CN107036524B - 地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法 - Google Patents

Abstract

地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，属于矿业和岩土工程安全检测与监控技术领域。其特征在于：包括主控计算机、磁致伸缩位移传感器以及声光报警装置，包括如下步骤：步骤1，施工钻孔；步骤2，固定磁环；步骤3，安装传感器；步骤4，将传感器与供电电源连接；步骤5，将传感器、主控计算机、声光报警装置连接；步骤6，主控计算机实时监测与分析；步骤7，主控计算机进行判断与分析；步骤8，报警。在本地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法中，通过使用磁致伸缩位移传感器，实现了顶板围岩形变的非接触测量，不会由于摩擦、磨损等原因导致使用寿命降低，因此大大提高了精度、稳定性和可靠性。

Description

地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法

技术领域

地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，属于矿业和岩土工程安全检测与监控技术领域。

背景技术

地下空间比如地下工程和矿山井下存在围岩片帮、底鼓、岩爆、顶板冒落等危险，其中尤以冒顶或顶板事故最突出，其对工作人员和设备构成了直接威胁，而且影响工程进度，还能造成支护失效，甚至地震。2014 年全国煤矿事故总共发生509起，死亡931人，而顶板事故就有196起，死亡292 人，因此，围岩顶板安全问题亟待解决。

要保证安全必须针对上述问题的发生进行事先预防和预警，需要对围岩顶板状态进行监测监控。目前关于围岩顶板的监测手段主要包括：围岩变形监测、围岩支架载荷监测、围岩的应力监测以及针对以上监测开发的实时动态监测的仪器设备，如顶板动态监测系统、顶板在线监测系统等。在上述监测方法中，围岩变形监测是较为常见的监测手段。

围岩变形监测的工作原理是：当被测结构物发生变形时将会通过位移计的锚头带动测杆，测杆拉动位移计产生位移变形，变形传递给振弦式位移计转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可计算出被测结构物的变形量，其属于接触式测量，安装监测及分析过程相对繁琐复杂而且费用高，由于接触式测量器件之间会发生摩擦，因此长时间使用之后会因摩擦、磨损等原因导致使用寿命降低的问题，精度、稳定性和可靠性随之下降，同时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，有必要探寻新的有效监测与预警技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过使用磁致伸缩位移传感器，实现了顶板围岩形变的非接触测量，不会由于摩擦、磨损等原因导致使用寿命降低，因此大大提高了精度、稳定性和可靠性的地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：包括主控计算机、磁致伸缩位移传感器以及声光报警装置，磁致伸缩位移传感器安装在顶板围岩中，包括测杆、磁环以及传感器本体，传感器本体与主控计算机连接，主控计算机与声光报警装置相连，

包括如下步骤：

步骤1，在顶板围岩的监测位置进行开孔，由外而内依次形成测杆安装孔和测杆延伸孔；

步骤2，在磁环的内侧面上涂胶，然后将磁环送入测杆安装孔内，并固定在测杆延伸孔和测杆安装孔的交界处；

步骤3，将磁致伸缩位移传感器的测杆装入测杆安装孔内，测杆穿过磁环伸入测杆延伸孔内，将磁致伸缩位移传感器的传感器本体固定在测杆安装孔的开口处；

步骤4，将磁致伸缩位移传感器的传感器本体与供电电源相连；

步骤5，完成磁致伸缩位移传感器与主控计算机的通信连接以及主控计算机与声光报警装置之间的通信连接；

步骤6，磁致伸缩位移传感器将监测到的数据送入主控计算机，主控计算机通过磁致伸缩位移传感器送入的由磁环与测杆测定的位移数据对顶板围岩进行实时监测和分析；

步骤7，主控计算机通过对由磁致伸缩位移传感器监测到的顶板围岩的位移数据的实时分析，得到位移值及位移的变化规律，判断其是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，执行步骤8并同时返回步骤6；如果未超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤6；

