用于监视采区顺槽结构改变的方法和装置的制作方法

专利名称：用于监视采区顺槽结构改变的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在开采工作中监视采区顺槽(gateroad)结构改变的 方法和装置，尤其但不排它地涉及在诸如用于采煤的长壁开采作业中的 应用。
背景技术：
长壁开采是用于地下采煤回收的最有效的方法之一，其中通过机械 化刨采装置开釆由巷道(采区顺槽)限制的大平面的煤。采区顺槽为设 备和人员提供通道，并且是长壁开采作业的基础。长壁开采的常规作业涉及从产物面的表面采下产物，同时在采区顺 槽的方向渐进地后退。因此，随着开采进展，开采机器设施沿着采区顺 槽移动，并且装载有从产物面刨采产物的刨采装置。在采区顺槽方向上 向产物面中的运动被称为"后退"。采区顺槽通常在从产物面和产物层开采产物前被切入地层，并且采 区顺槽要具有长期结构完整性。然而，从产物面采下产物的作业可能在 采区顺槽周围的区域引入很大压力。这些压力又可能产生相对于采区顺 槽表面的局部运动，如断裂、沟槽、散裂、以及破裂，这些通常易于通 过裸眼检测并能够被适当处理。然而，压力产生釆区顺槽中的其他局部 特征，这些特征随时间推移可能导致整个采区顺槽结构的变形。该变形 被称为下沉(convergence)。下沉表示一种微细且危险的压力导致的采区 顺槽变形形式，因为它通常以人眼无法独立感知的速率发生，从而使得 难以检测。不能注意到采区顺槽下沉可能导致采区顺槽自身的坍塌和故 障，并且可能导致对人员和设备的严重安全威胁。过去，通过利用设置在采区顺槽中的特定点的用于以不同时间间隔 测量采区顺槽顶部与采区顺槽底部之间的距离的变形测定器设备来确定下沉。该方法依赖于手动操作变形测定器设备并且是进入型的，经常需 要在危险区域执行。只有用变形测定器设备进行手动测量后，操作者才 可以确定存在导致危险情况的过度下沉。此外，这种方法可能阻碍用于从产物面开采产物的釆矿机器设施的采区顺槽穿越结构(gateroad traversing structure)的正常通过。发明内容因此，本发明的目的在于试图提供一种用于监视采区顺槽结构改变 的方法和装置，其克服了上述问题中的一个或更多个。根据本发明的第一个主要方面，提供了一种在开采操作中确定采区 顺槽结构改变的方法，所述方法包括如下步骤利用位于一采区顺槽位置处的采区顺槽轮廓扫描传感器来与采区顺 槽方向大致垂直地进行扫描，并获得对采区顺槽表面的第一轮廓扫描， 并将该第一轮廓扫描的信息存储在存储器中，随后，在与进行第一轮廓扫描的位置大致重合的采区顺槽位置处， 获得与采区顺槽方向大致垂直的对采区顺槽表面的第二轮廓扫描，并且 获得该第二扫描的信息，将所存储的第一轮廓扫描的信息与所述第二轮廓扫描的信息相配准，基于经配准的第一轮廓扫描和第二轮廓扫描的信息，标记采区顺槽 表面的任何结构改变。根据本发明的第二个主要方面，提供了一种用于在开采操作中确定采区顺槽结构改变的装置，所述装置包括扫描装置，其用于提供在一采区顺槽位置处的与采区顺槽方向大致 垂直地对采区顺槽表面的第一轮廓扫描的信息，并且随后提供在与第一 扫描大致相同的采区顺槽位置的与采区顺槽方向垂直地对采区顺槽表面 的第二轮廓扫描的信息；存储器存储部，其用于存储第一轮廓扫描的信息，配准装置，其用于将存储在存储器存储部中的轮廓扫描信息与在第二轮廓扫描位置的信息相配准，在第二轮廓扫描位置处第二轮廓扫描与 进行第一扫描的位置重合，扫描差别处理器，其允许标记第一扫描的信息与第二扫描的信息的 差别，由此能够确定采区顺槽结构改变。


为了更清楚地确定本发明，现在将参照附图描述本发明实施方式的 示例，附图中图1是示出长壁地下采煤操作的3D断面的示意图(未按比例)， 图2是示出采区顺槽壁部和/或顶部的轮廓随时间的结构改变的穿过 采区顺槽观察的垂直截面图，图3是长壁采区顺槽的平面图，图4是在笛卡尔坐标系中通过轮廓传感器扫描的采区顺槽的典型横 截面轮廓，图5是示出本发明的一个实施方式中的方法步骤的功能流程图， 图6是示出用于确定后退距离的方法步骤的功能流程图， 图7是示出采区顺槽穿越结构的采区顺槽的垂直截面图，以及 图8是用于确定采区顺槽结构改变的物理硬件组件的示意框图。
