1.一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置,其特征在于,包括控制中心器(1)、升降系统(5)、角度控制系统(10);
升降系统(5)包括提升绞车(4)、钢丝绳(7)和方向控制盘(6),钢丝绳(7)一端与提升绞车(4)固定并缠在提升绞车(4),另一端垂如钻孔(8)中,方向控制盘(6)与提升绞车(4)连接;
角度控制系统(10)包括钢套筒(9)、角度控制器(18)、回转电机(11)和回转支柱(17)、回转电机(11)、减速器(12)和状态调整器(13),钢套筒(9)为中部内凹的结构,角度控制器(18)套在钢套筒(9)外卡在内凹的部位,钢套筒(9)内最下部设有回转电机(11),回转电机(11)通过减速器(12)与回转支柱(17)连接,回转支柱(17)底部通过状态调整器(13)与保安段(14)铰接,保安段(14)上设有扫描探头(16);
角度控制系统(10)位于钻孔(8)中,钢丝绳(7)一端与回转电机(11)连接,角度控制器(18)、回转电机(11)和扫描探头(16)分别通过传输电缆(3)与控制中心器(1)连接,角度控制器(18)通过气管(2)与控制中心器(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法,其特征在于:所述扫描探头(16)设置在保安段(14)的侧面。
3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模装置及方法,其特征在于:所述扫描探头(16)为毫米波雷达。
4.一种基于毫米波雷达地下采空区快速三维扫描建模方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:通过升降系统(5)将角度控制系统(10)顺着钻孔(8)向下放,当回转电机(11)下放到采空区(15)揭露深度时停止下放;
步骤二:控制中心器(1)控制气泵通过气管(2)给角度控制器(18)充气,角度控制器(18)膨胀后将钢套筒(9)卡死在钻孔(8)中,并将角度信息通过传输电缆(3)传回到控制中心器(1);
步骤三:启动扫描探头(16),初始状态扫描探头(16)处于第一扫描状态(19),得到0°位置的扫描断面和采空区(15)边界线;
步骤四:启动回转电机(11),带动扫描探头(16)回转,扫描探头(16)回转360°,完成整个采空区(15)四周边界的扫描,扫描探头(16)回到了初始位置;
步骤五:启动状态调整器(13),将扫描探头(16)调整到第二扫描状态(20),重复步骤四对采空区(15)顶部进行扫描;
步骤六:启动状态调整器(13),将扫描探头(16)调整到第三扫描状态(21),重复步骤四对采空区(15)底部进行扫描;
由于整个扫描运行过程中扫描探头(16)的高度保持不变,则整个探测结果可以看做以扫描探头(16)为中心的球坐标空间数据;控制中心器(1)根据扫描探头(16)扫描得到的数据,建立采空区(15)模型,确定采空区(15)的边界和体积;
步骤七:对于单一扫描面而言,以扫描探头(16)的安装中心为圆心,圆心的坐标为球坐标的原点,单个扫描探头16的有效扫描范围为80°,根据球面坐标系解算每个方向上的采空区(15)边界坐标,即:采空区(15)边界上球面坐标点(r,A,θ),通过x=rsinAcosθ,y=rsinAsinθ和z=rcosA变换,就可得到采空区(15)边界坐标,其中r采空区(15)边界距安装中心的距离,A为步骤四中扫描探头(16)回转角度,θ为扫描探头(16)在同一水平面上转过的角度;
步骤八:以回转支柱(17)的中心为圆心,采用每个边界位置的平面坐标(x,y,z),选取每个平面回转角度上的最大值投影到水平面上,确定采空区(15)边界;
步骤九:根据各边界投影点坐标,采用三重积分法计算采空区(15)体积,
步骤十:根据步骤八得到的采空区(15)最大范围,结合露天矿采剥工程位置和扫描点的投影坐标,计算采空区(15)范围内各点的上覆岩层总厚度,即:采空区边界上的点M(x,y,z),则该点的顶板岩层厚度即该点距离地表的距离为:L=L1+L2±z,单位m,其中L1为钻孔(8)深度,L2为回转支柱(17)伸出的长度,根据扫描得到的结果构建成一个立体模型;
步骤十一:完成整个采空区(15)的扫描后,将扫描探头(16)回转到初始位置,通过中心器(1)控制气泵将角度控制器(18)内的空气抽出,通过提升绞车(4)将整个角度控制系统(10)从钻孔(8)中取出。