步骤8，主控计算机控制声光报警装置进行报警。

优选的，所述的测杆延伸孔的直径小于磁环的外径和测杆安装孔的直径并与测杆安装孔同心设置。

优选的，在步骤2中，所述的磁环首先装入磁环固定盘内，并通过固定安装杆将磁环固定盘以及磁环同时装入测杆安装孔内。

优选的，所述的磁环固定盘包括固定盘本体以及开设在固定盘本体上方与磁环配合的安装槽，在安装槽的中心位置开设有安装孔，在固定盘本体的外圈还设置有与测杆安装孔紧密接触的弹性外套。

优选的，所述的安装槽的深度小于所述磁环的厚度。

优选的，所述的安装孔的直径大于测杆直径且小于所述磁环中部开孔的直径。

优选的，所述的固定安装杆包括手持杆，在手持杆的顶端同心固定有托盘，在托盘的上表面中心位置同轴设置有与所述的磁环固定盘配合安装的定位柱。

优选的，所述的定位柱的外周圈设置有外螺纹，与开设在磁环固定盘中心位置的安装孔内周圈内螺纹相配合。

优选的，在所述的步骤2中，在磁环的内侧面上涂胶之前，首先对测杆延伸孔和测杆安装孔进行灰尘清理。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、非接触式测量、自动化程度高：在本地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法中，通过使用磁致伸缩位移传感器，实现了顶板围岩形变的非接触测量，不会由于摩擦、磨损等原因导致使用寿命降低，因此大大提高了精度、稳定性和可靠性。由主控计算机程序及磁致伸缩位移传感器实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，自动化程度高，节省了人力、物力；

2、监测数据实时、可靠、监测范围大、应用范围广：扭转超声波法监测受外界的干扰影响小，其输出信号是一个真正的绝对位置的输出，而并不是比例的或需要放大处理的信号的输出，不存在漂移或变值的情况，使得监测到的数据更真实可靠也更稳定；主控计算机程序及磁致伸缩位移传感器可实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，实现了对顶板围岩的全程控实时监测；对顶板围岩的扭转超声波法实时监测适用于所有的围岩灾害领域预测预报，监测深度范围可达到3米以上；

3、安装、操作与后期分析简单：通过扭转超声波法监测只需将磁致伸缩位移传感器的磁环和测杆按要求固定在钻孔中即可，其工序简单，实施方便，整个监测过程具有简单、易于操作的特点，不影响工程的正常进行，特别适合顶板围岩监测。扭转超声波法监测的后期分析包括位移值及位移的变化规律，后期分析非常简单，如果超过设定的阈值或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；

4、设置在固定盘本体外圈的弹性外套使得磁环固定盘的外径略粗于测杆安装孔的直径，使得磁环固定盘在安装完毕之后其外周圈与测杆安装孔的内周圈之间紧密接触且存在一定的张紧力，通过磁环固定盘的弹性外套向测杆安装孔施加的张紧力使得磁环固定盘与弹性外套之间存在足够的摩擦力，保证磁环固定盘不会从测杆安装孔中掉出，起到了辅助磁环固定的作用；

5、在固定安装杆中，由于安装孔的直径小于磁环的直径，因此在定位柱与磁环固定盘之间进行螺纹连接时，定位柱不会与磁环发生接触，不会对磁环的设置造成任何影响。在将磁环固定盘与固定安装杆连接完毕之后，操作人员手握手持杆将磁环固定盘以及磁环送入测杆安装孔内并使磁环紧贴测杆安装孔的孔底面完成固定；

6、安装槽的深度小于磁环的厚度，以保证固定盘本体与磁环之间存在有较好的硬性接触，便于力的传递；

7、在固定磁环之前，需要对测杆安装孔内进行灰尘清理的工作，因此大大提高了磁环通过固定胶在测杆安装孔上的粘结效果，最大程度上防止磁环脱落；

8、通过将定位柱与磁环固定盘之间进行螺纹连接，因此在将定位柱与磁环固定盘连接之后通过下拉固定安装杆，方便将磁环固定盘取下，实现了磁环固定盘的回收，进一步节约了成本。