具体实施方式
图1是示出长壁地下采煤操作的3D断面的示意图(未按比例)。在 此，提供了一种长壁刨采机101，其跨越煤层105中的煤平面103从一侧 到另一侧来回移动。在煤层105的每侧提供有称作采区顺槽107的矩形 巷道。采区顺槽107被切入地层和/或煤层105，使得采区顺槽107的方 向和大小符合正确参数(如大小和3D定位和方向)。典型地，采区顺槽 107彼此平行地延伸。采区顺槽穿越结构109被设置在采区顺槽107中的 一个或两者中。机械连接部111连接采区顺槽穿越结构109和刨采机101。 典型的是，机械连接部111是刨采机101可以在其上来回移动的铁轨装 置。釆区顺槽穿越结构109形成与开采相关的开采机器设施的一部分， 并且采区顺槽穿越结构109在开釆期间位于采区顺槽107中的后退的特 定位置处。刨采机101沿形成机械连接部111的铁轨装置前后来回移动。 随着刨釆机101移动，煤被从煤平面103采下。在刨采机101已经从煤 平面103的一侧移动到另一侧后，促使采区顺槽穿越结构109在箭头113 的方向后退，由此将刨采机101引入从煤平面103的新表面进一步开采 煤的位置。重复上述处理，掘进表面，直到煤层105被采下。上述类型的长壁开采装置是公知的。图2示出穿过采区顺槽107观察的垂直截面图。在此，采区顺槽107 具有底部201、顶部201、以及两个直立的侧壁205和207。侧壁207紧 邻煤层105，而直立的侧壁205邻近周围的地层，并且远离要开采的煤平 面103。为了例示，虚线209表示在采区顺槽107中已经发生的夸大的下 沉行为。该下沉行为表示在开采操作期间采区顺槽107的结构改变。在 此，可以看到最上面的角部211还维持通常的完整性，并且尚未经受过 度结构改变。这是因为上角部211远离被开采的煤平面103。因此，角部 211通常由周围的地层支撑。另一方面，煤平面侧角部213被示出变形得 相当大。该结构改变是由于从相邻的直立侧壁207采下煤平面103而发 生的。虚线209示出侧壁205和207的变形以及顶部209的形状的全面 改变。底部201也有改变，但是通常比侧壁207和顶部201的程度小。 因此从图2可以看出，采区顺槽107顶部和侧壁表面的轮廓已经改变 该改变可能呈现出对人员和/或开采设备的危险情况。如图2所示的下沉 可能表示采区顺槽107即将发生坍塌，和/或地层坍塌进采空区。因此该 下沉是采区顺槽107的表面的结构改变。图3是示出采区顺槽穿越结构109的位置的在煤层105旁的一个长 壁采区顺槽的平面图。为了清楚起见，省略了图1中已示出的机械连接 部lll。图3显示了称作后退113的行进方向。图3还示出了采区顺槽穿 越结构109相对于煤平面103位于采区顺槽107之内。采区顺槽穿越结 构109可在行进/后退方向113上通过已知方法，并响应于刨采机101完 成煤平面103的刨采的操作而移动。采区顺槽穿越结构109具有在采区顺槽穿越结构109的头部位置的 釆区顺槽轮廓扫描传感器301。在采区顺槽穿越结构的尾部设置有第二采 区顺槽轮廓扫描传感器303。图3示出利用两个采区顺槽轮廓扫描传感器 301和303来提供头部扫描和尾部扫描。优选实施方式不需要在采区顺槽 107中安装测量轨道或者专用轨道结构，以允许进行采区顺槽轮廓的测 量。替代的是，将采区顺槽轮廓传感器301、 303直接安装在采区顺槽穿 越结构109上，而该采区顺槽穿越结构109已经位于采区顺槽107中作 为开采处理的部分，这提供了在系统实施的简化性方面的重要实践进步。 然而，在一些实施方式中，可能需要具有单个共同的采区顺槽轮廓扫描 传感器，该采区顺槽轮廓扫描传感器能够例如在旋转台上移动以选定相 对于采区顺槽穿越结构109的头部位置和尾部位置，由此对头部扫描和 尾部扫描两者使用单个传感器。在该具体实施方式
