CN107015282B - 基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，属于矿业和岩土工程安全检测与监控技术领域。设置地下空间围岩灾害实时监测装置，包括供电电极、测量电极、电法仪、锚杆和主控计算机，主控计算机与电法仪相连接，供电电极和测量电极分别与电法仪通过导线连接，供电电极和测量电极分别与在地下空间围岩监测区域锚杆连接。利用锚杆作为导体监测锚固区及围岩的电阻率，根据电阻率的变化监测围岩及锚固区的稳定性。具有对围岩无损伤、准确性较高、应用范围广等优点。
Description
技术领域
基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，属于矿业和岩土工程安全检测与监控技术领域。
背景技术
地下空间围岩存在片帮、顶板冒落、突水及岩爆动力灾害等危险，不仅造成支护失效，影响工程进度，甚至产生地震，对工作人员和设备构成了直接威胁。锚杆支护已成为世界各国矿井巷道及其它地下工程支护的一种主要形式，因此锚杆锚固区的稳定性问题尤为重要。随着地下空间开发和开采深度的不断增加，地应力越来越高，使得围岩破坏频度和强度越来越高，工程灾害日益严重，安全问题亟待解决。
目前利用极化率判断围岩灾害的方式，主要通过人工电流场一次场或激发场的作用，使具有不同电化学性质的岩石或矿石，在电化学作用产生随时间变化的二次电场(激发极化场)，二次场电位差与一次场电位差的比值称为极化率。围岩破裂前有突跳、波动、加速下降或急剧上升等极化率前兆现象，但根据前兆现象进行预测其结果准确性比较低，极化率前兆机制尚不明确，围岩破坏的极化率前兆信息监测相对困难，监测过程繁琐。同时需要另外开挖围岩埋伏电极，会对围岩造成二次破坏。激发极化监测方法的仪器不能大范围的适用不同围岩灾害监测。
另外目前关于围岩监测主要是围岩变形监测，围岩变形监测中有的预警效果不理想，有的监测成本高，有的无法实现全方位实时监测。针对围岩的声发射监测，其安装监测过程相对繁琐复杂而且费用高，对整个安装质量的要求也较高，监测数据的后期分析复杂和不方便，实际使用效果并不理想。针对现有技术存在一定的技术问题，有必要探寻利用新的有效监测与预警技术实现围岩灾害实时监测的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的准确性低、过程繁琐、无法大范围监测灾害、对围岩二次破坏的不足，提供一种操作简单、对围岩无损伤、准确性较高、应用范围广的基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，其特征在于：设置地下空间围岩灾害实时监测装置，包括供电电极、测量电极、电法仪、锚杆和主控计算机，主控计算机与电法仪相连接，供电电极和测量电极分别与电法仪通过导线连接，供电电极和测量电极分别与在地下空间围岩监测区域锚杆连接，
监测步骤如下：
步骤1001：在地下空间围岩锚固监测区，根据监测范围设置监测区边界锚杆，按监测区边界锚杆的间距布置供电电极，将供电电极与监测区边界锚杆连接；
步骤1002：监测区边界锚杆的间距内，根据测量范围设置测量区边界锚杆，按测量区边界锚杆的间距布置测量电极，将测量电极与测量区边界锚杆连接；
步骤1003：将供电电极和测量电极通过导线分别与电法仪的输出端和输入端相连，电法仪通过测量电极测量；
步骤1004：开启设备实施监测，供电电极对监测区边界锚杆通电，电法仪通过测量电极测定测量区边界锚杆之间围岩的电阻率；
步骤1005：电法仪与主控计算机通信测量结果；
步骤1006：主控计算机对监测到的地下空间围岩锚固测量区的电阻率进行实时记录和分析；
步骤1007：判断得到监测范围内不同间隔时段的围岩电阻率及其变化规律与特征，根据间隔时段围岩电阻率的变化趋势、规律与特征判断是否符合设定的前兆模式，如果符合设定的前兆模式，进入步骤1008，否则，返回步骤1006继续监测分析；
步骤1008：执行判断灾害流程。
优选的，所述的步骤1008中的判断灾害流程，包括如下步骤：
步骤2001：电阻率的变化趋势符合设定的前兆模式，进入步骤2002；
步骤2002：主控计算机判断是否存在发生围岩灾害的可能性，如果存在发生围岩灾害的可能性，执行步骤2003，如果不存在发生围岩灾害的可能性，执行步骤2005；
步骤2003：确定围岩灾害的范围，并同时执行步骤2004和步骤2005；
步骤2004：发布围岩灾害的预警级别；
步骤2005：主控计算机进行报警。
