一种井下采空区充填体容积实时监测系统及方法

本发明涉及一种井下采空区充填体容积实时监测系统及方法，属于充填开采。

背景技术：

1、随着我国对煤炭资源的开发利用程度越来越高，建筑物下、铁路下、水体下和承压水上(三下一上)压煤开采成为中东部煤矿开采面临的主要问题。而充填开采是解决“三下一上”压煤的理想方法，是解决矿山矸石污染和处理固体的有效途径。现有充填过程中，难以准确获取采空区充填体容积和采空区充填进度，缺乏高精度的实时充填监测系统帮助煤矿工作人员决策。在充填监测过程中，充填物的体积计算不准确的话，一是造成充填不足、二是造成井上物料浪费。

2、现阶段，矿山开采充填领域对井下采空区充填监测主要采取监测充填物流量的方式推算采空区容积。通过采煤生产阶段统计的采煤体积和顶部垮落的体积之和初略估算初始采空区容积，然后监测充填过程中充填物料的流量，从而实现动态监测采空区充填进度。然而，传统充填监测存在两个主要问题，一是充填过程中无法实时获取采空区充填体容积；二是由于充填材料冷却后膨胀，充填物流量统计无法准确计算已充填区域的实际体积，从而严重影响充填材料的使用和运输，进而影响煤层充填开采的效率，造成经济损失。因此，有必要采用先进的采空区充填监测方式提高充填过程的准确性和效率。

技术实现思路

1、本发明提供一种井下采空区充填体容积实时监测系统及方法，该系统及方法能够实现准确计算井下采空区充填体积，并实时监测充填进度，保证煤层充填开采的效率。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种井下采空区充填体容积实时监测系统，包括硬件安装与标定模块、数据采集与预处理模块、采空区容积监测模块、显示与监测预警模块和移动控制终端，移动控制终端与硬件安装与标定模块的输入端连接，硬件安装与标定模块的输出端与数据采集与预处理模块输入端连接，数据采集与预处理模块的输出端与采空区容积监测模块输入端连接；显示与监测预警模块与硬件安装与标定模块、数据采集与预处理模块和采空区容积监测模块连接；

3、所述的硬件安装与标定模块包括多个激光雷达传感器和用于组装激光雷达传感器的安装底座，安装底座内设有带动其在水平方向摆动的电机驱动机构；还包括标定单元，标定单元用于在线标定不同激光雷达的内参以及相邻激光雷达间的外参；

4、所述的数据采集与预处理模块包括采空区点云拼接单元和采空区点云滤波处理单元；采空区点云拼接单元用于相邻激光点云配准拼接；采空区点云滤波处理单元用于处理拼接后采空区点云中的噪声点，并进行降采样处理；

5、所述的采空区容积监测模块包括采空区点云表面重建单元和自适应体积计算单元；采空区点云表面重建单元用于重建采空区充填体点云表面；自适应体积计算单元用于根据充填体形状自适应计算采空区表面模型体积；

6、所述的显示与监测预警模块包括显示单元和预警单元，显示单元用于实时显示标定结果、滤波处理效果、充填进度、充填体容积比曲线图和充填体容积测量误差图；预警单元用于根据采空区形状计算自适应阈值，发出预警，并提供建议充填材料体积。

7、进一步地，所述硬件安装与标定模块包括4块竖直方向视场角为30°的32线激光雷达传感器。

8、一种井下采空区充填体容积实时监测方法，包括如下步骤：

9、步骤一、利用硬件安装与标定模块对采空区进行在线标定，将标定信息传送至数据采集与预处理模块；

10、步骤二、数据采集与预处理模块对接收到的标定信息进行采空区点云拼接和云滤波处理，得到密度均质的采空区点云并传送至采空区容积监测模块；

11、步骤三、采空区容积监测模块根据自适应切片法实时计算采空区充填体的容积；

12、步骤四、显示与监测预警模块对激光雷达监测装置标定效果、点云滤波处理效果、实时显示充填进度进行显示，绘制填充体积比曲线图和充填体容积测量误差图，并拟合绘制充填材料体积随时间的变化曲线，发出预警并计算充填材料体积。

13、进一步地，所述步骤一的方法为：多个激光雷达传感器安装完成后，标定单元提取环境中的线特征和面特征并基于特征约束在线标定各激光雷达的内参以及相邻激光雷达间的外参；具体步骤如下：

14、(1)对多个激光雷达采集数据采用主成分分析计算点云局部邻域特征向量，并根依据计算局部曲率；λ0、λ1、λ2是点云局部邻域的协方差矩阵的特征值，且满足λ0≤λ1≤λ2；

15、(2)根据局部曲率提取线特征和面特征：对于线特征选取曲率较小的点，线特征点的选择条件为ki≤thline，其中thline为设定阈值，thline的取值范围为0.1～0.5，根据实际环境进行选择和调整；对于面特征选取曲率较大的点，面特征点的选择条件为ki＞thplane，其中thplane为设定阈值，thplane的取值范围为0～0.1，根据实际环境进行选择和调整；