中，存在两个分立的 采区顺槽轮廓扫描传感器301、 303，用于分别获得头部轮廓扫描和尾部 轮廓扫描。采区顺槽轮廓扫描传感器301、 303分隔幵距离"d"。采区顺 槽轮廓扫描传感器301、 303中的每一个被设置为与行进方向大致垂直地 进行扫描，以获得釆区顺槽顶部、壁部以及底部表面中的一个或更多个 的轮廓扫描。这在图3中分别通过扫描线305和307表示。采区顺槽轮 廓扫描传感器301、 303典型地是2D或3D范围传感器型的扫描传感器。 这些包括激光和雷达传感器，并且可包括组合的范围和次表层特征检测 (探地雷达)和/或图像传感器，如人类可见光谱摄像机或热红外摄像机。 此外，虽然在头部和尾部位置305、 307中各示出单个采区顺槽轮廓扫描 传感器301、 303，但是在每个所述位置中都可具有多个这样的传感器。 传感器301、 303在优选地与后退方向113垂直地进行平面扫描。在一些 实例中，扫描平面可在不影响确定采区顺槽结构改变的处理的情况下， 相对于垂直平面稍微倾斜。图3示出安装到采区顺槽穿越结构109的又一个扫描传感器309。 该特定的传感器309用作行进距离确定传感器。使用扫描传感器309来 确定物体(如机器人等)的行进距离，在许多文献中进行了充分说明， 这些文献例如包括S Thrun. Robotic Mapping: A Survey, In G. Lakemeyerand B. Nebel, editors, Exploring Artificial Intelligence in the New Millenium. Morgan Kaufinan 2002。因此，在本实施方式中，利用了使用扫描传感器 的行进距离测量。典型的是，传感器309可以是2D激光范围传感器，但 也可以是3D激光范围传感器或其他合适的传感器。此外，可以利用用于 轮廓扫描的任何前述类型的传感器。在图3的实施方式中，传感器309 安装在采区顺槽穿越结构109的头部位置。这是便利的位置，但不是针 对传感器309在采区顺槽穿越结构109上的位置的限制。传感器309被设置用于前向往采区顺槽107中进行扫描，如虚线扫 描区域311所示，然而在不影响用于检测采区顺槽结构改变的301、 303 的执行的情况下其也可向后扫描。扫描观测具体的轮廓特征并且通过对 扫描信号的适当处理计算运动距离。计算该距离的处理本身并不构成此 处本发明基础概念的一部分。因此，在开采操作期间，头部轮廓扫描传感器301扫描采区顺槽107 的表面。在采区顺槽穿越结构109已经沿采区顺槽107行进等于距离"d" 的距离时的稍后时间点，尾部轮廓扫描传感器303将处于与通过头部轮 廓扫描传感器301进行在先扫描的相同位置。因此，可以利用在该位置 由两个传感器进行的扫描来标记在开釆操作期间采区顺槽的任何结构改 变。使用来自距离确定传感器309的扫描的信息来确定行进距离，由此 允许将头部轮廓扫描传感器301的扫描与尾部轮廓扫描传感器303在相 同位置的扫描相配准。尽管已经示出在采区顺槽穿越结构109上的传感器309用于确定采 区顺槽穿越结构109的后退距离或行进距离，但是也可利用确定采区顺 槽穿越结构109的行进距离的其他形式。例如，可以利用简单线性测量 设备(如带)来确定在后退方向上的运动距离。测量出的距离随后可用 于配准两个扫描。另选的是，可沿采区顺槽107在离散的位置上放置接 近传感激活器。传感器可以由采区顺槽穿越结构109携带，该传感器当 接近那些激活器时操作以触发指示特定行进距离的信号。图4示出从采区顺槽轮廓扫描传感器301、 303之一获得的典型的扫 描轮廓。假设传感器301、 303具有足够高的分辨率、扫描域以及扫描速率来提供采区顺槽表面的轮廓的有用数据。在测量采区顺槽改变中，这里描述的系统仅需要采区顺槽结构在采 区顺槽穿越结构109的运动时段内大致稳定。该要求通常容易满足，因 为采区顺槽改变速率远远小于轮廓测量的时间间隔。