井筒病害巡检系统在矿井巡检中的应用

田茂义　孙志阳　高　航　侯海龙　周茂伦,

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院；2.青岛秀山移动测量有限公司)



井筒病害巡检系统在矿井巡检中的应用

田茂义1孙志阳1高航1侯海龙2周茂伦1,2

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院；2.青岛秀山移动测量有限公司)

摘要煤矿安全巡检是矿井生产中的重要环节，井筒病害巡检系统可为煤矿安全生产提供稳定、可靠的病害信息。该系统融入了现代化信息技术，外业数据可实现自动、高效采集，极大提高了作业效率；内业结合GIS影像处理方法，实现了煤矿安全巡检人员办公信息化，提高了巡检的准确性、实时性和可靠性。为煤矿企业信息化发展提供重要参考依据，有一定的应用价值。

关键词井筒病害巡检系统矿井影像数据采集

矿井巡检是煤矿安全生产过程中的必要保障，出色的巡检工作能够及时排查出矿井的潜在安全隐患，为煤矿企业的安全运营保驾护航。矿井承担着原煤提升、生产设备和材料的上下井、通讯以及排水等重要任务，是整个煤矿安全保障系统的重要组成部分。目前，手工记录巡检是我国煤矿安全巡检的主要工作方式，巡检员通过笔录各监测点数据后移交到井上数据处理中心录入微机，这就需要操作人员筛选和录入很多繁杂的数据，增加了巡检难度，不便于日后的查询[1]。为克服传统巡检的局限性，山东科技大学联合青岛秀山移动测量有限公司，研发了井筒病害巡检系统，对矿井进行安全、高效检测，同时获取海量矿井影像，结合GIS影像处理方法，实现了对井壁裂缝、渗水、破碎等病害的交互式自动提取，为矿井管理人员提供有效的信息[2-3]。

1　井筒病害巡检系统简介

井筒病害巡检系统硬件主要由4台工业相机(GS22-GE-50S5C/M-C)、照明系统(LED照明灯)、竖井巡检仪和工业计算机组成。软件主要包含数据采集系统、图像拼接系统、图像配准系统、图像分析系统、图像管理系统以及病害分析系统等组成。该系统具有体积小、操作简单、运作灵活、不影响正常生产等优点。数据采集时可实时显示系统的运行状态，实时存储海量影像数据，通过中央控制系统将采集的数传输到计算机中。借助于井筒病害巡检系统的后处理软件，实现影像的预处理、拼接配准、病害采集等功能，最终建立井筒病害数据库，有助于多期数据分析对比，方便巡检人员管理与维护。系统构成如图1所示。

图1　井筒病害巡检系统

2　井筒病害巡检系统的数据采集和处理

2.1数据采集前的准备工作

安置仪器前注意整平三脚架，确保无误后将该系统固定安装在罐笼顶部。数据采集作业中，固定好竖井巡检仪，调节其载体位置，保持每次数据采集作业起始点相同，基准误差不得超过1 m，每次作业将巡检仪中心相机正对拍摄区同一参照物，进而确保每次数据采集时巡检的井筒范围相同。

2.2外业数据采集

启动井筒病害巡检系统，可高效、自动采集影像，可通过数据采集系统实时进行相机采集状态监控，设备的电源管理等同步控制。该系统采集到的影像格式为.raw数据，经系统解析功能可转换为jpg格式，方便后续处理与使用。

2.3数据处理2.3.1内业处理流程

图2为基于井筒病害巡检系统的数据处理流程。

图2　井筒病害巡检系统的数据处理流程

2.3.2图像预处理

在采集过程中，伴随着投影变形的影响，从影像中心向外影像变形程度会逐渐增大，影像之间的重叠度较大，可对影像进行适当裁剪，降低数据量，以防内存不足，提高拼接效率；采用灰度变换算法进行空间域影像增强，增强影像的整体效果，改善影像质量,以便在后续操作时更好地分析与理解；根据预先建立的影像拼接模型创建图像索引，索引文件存储了影像拍摄时间、实际矿井中的位置等信息，是影像分区及拼接的依据。