优选的，所述的地下空间围岩灾害电阻率实时监测装置还包括声光报警装置，声光报警装置与主控计算机相连接，主控计算机通过声光报警装置进行报警。
优选的，所述的测量区边界锚杆位于监测区边界锚杆之间形成的直线上。
优选的，所述的监测区边界锚杆间隔范围为大于1.8m。
优选的，所述的测量区边界锚杆的间隔范围小于等于在监测区范围内与两侧的监测区边界锚杆相邻的两根锚杆的间距，大于等于监测区边界锚杆间隔范围内的两根相邻锚杆的最小间距。
本发明的工作原理为：两端的供电电极通过监测区边界锚杆对监测区边界锚杆所在围岩通电，使监测的围岩区域导电，测量电极设置在两个供电电极之间，测量电极通过测量区边界锚杆测量地下空间围岩锚固测量区的电阻率，电法仪的输出端和输入端分别与供电电极和测量电极相连，测量的电阻率传递给电法仪，电法仪通信到主控计算机，主控计算机分析电阻率的变化情况，判断是否符合前兆模式，若符合，则启动声光报警装置，进入判断灾害流程，若不符合返回继续监测。判断灾害流程，通过主控计算机判断围岩灾害发生的可能性，判断是否发出预警及判断预警范围和级别。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、本发明的基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，具有操作与后期分析简单、自动化程度高、对围岩无损伤、准确性较高、应用范围广、监测数据实时可靠并且可以实现分级预警的有益效果。
2、本发明操作与后期分析简单：利用锚杆作为导体监测锚固区及围岩的电阻率，只需将四个电极与四个锚杆连接，连接过程简单，监测范围就是与测量电极相连接的两根锚杆之间的范围，监测范围可任意调整，整个监测过程不影响工程的正常进行；后期分析简单，电阻率的变化趋势、规律与特征如果符合设定的前兆模式即发出预警，进一步确保工作人员和设备的安全。
3、本发明自动化程度高：利用原有的锚杆，无需另外开挖围岩，实现了对围岩的无损监测，由电法仪及主控计算机程序实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，自动化程度进一步增强，节省了人力、物力。
4、本发明对围岩无损伤：利用围岩层中原有的锚杆连接电极，代替电极在围岩层中的作用，因此无需在围岩层中另外设置电极，节约了材料成本，避免了在安装电极时对围岩层造成的二次破坏。
5、本发明准确性较高：监测的电阻率，是岩石电学特性最重要的参数，通过观测岩石电阻率的变化，可反推岩石的力学性质，可判断岩石内部的应力状态，可对岩石破坏进行预测，预测机制比较明确，准确性较高，监测过程相对简单。
6、本发明应用范围广：基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测可应用于围岩的大变形、片帮、底鼓、顶板冒落、岩爆动力灾害、突水等预测预报上，本发明所采用的仪器可采用电法检测方面的所有仪器，相比激发极化监测方法的仪器，所适用仪器更广泛，操作更方便。
7、本发明监测数据实时可靠：基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测，监测精度高，受外界的干扰影响小，使得监测到的数据更真实可靠；电法仪及主控计算机程序实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，实现了对围岩的全程控实时监测。
8、本发明灾害监测实现分级预警：通过对监测到的围岩电阻率的实时分析，得到间隔时段围岩电阻率的变化趋势、规律与特征，根据其符合设定的前兆模式的情况，判断其是否发生灾害及确定灾害范围，发出预警并根据灾害范围发布预警级别。
附图说明
图1 实施例1基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法示意图。
图2 供电电极和测量电极布置示意图。
图3 基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法流程图。
图4基于图3的判断灾害流程图。
其中：1、供电电极 2、测量电极 3、电法仪 4、主控计算机 5、声光报警装置 6、监测区边界锚杆 7、测量区边界锚杆。
具体实施方式
图1~4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~4对本发明做进一步说明。
如图1所示，基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，包括一个实时监测系统，监测系统包括一组供电电极1、一组测量电极2、电法仪3和主控计算机4，供电电极1与电法仪3的输出端相连，测量电极2与电法仪3输入端相连，电法仪3与主控计算机4相连，主控计算机4还与声光报警装置5相连。