在开采操作中，采区顺槽穿越结构109在短时段内移动短距离，其间具有较长静止间隔。 例如，采区顺槽穿越结构109可能在后退方向113上5秒钟移动1米。 可能过几个小时后采区顺槽穿越结构109才再次在后退方向113上向前 移动。釆区顺槽下沉速率典型地为慢速率。例如，在活跃工作接近一周 的时段内50 mm的下沉仍然可以构成可接受的稳定的采区顺槽107。然 而，如果存在更快速的下沉，则这可能表示不稳定和危险情况的可能性。 该实施方式包括能够基于针对开采预先建立的允许安全轮廓信息的处理 阈值。因此，如果从头部轮廓扫描传感器301和尾部轮廓扫描传感器303 获得的扫描的差别量大于阈值，则提供输出告警。现在参照图5，其示出在本实施方式中用于确定采区顺槽结构改变 的各种处理步骤的功能流程图。处理在块501开始。在步骤503，从位置 传感器309获得扫描，并将该扫描提供给步骤505，在步骤505确定后退 距离。随后通过步骤507将后退距离信号提供给开采机器控制系统。还 可以在判定步骤509中处理后退的距离，以确定后退距离是否存在变化。 如果答案是"否"，则处理返回到步骤503。如果答案是"是"，则从轮廓 传感器301、303获得扫描，并且在步骤513存储在存储器中。在步骤515， 将从扫描传感器301、 303获取的扫描在一起进行配准，使得来自扫描传 感器303的扫描对应于从传感器301在沿采区顺槽107的相同位置获得 的扫描。换句话说，当传感器303已经沿后退方向113位移了距离"d" 到达与传感器301在先进行扫描的位置重合的点时，存在配准。在步骤 517，对准传感器扫描以补偿在其经过距离"d"期间，采区顺槽穿越结 构109.的相对姿态的任何改变(由于滑坡或其他可能已经发生的因素)。 适当的时候将对这方面进行进一步的说明。随后将作为来自传感器301和来自传感器303的轮廓的两个扫描轮 廓传递到步骤519，在此将轮廓信号相减以标记任何变化。该减法的结果表示下沉的程度。尽管已经将信号表示为相减，但是可以实现其他形式的改变计算。例如，可以与轮廓中的微变一起标记尾部传感器303横穿 距离"d"的时间。然后，这可以表示改变的时间速率，并且可以用于预 测釆区顺槽107或周围地层的坍塌。任何差别或下沉都可以在步骤523 传递到历史存储部，由此可在稍后时间引用所述结果。随后将任何差别 (下沉)传递给判决处理525，以确定差别(或差别速率)是否超过预定 阈值。该阈值可以针对用于具体开采的己知或期望的安全轮廓信息变化 来选择。如果判决处理确定未超过阈值，则处理返回到步骤503。如果判 决处理确定已经超过阈值，则在步骤527提供告警信号。同时，处理返 回步骤503。应当认识到，在步骤519，可在监视器屏幕上显示任何差别，使得 操作人员可以立刻观看监视器屏幕并通过监视器屏幕的视觉观察确定下 沉。因此，该操作人员随后可以基于观测主动采取动作。现在参照图6，其示出了确定沿后退方向113的移动后退距离中涉及 的处理步骤的功能流程图。在此，将诸如2D激光范围传感器的2D或3D 范围传感器安装到采区顺槽穿越结构109上。该传感器在图3中标识为 传感器309。然而，它可以包括使用用于定位的传感器301 (以及使用用 于轮廓扫描的传感器301 )。传感器309提供从传感器本身到采区顺槽表 面的距离测量。典型的是，其可在180度扫描域上进行扫描。有用的探 测速率是每秒25-30次扫描。如在先所述，可利用任何类型的传感器，并 且该特定传感器并非本实施所专用。可使用利用传感器确定(递增)工 作台的运动和行进距离的任何已知方法。可采用基于下述的参考当前扫 描比较的形式传感器的位置和/或定向的改变对应于扫描范围的平移和/或旋转变 化。通过计算使在先获得的扫描与当前扫描匹配所需的特定平移和/或任 何旋转分量，来导出递增运动。随后通过累积递增的平移和旋转分量导 出在给定时间的当前位置和/或定向。图6示出在使用基于激光测量方法确定采区顺槽穿越结构109的位 置中使用的四个子步骤。在此，系统在步骤601开始。