露天转地下开采实验模型的监控系统和监控数据处理方法

本发明涉及矿山开采，特别涉及一种露天转地下开采实验模型的监控系统和监控数据处理方法。

背景技术：

1、经过几十年持续高强度开采，绝大多数露天矿山已经进入深凹露天开采阶段，大部分矿山正在或者已经转入地下开采。地下采矿活动，会在一定区域范围内产生若干个地下负空间，破坏原有应力分布及平衡状态，在围岩及上覆岩层中形成采动裂隙。地下暗河通过采动裂隙不断浸润和传输至周围区域，造成土质软化，失去原有稳定力学特征，导致工作台面及巷道冒顶、塌落。地表水、大气降水易通过各类通道向矿坑及地下巷道汇集，冲刷工作台面，影响覆岩-陡坡系统稳定。

2、目前，许多研究者在实验室建立了露天转地下开采相似模拟实验，研究露天转地下开采过程中应力、含水率、位移变化等。由于用于监测岩层物理性质变化设备的特殊性，现有的监测设备及监测方法难以在实验室模型中大规模普及，且监测的数据具有一定的局限性和不合理性。有必要设计一种露天转地下开采实验模型的监控系统和监控数据处理方法，以便结论真实可靠，与理论分析和数值模拟计算结果相验证。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种露天转地下开采实验模型的监控系统和监控数据处理方法。可以对露天转地下开采过程中覆岩-陡坡系统的力学特征进行研究，以探索露天转地下开采与大气降水、体表水体及地下水相互影响机理，有效的进行应力、位移、含水率的监测，进而指导开采生产的高效安全进行。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种露天转地下开采实验模型的监控系统，包括：实验模型、三目立体相机、监测装置和终端；

4、在实验模型的高陡边坡正面和两侧面放置分别放置一台三目立体相机；用于获取覆岩和陡坡的变形情况，变形情况包括形态变化、裂缝扩展、滑坡现象。将采集的点云和rgb图像信息传输给终端，进行三维重建和形态分析；

5、所述监测装置布置在监测点上；

6、所述监测点包括：多个三维空间监测点和多个矿房-矿柱监测点；

7、多个三维空间监测点位于实验模型中，在实验模型中建立起x、y、z轴的笛卡尔坐标系，并设置每个三维空间监测点的位置；

8、实验模型的右下角靠内部的三维空间监测点作为坐标原点，按照x、y、z轴笛卡尔坐标系的规则，每隔20cm设置一个三维空间监测点。

9、在矿房及矿柱周围设置矿房-矿柱监测点：在矿房及矿柱中心线垂直5cm处，每隔20cm设置一个矿房-矿柱监测点。

10、终端通过数据采集器连接监测装置，采集器用于处理及转化来自监测装置的电信号，终端对监测装置采集的数据进行处理和分析，得到用户需要的数据。

11、进一步地，所述监测装置包括：土压力盒、孔隙水压力计、位移传感器计及数据采集器；

12、土压力盒：土压力盒用于测量实验模型内土体中的侧向土压力。

13、空隙水压力计：空隙水压力计用于测量实验模型内岩土中的水压力，以监测岩土体内的水压情况。

14、位移传感器：位移传感器用于测量实验模型内土体的变形，以监测岩土体的位移变化。

15、进一步地，所述终端的作用如下：

16、数据接收和存储：终端通过连接各个监测装置，接收并存储来自土压力盒、空隙水压力计、位移传感器和三目立体相机等设备的监测数据。这些数据包括土体应力、位移、孔隙水压等信息，以及三目立体相机拍摄的点云和rgb图像信息。

17、数据处理和分析：终端配备了相应的软件工具和算法，对接收到的监测数据进行处理和分析。能够对土压力盒、空隙水压力计和位移传感器的数据进行解读、解析和计算，得到变形特征、应力状态和水压的情况数据。同时，终端还能通过图像处理和分析技术对摄像头获取的点云和rgb图像信息进行三维重建和形态分析，进一步提供对实验模型变形特征和失稳机制的理解。