如图2所示，在地下空间围岩中设置有处于同一条直线上的多根锚杆，相邻两根锚杆之间的间距为0.4~1.6m，最外端的两根锚杆为监测区边界锚杆6，两根监测区边界锚杆6间隔范围≥1.8m，两根监测区边界锚杆6间隔形成位于地下空间围岩中的监测区域，两根监测区边界锚杆6与相应的供电电极1共同形成监测区域边界的电极，两个供电电极1分别记为供电电极A和供电电极B，A、B两个供电电极1通过监测区边界锚杆6接触围岩，向围岩发射电流，以建立人工电场。
位于两根监测区边界锚杆6之间有若干锚杆，按一定间隔范围选择两根锚杆与两根测量电极2相连，选中的锚杆为测量区边界锚杆7，测量区边界锚杆7与相应的测量电极2共同构成测量区边界的电极，两个测量电极2分别记为测量电极M和测量电极N。测量区边界锚杆7的间隔范围MN小于等于在监测区范围内与两侧的监测区边界锚杆6相邻的两根锚杆的间距，大于等于监测区边界锚杆6间隔范围内的两根相邻锚杆的最小间距。MN之间可以间隔不同数量的锚杆，使测量范围MN扩大。
A、B两个供电电极1和M、N两个测量电极2通过连接导线分别与电法仪3的输出端和输入端相连，电法仪3与主控计算机4相互通信，主控计算机4与声光报警装置5通信，将A、B两个供电电极1和M、N两个测量电极2分别与在地下空间围岩监测区域相应的锚杆连接，电法仪3与主控计算机4对监测到的地下空间围岩及锚固区的电阻率进行实时记录和分析。针对锚杆支护区监测，利用锚杆作为导体监测锚固区及围岩的电阻率。在本实时监测系统中，利用围岩层中原有的锚杆连接电极，代替电极在围岩层中的作用，因此无需在围岩层中另外单独设置电极，节约了材料成本，同时避免了在安装电极时对围岩层造成的二次破坏。
不同的围岩电阻率一般在10Ω·m到100000Ω·m范围内不断变化，围岩电阻率的变化会随着地应力的升高不断降低，但降低幅度越来越小，最后围岩发生破坏时电阻率升高，因此通过对围岩电阻率的变化的监测来判断围岩及锚固区的稳定性。在本基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法中，通过观测岩石电阻率的变化反推出岩石的力学性质，从而可以对岩石内部的应力状态进行判断，实现了对岩石破坏的预测。而比较传统的利用电场对围岩进行判断的技术方案中，一般通过极化率实现判断，具体而言通过围岩破裂前的突跳、波动、加速下降或急剧上升等极化率前兆现象实现判断，而这种技术方案准确性较低，极化率前兆机制尚不明确，围岩破坏的极化率前兆信息监测相对困难，监测过程繁琐。因此本申请的相比较传统的技术方案，具有预测机制明确，准确性高，且监测过程相对简单的优点。
如图3所示，本基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，具体监测步骤如下：
步骤1001：在地下空间围岩锚固监测区，根据监测范围设置监测区边界锚杆6，按监测区边界锚杆6的间距布置A、B两个供电电极1，将A、B两个供电电极1与监测区边界锚杆6连接；
步骤1002：监测区边界锚杆6的间距内，根据测量范围设置测量区边界锚杆7，按测量区边界锚杆7的间距布置M、N两个测量电极2，将M、N两个测量电极2与测量区边界锚杆7连接；
步骤1003：将A、B两个供电电极1和M、N两个测量电极2通过导线分别与电法仪3的输出端和输入端相连，电法仪3通过M、N两个测量电极2测量电阻率；
步骤1004：开启设备实施监测，A、B两个供电电极1对监测区边界锚杆6通电，电法仪3通过M、N两个测量电极2测定测量区边界锚杆7之间围岩的电阻率；
步骤1005：电法仪3与主控计算机4通信测量结果；
步骤1006：主控计算机4对监测到的地下空间围岩锚固测量区的电阻率进行实时记录和分析；
步骤1007：判断得到监测范围内不同间隔时段的围岩电阻率及其变化规律与特征，根据间隔时段围岩电阻率的变化趋势、规律与特征判断是否符合设定的前兆模式，如果符合设定的前兆模式，进入步骤1008，否则，返回步骤1006继续监测分析；
步骤1008：执行判断灾害流程。
如图4所示，所述的步骤1008的判断灾害流程如下：
步骤2001：电阻率的变化趋势符合设定的前兆模式，进入步骤2002；
步骤2002：主控计算机4判断是否存在发生围岩灾害的可能性，如果存在发生围岩灾害的可能性，执行步骤2003，如果不存在发生围岩灾害的可能性，执行步骤2005；
步骤2003：确定围岩灾害的范围，并同时执行步骤2004和步骤2005；