在步骤603，从位置传感器305读取当前扫描。在步骤605，针对是否已经进行扫描进行判 决，即"这是第一次通过么？"如果答案为"是"，则系统在步骤607将 当前扫描设置为基准扫描，并且返回以在603读取来自位置传感器的下 一次扫描。如果答案是"否"，则系统进行到步骤609以计算递增扫描差。 在此，系统计算当前扫描与基准扫描之间的平移和/或旋转差(如果有)， 以测量在相邻位置传感器扫描之间可能已经发生的采区顺槽穿越结构 109的位置和/或定向的任何递增改变。存在许多已知方法来进行该处理。 其中最常用的是扫描相关和迭代最近点(ICP)算法。如果来自扫描的位 置传感器信号是有噪声的，则称作同时定位和映射(SLAM)的另一种方 法可能是有用的。确切的处理不是本发明概念的重点。当主运动分量在后退方向113上时，基于扫描相关的方法是最有用 的。因为采区顺槽穿越结构109的大尺寸和质量，所以可以假设该运动 将主要在后退方向113上。徐进(creep)和定向也变化，但是典型地与 后退方向113的运动相比，仅改变了很小的程度。在基于相关的方法中， 在单个标准相关步骤中获得基准扫描与当前扫描之间的纯平移改变。因 为传感器309获得笛卡尔坐标系的数据形式的信息，所以在基准扫描与 当前扫描的相关中观测到的任何位移改变都直接联系到采区顺槽穿越结 构109的位置的递增改变。基于相关的方法对于安装了位置传感器309 以提供相对于后退方向113的并行扫描域的情况是有用的。如果使用迭代最近点方法，则ICP算法确定采区顺槽穿越结构109 的后退和徐进。ICP是通用迭代对准算法，其通过估计将第一扫描最佳映 射到第二扫描的刚性旋转和平移并向第一扫描施加该变换来工作。随后 重复迭代实施该处理，直到实现ICP下沉。在ICP下沉后获得递增平移 和旋转变化，并且它们可以直接与采区顺槽穿越结构109的位置的递增 改变相关联。在安装位置传感器来提供针对后退方向113的横向扫描域 的情况下，推荐ICP算法。后退测量的精度可以通过提供针对忽略由采区顺槽下沉引起的后退 扫描的微小递增改变的选择权来改进。在步骤613，基于穿越结构109的期望运动和下沉速率，将在步骤609产生的递增扫描差首先与预定最小位置改变阈值进行比较。如果在步骤609计算的递增扫描差超过预定递增改变阈值，则认为 穿越结构109在运动，并且处理进行到步骤611;否则系统进行到步骤 607，并且返回步骤603读取传感器。在采区顺槽穿越结构109在存在显著采区顺槽下沉时保持长时间的 静止的情况下，递增改变比较步骤613是有用的。如果不知道关于下沉 或采区顺槽穿越结构动力的具体信息，则步骤613中的阈值可以简单地 设为零，并且在步骤611中处理在步骤609产生的递增差。在步骤611 ，通过对在步骤609中计算出的递增平移分量求和来确定 累积递增扫描差。如果需要可类似地获得旋转分量。随后使用后退距离 测量来对来自头部和尾部传感器轮廓的扫描信号信息进行索引和配准， 以用于计算采区顺槽下沉。在较少见的激光位置传感器方法不适用的情况下，也可利用其他方 式获得独立的位置测量。 一种方法是使用高精度惯性导航系统，或如先 前讨论的诸如接近传感器系统的另一系统。应当注意，图5的步骤517需要通过相对姿态对准头部和尾部扫描 器扫描轮廓。下沉计算是基于在不同时刻从相同空间位置观测扫描轮廓 传感器信号的前提的。因此，假设头部和尾部轮廓传感器路径的相对路 径和姿态一致。因此假设(但并非关键)尾部传感器303的路径精密遵 循头部传感器301的路径和姿态。对长壁操作，通常是由于在两个传感 器301、 303之间相对小的空间间隔(典型为5-30米)以及采区顺槽穿越 结构109的高约束和缓慢移动动力学而导致的情况。在此情况(其是理 想情况)下，可以假设不需要对准从头部传感器和尾部传感器301、 303 获得的轮廓信号。然而，在一些情况下，从轮廓传感器获得的信号可能 在采区顺槽穿越结构109的行进距离(间隔距离"d")上，展现出相对 位置和定向/姿态的小变化。