附图说明

图1为地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法硬件组成方框图。

图2为地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法流程图。

图3为地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法安装示意图。

图4为地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法磁环固定盘正视图。

图5为地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法磁环固定盘俯视图。

图6为地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法磁环安装杆结构示意图。

图7为地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法实施例2磁环固定盘正视图。

其中：1、顶板围岩 2、测杆延伸孔 3、磁环 4、磁环固定盘 5、测杆 6、测杆安装孔 7、传感器本体 8、导线 9、弹性外套 10、固定盘本体 11、安装孔 12、安装槽13、定位柱 14、托盘 15、手持杆。

具体实施方式

图1~6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~7对本发明做进一步说明。

如图1所示，地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，包括磁致伸缩位移传感器、主控计算机以及声光报警装置。磁致伸缩位移传感器由电源实现供电，磁致伸缩位移传感器通过其配置的磁环及测杆等对顶板的位移进行监测，并将监测到的数据送至主控计算机内，在主控计算机内设置有灾害判定程序，当磁致伸缩位移传感器送入的顶板的位移数据达到预设的灾害发生的临界值之后，主控计算机控制声光报警装置进行声光报警。

磁致伸缩位移传感器，是采用磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移变送器，该位移传感器采用时差测距法来对位移进行测量，利用两个不同的磁场相交来激发出扭转波，计算扭转波的传播时间，便能间接准确地进行位移测量，具有灵活的供电方式和极为方便的多种接线方法和多种输出形式满足各种测量、控制、检测的要求，由于采用非接触测量方式，避免了部件互相接触而造成磨擦或磨损，因此很适合应用于环境恶劣、不需定期维护的工程或场合，工作寿命长、良好的环境适应性、可靠性、能有效和稳定的工作，与导电橡胶位移传感器、磁栅位移传感器、电阻式位移传感器等产品相比同样具有有明显的优势，而且安装、调试方便，性价比高。

具体而言，如图2所示，地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，包括如下步骤：

步骤1，通过钻机在地下空间顶板围岩1监测地点施工钻孔；

结合图3所示：在顶板围岩1的监测位置进行开孔，形成测杆安装孔6，在测杆安装孔6的内端继续开设测杆延伸孔2，测杆延伸孔2的直径小于磁环3的外径和测杆安装孔6的直径并与测杆安装孔6同心设置。

步骤2，通过固定安装杆将磁环3固定在测杆安装孔6内；

在固定磁环3之前，需要对测杆安装孔6内进行灰尘清理的工作，在完成灰尘清理工作之后将磁环3放置在磁环固定盘4中，并在磁环3的上端面上进行涂胶，然后利用固定安装杆将磁环3以及磁环固定盘4送入测杆安装孔6内，使得磁环3固定在测杆延伸孔2和测杆安装孔6的交界处，通过固定胶实现磁环3的固定粘结。磁环固定盘4起到辅助磁环3固定的作用，防止磁环3掉下。

如图4~5所示，磁环固定盘4包括圆形的固定盘本体10以及设置在固定盘本体10外圈的弹性外套9，弹性外套9与固定盘本体10为一体构造。在固定盘本体10的上方开设有与磁环3配合的安装槽12，在安装槽12的中心位置开设有安装孔11，安装孔11的直径需大于测杆5的直径，方便测杆5从中穿过，且优选小于磁环3中部开孔的直径，在安装孔11的内圈开设有内螺纹。

固定盘本体10优选采用硬制且绝缘材料实现，如硬质塑料，其上方的安装槽12的深度小于磁环3的厚度，以保证固定盘本体10与磁环3之间存在有较好的硬性接触，便于力的传递。设置在固定盘本体10外圈的弹性外套9使得磁环固定盘4的外径略粗于测杆安装孔6的直径，使得磁环固定盘4在安装完毕之后其外周圈与测杆安装孔6的内周圈之间紧密接触且存在一定的张紧力，通过磁环固定盘4的弹性外套9向测杆安装孔6施加的张紧力使得磁环固定盘4与弹性外套9之间存在足够的摩擦力，保证磁环固定盘4不会从测杆安装孔6中掉出，起到了辅助磁环3固定的作用。