16、(3)采用最近邻搜索方法对不同的线特征和面特征进行匹配，生成对应的特征对；再利用手眼标定原理aix＝xbi实现标定，其中ai为第i对相邻激光雷达的变换矩阵，bi为第i对相邻雷达的变换矩阵，x为标定需要获取的位姿变化，包括平移量t和旋转矩阵r，表示为齐次变换矩阵最后使用非线性优化方法，公式为得到全局优化变换矩阵xfin，其中gi是目标点云中提取的线特征点和面特征点，ui是源点云中与之匹配的线特征点和面特征点。

17、进一步地，所述步骤二的采空区点云拼接和点云滤波处理具体步骤如下：

18、(1)采空区点云拼接使用基于ndt的点云粗配准算法和基于gicp的点云精配准算法；基于ndt的点云粗配准算法实现点云粗对齐，其过程为：将获取的点云数据分割为体素网格，计算每个体素的高斯分布，即均值和协方差矩阵，描述体素内点的分布情况，定义ndt目标函数为：其中pi是目标点云中的点，qi是源点云中与之匹配的点，wi是权重因子，p为目标点云；

19、基于gicp的点云精配准算法实现邻接点云的高精度匹配，其过程为：gicp算法将采样点的表面建模为高斯分布定义变换误差为ei＝qi-tpi，且ei的分布为找到对数似然最大的变换t，其公式为

20、

21、(2)采空区点云滤波处理所述点云滤波处理包括去噪和降采样处理，其中，去噪使用范围滤波去除采集的异常值点云，包括通过设定合理的距离、高度和角度范围，应用范围滤波去除超出预定范围的异常值点云，获得初步滤波后的高质量点云数据通过将点云划分为固定大小的体素网格，计算每个点到体素中心的距离权重，并使用加权平均法计算代表点，实现基于距离权重改进的体素滤波下采样，通过降采样获得均质分布的点云数据进一步地，所述步骤三自适应切片法实时计算采空区充填体的容积的具体步骤如下：

22、(1)遍历所有散点，求出点集的包围盒，得到作为点集凸壳的初始三角形并放入三角形链表；将点集中的散点依次插入，在三角形链表中找出其外接圆包含插入的三角形，删除影响三角形的公共边，将插入点同影响三角形的全部顶点连接起来，从而完成一个点在狄罗尼三角形链表中的插入；

23、(2)根据最大最小角准则对局部形成的三角形进行优化，将形成的三角形放入狄罗尼三角形链表，优化完成后移除超级三角形并处理边界，最终实现狄罗尼三角网表面模型构建；

24、(3)对生成的采空区表面模型先沿主方向轴进行等分切割，初始切片厚度设置较薄，生成初始切片多边形pi，其中i＝0,1,2,3,…,m0，并计算各切面的面积si，其中i＝0,1,2,3,…,n0；

25、(4)计算相邻切片间的面积比r和相邻面积差d：

26、

27、di＝si-si-1；

28、若0.9＜ri＜1.1与di＜ths同时满足，其中ths为设定面积差异阈值，则合并相邻切片，生成最终切片边界多边形pi′，其中i＝0,1,2,3,…,m1，合并后切面面积为si′，其中i＝0,1,2,3,…,n1；

29、(5)充填区域体积计算单元用于对自适应切片单元生成的切片乘以相应厚度hi计算各切片体积vi并累加得到充填区域体积v：

30、

31、式中，n1表示合并后切片的数量。

32、进一步地，所述的点云滤波去噪处理将采空区内的异常值点云分为大尺度噪声和小尺度噪声，大尺度噪声为分布在点云主体附近的孤立点和离点云主体较远地漂移点，小尺度噪声指和主体点云混合在一起地异常点，是导致点云表面模型与实际表面模型不符的原因；对于大尺度噪声，采用统计滤波和半径滤波联合去噪，对于小尺度噪声，采用双边滤波进行处理。

33、本发明通过设置硬件安装与标定模块、数据采集与预处理模块、采空区容积监测模块、显示与监测预警模块，通过硬件安置与标定模块可以根据不同的安置位置和填充区域形状选择合适的本安型激光雷达组装监测装置，标定单元可以准确获取雷达监测装置准确的内参和外参，采集到高几何精度的采空区点云；数据采集与预处理模块对获取采空区原始点云数据进行去噪和降采样预处理；采空区容积监测模块用于重建采空区表面模型，并基于本发明改进的自适应切片法计算采空区容积；显示与监测预警模块，与硬件安装与标定模块、数据采集与预处理模块和采空区点云处理模块连接，用于显示标定结果、滤波处理效果和实时显示充填进度，并基于统计信息在预警后计算建议充填材料体积。本发明实现了对井下采空区充填体积的准确计算，并实时监测充填进度，保证了煤层充填开采的效率。