因此，传感器301、 303将从不同视点观测采 区顺槽表面。小的变化可以通过下述方法之一容易地补偿(如果需要的 话)。1、采用自然静止地质结构已经观测到，采区顺槽107的顶部上角211 (见图2)地质上稳定， 并且能够长时间(通常很多个月)维持结构完整性。该角部211易于在 釆区顺槽轮廓传感器扫描信息中看到，并且可以用作对各个轮廓传感器 位置估计的地标。这种技术在传感器姿态的小变化明显的情况下有用。 图7显示了这种配置。最上面的角部211的位置和定向可通过在头部和尾部轮廓传感器扫 描都关注的角部的ICP算法的标准应用而得到(如前所述)。需要的轮廓 姿态补偿随后可通过直接应用计算出的在关注的特定后退距离下与头部 和尾部传感器扫描相关联的平移和旋转值而获得。随后将该姿态信息应 用于将尾部传感器轮廓扫描转换成与从头部传感器301获得的扫描相同 的传感器坐标系统。因为下沉与采区顺槽距离轮廓的差异相关，即，相 对而非绝对轮廓差，所以计算轮廓姿态的差别就足以确定下沉。2、独立姿态测量在此情况下，其中先前的方法不适用，可以采用高精度惯性导航单 元，来放大或提供头部和尾部传感器姿态的独立测量。如上所述的模拟 补偿方法类似地可应用到尾部传感器303，其中通过头部-尾部传感器姿 态的差别给出施加到尾部传感器轮廓信息的平移和旋转量。在图5的步骤519，计算轮廓差。在此，通过计算在所有重叠的采 区顺槽表面范围轮廓扫描上的代数差来确定下沉。换句话说，来自各个 传感器301、 303的头部和尾部轮廓扫描具有相同位置。与传统的单点下 沉测量方法不同，该方法在整个表面上计算下沉，提供了用于釆区顺槽 轮廓评估的信息的质量和数量上的巨大改进。使用激光传感器的优点在 于，下沉计算表现采区顺槽107中的实际位移。在采区顺槽中维持结构完整性的理想情况下，下沉将为零。然而， 通常，将出现变形，因此下沉将不是零。可以利用提供采区顺槽结构改变的其他形式，其中例如可利用绝对 差和图像相关。在优选实施例中，利用减法处理来标记来自头部传感器 301和尾部传感器303的信息信号的差别。在图5的步骤525处，采区顺槽结构改变的采区顺槽完整性和/或评估可以通过确定差值或速率已经超过预定阈值来监视。这种阈值可以应 用于已经考虑了已知的过去阈值等级的特定矿中，在所述过去阈值等级 下可能期望稳定和/或可能打破稳定。应当认识到，通过使用扫描传感器来确定距离运动，即后退距离，可以获得距离的精确测量。而且，如图5中的步骤507所示，行进距离 测量可以输出到现有的开采机器控制系统以控制其开采机器的运动。现在参照图8，其示出了优选实施方式的示例的电路框图。应当认 识到，大多数功能处理步骤可通过专用开发软件的功能在计算机控制系 统内实现。图8显示了头部扫描轮廓传感器301和尾部轮廓扫描传感器 303。这些传感器中的每一个都具有如801所示的激光束的扫描平面。该 平面通常具有180度扫描弧，并且该平面通常与后退方向113垂直。输 出信息信号被提供给处理器803，在此恰当地处理输出信息信号以去除噪 声和其他不期望的信号分量。随后将输出信号提供给存储器装置805。位 置扫描传感器309具有在后退方向113上指向采区顺槽穿越结构109前 方的扫描807。典型的是，该扫描器是激光扫描器，并且扫描平面是向前 倾斜。通过处理单元(未示出)处理输出信息信号以去除噪声和其他不 期望的信号信息。随后将信号转发到后退距离处理器811。随后通过后退 距离计算器811计算后退距离，并且将其提供给配准电路813。在此，对 表示在采区顺槽107中的相同特定扫描位置的来自头部传感器301的扫 描和来自尾部传感器303的扫描的信息信号进行配准。随后将两个信号 传送到减法电路815，在此确定两个信息扫描信号之间的差别。随后将任 何差信号传送到阈值电路817，在此检查差信号以看它们是否超过阈值电 路817中设置的范围或速率阈值。如果差信号超过阈值，则可以提供输 出以引起告警819。减法电路815的结果还通过阈值电路直接传到监视电 路821，如监视器屏幕，使得观测人员可以物理地监视差信号。