如图6所示，固定安装杆包括手持杆15，在手持杆15 的顶端同心固定有托盘14，在托盘14的上表面中心位置同轴设置有圆柱状的定位柱13，在定位柱13的外圈设置有外螺纹，并与上述开设在磁环固定盘4的安装孔11内的内螺纹相配合，实现定位柱13与磁环固定盘4之间的螺纹连接。通过将定位柱13与磁环固定盘4之间进行螺纹连接，因此在将定位柱13与磁环固定盘4连接之后通过下拉固定安装杆，方便将磁环固定盘4取下，实现了磁环固定盘4的回收，进一步节约了成本。

由于安装孔11的直径小于磁环3的直径，因此在定位柱13与磁环固定盘4之间进行螺纹连接时，定位柱13不会与磁环3发生接触，不会对磁环3的设置造成任何影响。在将磁环固定盘4与固定安装杆连接完毕之后，操作人员手握手持杆15将磁环固定盘4以及磁环3送入测杆安装孔6内并使磁环3紧贴测杆安装孔6的孔底面完成固定。

步骤3，完成磁致伸缩位移传感器的安装；

在将磁环3以及磁环固定盘4固定完成之后，将磁致伸缩位移传感器的测杆5装入测杆安装孔6内，测杆5在安装的过程中穿过磁环固定盘4以及磁环3伸入测杆延伸孔2内，测杆5安装完成之后，将磁致伸缩位移传感器的传感器本体7固定在测杆安装孔6的外端，用于对磁致伸缩位移传感器进行供电和实现其数据传输的导线8从传感器本体7中引出。

步骤4，将磁致伸缩位移传感器与供电电源连接；

通过导线8将磁致伸缩位移传感器的传感器本体7与供电电源相连。

步骤5，将磁致伸缩位移传感器与主控计算机以及声光报警装置相互通信；

完成磁致伸缩位移传感器与主控计算机的通信连接以及主控计算机与声光报警装置之间的通信连接。

步骤6，主控计算机和磁致伸缩位移传感器针对顶板围岩1实时监测与分析；

在进行实际测试之后，磁致伸缩位移传感器将监测到的数据送入主控计算机，一旦顶板围岩1发生形变，会导致磁环3与传感器本体7之间发生位移，主控计算机通过磁致伸缩位移传感器送入的由磁环3与测杆5测定的位移数据对顶板围岩1进行实时监测和分析。

步骤7，主控计算机判断监测是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式；

主控计算机通过对由磁致伸缩位移传感器监测到的顶板围岩1的位移数据的实时分析，得到位移值及位移的变化规律，判断其是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，执行步骤8并同时返回步骤6；如果未超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤6。

步骤8，主控计算机控制声光报警装置进行报警。

具体工作过程及工作原理如下：

利用钻机在顶板围岩1的监测位置进行开孔，形成测杆安装孔6以及与其同心设置的测杆延伸孔2。在完成钻孔之后对钻孔内进行灰尘清理工作。

然后将磁环3放置在磁环固定盘4中，并在磁环3的上端面上进行涂胶，并通过固定安装杆与磁环固定盘4进行固定连接，在将磁环固定盘4与固定安装杆连接完毕之后，操作人员手握手持杆15将磁环固定盘4以及磁环3送入测杆安装孔6内并使磁环3紧贴测杆安装孔6的孔底面完成固定。

在将磁环3以及磁环固定盘4固定完成之后，将磁致伸缩位移传感器的测杆5装入测杆安装孔6内，测杆5在安装的过程中需穿过磁环固定盘4和磁环3并伸入测杆延伸孔2内，测杆5安装完成之后，将磁致伸缩位移传感器的传感器本体7固定在测杆安装孔6的外端，用于对磁致伸缩位移传感器进行供电和实现其数据传输的导线8从传感器本体7中引出。