步骤2004：发布围岩灾害的预警级别；
步骤2005：主控计算机4驱动声光报警装置5进行报警。
本实施例的工作过程为：A、B两个供电电极1对监测区的监测区边界锚杆6通电，M、N两个测量电极2与测量区的测量区边界锚杆7相连接，电法仪3的两个输入端连接M、N两个测量电极2，M、N两个测量电极2测量地下空间围岩锚固测量区的电阻率，通信到主控计算机4，主控计算机4分析电阻率的变化情况，判断是否符合前兆模式，若符合，则启动声光报警装置5，若不符合，主控计算机4继续监测电阻率的变化情况是否符合前兆模式。进入前兆模式后，判断监测区域是否发生灾害及确定灾害范围，若发生灾害，启动声光报警装置5，发出预警并根据灾害范围发布预警级别，若不发生，只启动声光报警装置5。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，其特征在于：设置地下空间围岩灾害实时监测装置，包括供电电极（1）、测量电极（2）、电法仪（3）、锚杆和主控计算机（4），主控计算机（4）与电法仪（3）相连接，供电电极（1）和测量电极（2）分别与电法仪（3）通过导线连接，供电电极（1）和测量电极（2）分别与在地下空间围岩监测区域锚杆连接，
监测步骤如下：
步骤1001：在地下空间围岩锚固监测区，根据监测范围设置监测区边界锚杆（6），按监测区边界锚杆（6）的间距布置供电电极（1），将供电电极（1）与监测区边界锚杆（6）连接；
步骤1002：监测区边界锚杆（6）的间距内，根据测量范围设置测量区边界锚杆（7），按测量区边界锚杆（7）的间距布置测量电极（2），将测量电极（2）与测量区边界锚杆（7）连接；
步骤1003：将供电电极（1）和测量电极（2）通过导线分别与电法仪（3）的输出端和输入端相连，电法仪（3）通过测量电极（2）测量；
步骤1004：供电电极（1）对监测区边界锚杆（6）通电，电法仪（3）通过测量电极（2）测定测量区边界锚杆（7）之间围岩的电阻率；
步骤1005：电法仪（3）与主控计算机（4）通信测量结果；
步骤1006：主控计算机（4）对监测到的地下空间围岩锚固测量区的电阻率进行实时记录和分析；
步骤1007：判断得到监测范围内不同间隔时段的围岩电阻率及其变化规律与特征，根据间隔时段围岩电阻率的变化趋势、规律与特征判断是否符合设定的前兆模式，如果符合设定的前兆模式，进入步骤1008，否则，返回步骤1006继续监测分析；
步骤1008：执行判断灾害流程；
监测区边界锚杆（6）和测量区边界锚杆（7）均利用地下空间围岩监测区域锚杆实现。
2.根据权利要求1所述的基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，其特征在于：步骤1008中所述的判断灾害流程，包括如下步骤：
步骤2001：电阻率的变化趋势符合设定的前兆模式，进入2002；
步骤2002：主控计算机（4）判断是否存在发生围岩灾害的可能性，如果存在发生围岩灾害的可能性，执行步骤2003，如果不存在发生围岩灾害的可能性，执行步骤2005；
步骤2003：确定围岩灾害的范围，并同时执行步骤2004和步骤2005；
步骤2004：发布围岩灾害的预警级别；
步骤2005：主控计算机（4）进行报警。
3.根据权利要求1所述的基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，其特征在于：所述的地下空间围岩灾害电阻率实时监测装置还包括声光报警装置（5），声光报警装置（5）与主控计算机（4）相连接。
4.根据权利要求1所述的基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，其特征在于：所述的测量区边界锚杆（7）位于监测区边界锚杆（6）之间形成的直线上。
5.根据权利要求1所述的基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，其特征在于：所述的监测区边界锚杆（6）间隔范围为大于1.8m。
6.根据权利要求1所述的基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法，其特征在于：所述的测量区边界锚杆（7）的间隔范围小于等于在监测区范围内与两侧的监测区边界锚杆（6）相邻的两根锚杆的间距，大于等于监测区边界锚杆（6）间隔范围内的两根相邻锚杆的最小间距。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20181207 |