同时，可 将信号转发到存储部823以进行历史记录。控制开采机器操作的领域中的技术人员清楚的是，可对上述实施方 式进行各种修改。例如，当然可以仅从一个轮廓扫描传感器监测特定后 退距离的下沉。在该情况下，如果采区顺槽穿越结构109没有在采区顺槽107中移动一定距离，则可以从头部或尾部传感器获得第一轮廓扫描， 并且随后可从相同的传感器获得第二轮廓扫描。在该情况下，存储第一 轮廓扫描信息，并且与来自第二轮廓扫描的信息相配准以标记任何差别。 随后以与前述关于确定差别是否超过预定范围或速率阈值差的实施方式 相同的方式对差信号进行处理。这样，即使轮廓扫描传感器没有沿后退 方向113移动一定距离，也可以确定任何下沉。可适当地重新调整相关 软件处理步骤以提供该轮廓扫描信息的处理。在上述修改中，可使用单个扫描传感器来在采区顺槽中的相同位置 获得不同时刻的轮廓扫描。可配准结果扫描信息并且确定任何下沉。在不脱离本发明的范围的情况下可进行这些和其他的修改，本发明 的性质根据前述说明和随附权利要求来确定。
权利要求
1、一种在开采操作中确定采区顺槽结构改变的方法，所述方法包括以下步骤使用在采区顺槽的一位置处的采区顺槽轮廓扫描传感器来与所述采区顺槽的方向大致垂直地进行扫描，并获得对所述采区顺槽的表面的第一轮廓扫描，并将该第一轮廓扫描的信息存储在存储器中，随后，在与进行第一轮廓扫描的位置大致重合的采区顺槽中的一位置上，获得与所述采区顺槽的方向大致垂直的对所述采区顺槽的表面的第二轮廓扫描，并且获得该第二扫描的信息，将存储的第一轮廓扫描的信息与所述第二轮廓扫描的信息相配准，基于经配准的第一轮廓扫描和第二轮廓扫描的信息，标记所述采区顺槽的表面的任何结构改变。
2、 如权利要求l所述的方法，其中，将所述采区顺槽扫描传感器安 装到开采机器设施的采区顺槽穿越结构上，并且从所述采区顺槽穿越结 构的头部位置获得所述第一轮廓扫描，而在所述采区顺槽穿越结构的尾 部位置与进行所述第一轮廓扫描的采区顺槽的位置大致重合时，从所述 尾部位置获得所述第二轮廓扫描。
3、 如权利要求2所述的方法，所述方法包括以下步骤在所述头部 位置使用用于所述第一轮廓扫描的头部位置采区顺槽扫描传感器，而在 所述尾部位置使用用于所述第二轮廓扫描的第二尾部位置釆区顺槽扫描 传感器。
4、 如权利要求3所述的方法，所述方法包括以下步骤存储关于在 所述采区顺槽穿越结构上的进行所述第一轮廓扫描的位置与进行所述第 二轮廓扫描的位置之间的间隔距离的信息，使得当所述采区顺槽穿越结 构的运动距离与所述间隔距离大致相对应时，可以进行重叠扫描以及第 二轮廓扫描与所存储的第一轮廓扫描的信息的配准。
5、 如权利要求l所述的方法，所述方法包括以下步骤将来自第一 轮廓扫描的信息与第二轮廓扫描相比较，以获得重叠的扫描轮廓来标记差别。
6、 如权利要求5所述的方法，其中，将所标记的任何差别与预定范 围或速率阈值差相比较，并且如果超过阈值则提供输出。
7、 如权利要求3所述的方法，所述方法包括以下步骤将距离传感器安装到所述采区顺槽穿越结构上以确定行进距离，从而当行进距离对应于头部传感器与尾部传感器之间的间隔距离并且扫描大致重叠时，可以进行所述配准。
8、 如权利要求2所述的方法，所述方法包括以下步骤针对头部位置扫描的信息或尾部位置扫描的信息因所述采区顺槽穿越结构沿所述采 区顺槽行进时其路径或姿态的改变而可能出现的任何变化，来对所述头 部位置扫描的信息或所述尾部位置扫描的信息进行补偿。
9、 如权利要求6所述的方法，其中，提供的输出是告警输出。
10、 如权利要求6所述的方法，其中，所述预定阈值差基于对开采 预先建立的允许安全轮廓信息差变化。
11、 如权利要求5所述的方法，其中，通过标记重叠的扫描轮廓的 差别来确定采区顺槽表面的下沉。
12、 如权利要求2所述的方法，其中，所述头部位置扫描传感器和 所述尾部位置扫描传感器是从包括2D或3D扫描范围传感器的扫描传感 器类型中获得的。
