数据处理单元的控制芯片，生成顶板位置及变形空间矩阵。
[0058] 步骤B.数据处理单元的电子分析仪提取顶板位置及变形空间矩阵中多平面特征，电子配准仪依据初始设定的变形标准匹配图像并标定时空关系。
[0059] 步骤C.数据处理单元依据
角点检测和直线检测，根据每组监测数据的时间和空间关系进行目标检测识别处理，提高顶板变形确定精度，得到任意测量基点的变形曲线及空间曲面。
[0060] 步骤D.数据处理时，首先是监测图像特征，包括对变形曲线图像和顶板图像特征的识别，识别后根据坐标点位置对其进行标定，再进行三维图像和二维图像的匹配，最终建立顶板变形的三维模型。数据处理单元利用3D模型机构建顶板变形三维模型，根据连续时间的顶板变形监测数据，实时确定顶板变形，更新三维模型。
[0061] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