18、数据展示和可视化：终端能够以图形、图表形式展示处理和分析得到的数据结果。

19、异常情况监测和预警：终端通过监测装置接收到的实时数据，可以实时监测实验模型的变形过程，并利用预设的阈值和算法进行异常情况的监测和预警。

20、本发明还公开了终端对三目立体相机数据的处理步骤，如下：

21、步骤1、对三目立体相机拍摄的图像进行裁剪，移除与试验模型无关的信息。

22、步骤2、对裁剪后的图像进行自适应阈值和灰度化处理，以提高图像的质量。

23、步骤3、在边坡局部的破坏区域种植多像素种子点，并与点云坐标相结合开始生长，以确定破坏区域的轮廓。

24、步骤4、使用中值滤波方法和contourarea函数去除孤立区域和非破坏区域，以提高破坏区域的准确性。

25、步骤5、使用canny算子进一步提取和优化识别到的破坏区域轮廓，以获得更精确的边缘信息。

26、步骤6、通过提取出的破坏区域轮廓，计算裂纹的宽度、深度和长度数据，描述裂纹的空间分布特征和时程变化规律。

27、步骤7、根据破坏区域的面积和体积随边坡滑移进程的变化数据，得到陡坡从局部破坏到整体失稳的演化机制。

28、本发明还公开了终端对监测装置数据的处理步骤，如下：

29、步骤1、利用离散元软件matdem建立数值计算模型：根据实验模型的几何形状和材料特性，在matdem中建立与实验模型完全相似的数值计算模型。计算模型将用于计算应力、位移和含水率参数的变化。

30、步骤2、计算和对比实验数据：在matdem中进行数值计算，获得与实验模型监测点对应的应力、位移和含水率数据。将计算结果与实验模型的监测值进行对比，评估相似实验数据的真实性和准确性。

31、步骤3、使用matlab的griddata函数进行插值处理：将matdem计算得到的应力、孔隙水压和位移数据导出，并使用matlab中的griddata函数进行插值处理。在插值过程中，获取断面、纵面和层面的应力、孔隙水压和位移数据。

32、步骤4、可视化分析：利用matlab的surf函数和contour函数，根据插值处理得到的数据，分别绘制覆岩和陡坡内部各物理场的分布图和等值线图，得到可视化结果。

33、步骤5、结合陡坡系统破坏失稳演化数据与可视化结果，进一步得到复杂应力扰动过程耦合降雨-地下水渗流冲蚀的覆岩和陡坡失稳机制。

34、与现有技术相比，本发明的优点在于：

35、1.全方位、多角度观测矿房及矿柱开采对矿山内部应力、位移、含水率的变化影响。创新性的设置矿山内部三维空间监测点，从垂直面的三个方向，监测矿山开采不同阶段矿山大局部区域应力、位移、含水率数据变化。结合外部多个方向三目立体相机监测的高陡边坡各时刻点的破坏位置坐标，进而考察高陡边坡在空间上局部破坏与整体破坏的内在联系。

36、2.即时、有效反映不同开采阶段对矿房及矿柱周围岩体的变化情况。通过预埋矿房及矿柱传感器，提供实时的观测和测量数据，监测数据能为现实开采过程提供有效的安全决策依据。实验模型的监控系统形成矿房-矿柱监测区域、矿山内部三维空间监测区域、外部形变监测区域三大监测区域，能有效的记录试验过程应力、含水率、孔隙水压力和位移变形等关键参数，获取系统破坏过程应力场、渗流场以及位移场的时空演化特征，进而在工程尺度上揭示流体渗流潜蚀作用下覆岩-陡坡系统渐进破坏机理。

37、3.观测和测量：得到的数据可以用于监测和记录不同因素的变化，如地下水位、水质、土壤变化等。这些观测和测量数据可以用于评估和分析开采过程中的各种影响和效应。

38、4.可以研究地表径流冲蚀过程高陡边坡局部破断与整体破坏间的关系。布置的三目立体摄像机相机，可以监测强降雨过程高陡边坡变形破坏全过程，记录各时刻点破坏图像，获取图像区域内破坏位置坐标，确定各时刻点破坏位置的空间分布特征，进而考察高陡边坡在空间上局部破坏与整体破坏的内在联系。结合时间、空间内高陡边坡变形破裂演化规律，进一步揭示高陡在降雨冲蚀以及入渗过程破裂失稳演化机制。

39、5.复合采动过程覆岩-陡坡系统渗流冲蚀失稳机制。根据实验要求，使用传感器记录试验过程地应力、含水率、孔压和位移变形等关键参数，获取系统破坏过程应力场、渗流场以及位移场的时空演化特征，进而在工程尺度上揭示流体渗流潜蚀作用下覆岩-陡坡系统渐进破坏机理。