13、 如权利要求7所述的方法，其中，所述距离传感器是从包括2D 或3D扫描范围传感器的传感器类型中选择的，并且其中将后退距离确定 为行进距离。
14、 如权利要求13所述的方法，其中，使得所述距离传感器在朝向 所述采区顺槽穿越结构的后退方向的方向上进行扫描。
15、 如权利要求14所述的方法，其中，后退距离是通过使用相关或 几何方法来处理来自轮廓扫描传感器的信息而确定的。
16、 一种用于在开采操作中确定采区顺槽结构改变的装置，所述装 置包括扫描装置，其用于提供在所述采区顺槽的一位置处且与所述采区顺槽的方向大致垂直的对所述采区顺槽的表面的第一轮廓扫描的信息，随 后，提供在与第一扫描大致相同的位置处且与所述采区顺槽的方向大致 垂直的对所述采区顺槽的表面的第二轮廓扫描的信息； 存储器，其用于存储第一轮廓扫描的信息，配准装置，其将在所述第二轮廓扫描与进行了所述第一扫描的位置 重合时的第二轮廓扫描位置的信息与存储在所述存储器中的轮廓扫描信 息相配准，扫描差别处理器，其允许标记第一扫描和第二扫描的信息差别，由 此可以确定采区顺槽结构改变。
17、 如权利要求16所述的装置，其中，所述扫描装置可安装在釆区 顺槽穿越结构上，从而存在用于第一扫描的在所述采区顺槽穿越结构的 头部位置处的扫描传感器，和用于第二扫描的在所述釆区顺槽穿越结构 的尾部位置处的第二扫描传感器。
18、 如权利要求17所述的装置，所述装置包括距离传感器，所述 距离传感器用于确定所述采区顺槽穿越结构的行进距离；和处理器，所 述处理器利用头部扫描位置与尾部扫描位置之间的间隔距离对所述距离 传感器确定的行进距离进行处理，以确定尾部扫描位置与头部扫描位置 大致重合的位置，使得所述配准装置可以配准所述轮廓扫描信息。
19、 如权利要求18所述的装置，所述装置包括处理器，所述处理 器用于处理在所述头部扫描位置和所述尾部扫描位置的扫描信息，以确 定获得第二扫描的位置相对于获得第一扫描的位置在路径或姿态上的任 何改变，并且在通过所述扫描差别处理器处理之前补偿扫描信息以克服 任何这种改变。
20、 如权利要求18所述的装置，所述装置包括比较器，所述比较器 用于通过重叠第一扫描的信息与配准的第二扫描的信息，对两个扫描的 信息进行比较。
21、 如权利要求16所述的装置，所述装置包括阈值电路，在该阈值 电路处，如果扫描信息的任何差别超过阈值，则该差别触发输出。
22、 如权利要求21所述的装置，所述装置包括告警装置，所述告警装置在所述差别超过所述阈值的情况下提供告警。
23、 如权利要求16所述的装置，其中，用于提供扫描的扫描装置是 从包括2D或3D型扫描范围传感器的扫描装置类型中选择的。
24、 如权利要求18所述的装置，其中，所述距离传感器是从包括 2D或3D距离型扫描传感器的类型中选择的。
25、 如权利要求16所述的装置，其中，采区顺槽表面的下沉可基于 从扫描差别处理器获得的标记的差别来确定。
全文摘要
本发明涉及用于监视采区顺槽结构改变的方法和装置。提供了一种方法和装置，用于在开采操作中确定结构改变。获得采区顺槽表面的第一扫描并且存储扫描轮廓的信息。随后，获得采区顺槽表面的第二扫描。可对扫描的信息进行配准和差别标记。如果差别超过阈值，则可以提供指示可能是危险的采区顺槽结构改变的告警。扫描可以来自单个传感器，或来自多个传感器(301，303)。在将传感器(301，303)安装在采区顺槽穿越结构(109)上的情况下，传感器(301，303)的间隔距离可用于确定传感器(303)何时到达了进行了来自传感器(301)的扫描处的采区顺槽穿越结构(109)的行进或运动的位置。可提供距离传感器(309)以确定运动距离以及各扫描在何处一致。
文档编号E21F17/00GK101223336SQ200580051084
公开日2008年7月16日 申请日期2005年7月15日 优先权日2005年7月15日
发明者乔纳松·凯里·罗尔斯顿, 查德·欧文·哈格雷夫, 迈克尔·肖恩·凯利 申请人:联邦科学和工业研究组织