2.3.3图像拼接配准

拼接分为两个阶段：纵向拼接，单相机影像拼接，把每个相机处理后的影像分别进行拼接，形成4幅单相机影像；横向拼接，全相机拼接，把上一阶段形成的单相机影像进行横向拼接，最后把4个相机的影像拼接为一幅高清，宽幅影像。横向拼接过程中，采用GIS方法对图像进行地理坐标配准，生成相应的地理坐标文件，此文件定义了影像像素坐标与实际地理坐标的仿射关系[4-5],以及空间校正等处理。

2.3.4病害采集

图像拼接配准完成后，形成清晰完整影像，应用配套的软件处理系统可进行矿井病害的分类提取，将采集到的病害自动进行数据入库，可根据多期数据进行病害分析。该过程可将多期的病害库分类导出，方便查询与使用。

3　工程应用

3.1矿井概况

某矿井深约610 m，获取的影像2 500张。采集数据时矿井一般情况下亮度较低，而且矿井井壁的结构比较相似。传统人工检查病害只能大体获取病害位置、病害类型，不能定量的分析病害到达的程度；每次检查都需要1～2人,只能在矿井空闲时进行,检查不灵活；检查过程中存在人员偷懒、漏检等情况，造成数据统计不完整，可用性差[4]。病害巡检系统无人值守，自动采集外业数据。外业采集数据大约需要30 min，常规巡检过程内业处理需要1.5～2个工作日，快速巡检内业(有针对性的检查)需0.5个工作日。

3.2成果展示

经内业数据处理后，可清晰查询井筒病害信息，图3为井筒病害提取影像。表1展示了部分井筒出水统计信息和井壁损坏统计信息，根据这些信息可及时掌握井筒病害，并作出补救措施。

图3　井筒病害提取影像表1　部分井筒、井壁出水统计

位置编号病害类型等级影响区域深度/m方位/(°)采集日期备注井筒1缝隙出水明显130北偏东8212-291缝隙出水明显2130北偏东8212-291井壁渗水一般1140北偏东5412-292井壁渗水严重170北偏东312-292井壁渗水严重1170北偏东312-29此次巡检共发现井壁出水5处,其中井壁渗水3处,缝隙出水2处。井壁1结碱严重222正北12-281裂缝一般1.55北偏西7112-282结碱明显3.51北偏东4612-293结碱一般212.27南偏西312-294结碱明显217.34南偏西412-291掉渣严重240.56南偏西2112-28此次巡检没发现井壁损坏,结碱4处,裂缝1处,掉渣1处。

4　结果分析

根据井筒病害巡检系统导出的病害报告，可直观分析井筒病害的类型、病害深度以及病害等级。病害深度与实际病害位置偏离10～15 cm，该偏差满足实际需要。井筒病害等级与现场实际病害比较可知,该系统病害等级程度基本符合井筒现状，达到98%以上。将提取的病害进行数据入库，建立起多期数据，可以根据多期数据对比,采取有效措施去除病害,并防止病害的扩大生长。

5　结　语

井筒病害巡检系统作为一种全新的矿井井壁影像数据采集手段，可以获取大量的井壁影像，为矿井病害的获取提供丰富的信息。井筒病害巡检系统运行时无人值守全自动图片采集，相对于传统的病害检查，极大的降低了外业劳动强度，效率相对传统作业也有提高。外业采集数据经内业处理后可对影像进行系统的对比分析，为决策者提供可靠的病害信息，及时采取有效措施避免因井筒病害带来的灾害。该系统虽然可以满足实际的需要，但是精度还需进一步提高，处理内业时对计算机的要求较高。随着技术的不断提高，井筒病害巡检系统配套软件的不断优化，必将促进该技术在矿井病害中的广泛应用。

参考文献

[1]钱亮亮,傅娟.基于WCF技术的矿井巡检管理软件的开发[J].煤炭技术,2013(12):103-104.

[2]张慧丽,毛瑞,李昭静.基于GIS的矿井人员巡检系统设计[J].煤炭技术,2013(11):225-226.

[3]刘如飞,刘冰,卢秀山,等.无人机原始影像快速拼接系统的设计与实现[J].测绘科学,2013,38(5):170-171,182.

[4]刘泽宇.矿井瓦斯安全智能巡检系统在古书院矿的应用[J].煤矿安全,2007,38(5):58-60.

[5]吴秀芹.ArcGIS 9地理信息系统应用与实践[M].北京：清华大学出版社,2007.

(收稿日期2016-04-22)

田茂义(1976—)，男,副教授,博士，266590 山东省青岛市。