通过导线8将磁致伸缩位移传感器的传感器本体7与供电电源相连，并完成磁致伸缩位移传感器与主控计算机的通信连接以及主控计算机与声光报警装置之间的通信连接，然后进入正式监测的工作状态。在进行实际测试之后，磁致伸缩位移传感器将监测到的数据送入主控计算机，一旦顶板围岩1发生形变，会导致磁环3与传感器本体7之间发生位移变化，主控计算机通过磁致伸缩位移传感器送入的由磁环3与测杆5测定的位移数据对顶板围岩1进行实时监测和分析。主控计算机通过对由磁致伸缩位移传感器监测到的顶板围岩1的位移数据的实时分析，得到位移值及位移的变化规律，判断其是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，控制声光报警装进行报警。如果未超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，由主控计算机继续对磁致伸缩位移传感器送入的数据对顶板围岩1进行实时监测和分析。

实施例2：

如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例的磁环固定盘4由一体的弹性材质实现，并同样在磁环固定盘4的上表面开设安装槽12，并在安装槽12的中部开设安装孔11。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例中，使固定安装杆上端定位柱13的高度小于磁环固定盘4中安装孔11的厚度即可，对于安装孔11的直径只需其大于磁环3的外径，因此在本实施例中即使定位柱13的直径大于磁环3中部开孔的直径，但是由于定位柱13的高度小于磁环固定盘4中安装孔11的厚度，因此在完成固定安装杆与磁环固定盘4的连接之后，定位柱13仍不会与磁环3相接触，不会对磁环3的固定造成影响。

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 (7)

1.地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：包括主控计算机、磁致伸缩位移传感器以及声光报警装置，磁致伸缩位移传感器安装在顶板围岩（1）中，包括测杆（5）、磁环（3）以及传感器本体（7），传感器本体（7）与主控计算机连接，主控计算机与声光报警装置相连，

包括如下步骤：

步骤1，在顶板围岩（1）的监测位置进行开孔，由外而内依次形成测杆安装孔（6）和测杆延伸孔（2）；

步骤2，在磁环（3）的内侧面上涂胶，然后将磁环（3）送入测杆安装孔（6）内，并固定在测杆延伸孔（2）和测杆安装孔（6）的交界处；

步骤3，将磁致伸缩位移传感器的测杆（5）装入测杆安装孔（6）内，测杆（5）穿过磁环（3）伸入测杆延伸孔（2）内，将磁致伸缩位移传感器的传感器本体（7）固定在测杆安装孔（6）的开口处；

步骤4，将磁致伸缩位移传感器的传感器本体（7）与供电电源相连；

步骤5，完成磁致伸缩位移传感器与主控计算机的通信连接以及主控计算机与声光报警装置之间的通信连接；

步骤6，磁致伸缩位移传感器将监测到的数据送入主控计算机，主控计算机通过磁致伸缩位移传感器送入的由磁环（3）与测杆（5）测定的位移数据对顶板围岩（1）进行实时监测和分析；

步骤7，主控计算机通过对由磁致伸缩位移传感器监测到的顶板围岩（1）的位移数据的实时分析，得到位移值及位移的变化规律，判断其是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，执行步骤8并同时返回步骤6；如果未超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤6；

步骤8，主控计算机控制声光报警装置进行报警；

在步骤2中，所述的磁环（3）首先装入磁环固定盘（4）内，并通过固定安装杆将磁环固定盘（4）以及磁环（3）同时装入测杆安装孔（6）内；

所述的磁环固定盘（4）包括固定盘本体（10）以及开设在固定盘本体（10）上方与磁环（3）配合的安装槽（12），在安装槽（12）的中心位置开设有安装孔（11），在固定盘本体（10）的外圈还设置有与测杆安装孔（6）紧密接触的弹性外套（9）。

2.根据权利要求1所述的地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：所述的测杆延伸孔（2）的直径小于磁环（3）的外径和测杆安装孔（6）的直径并与测杆安装孔（6）同心设置。

3.根据权利要求1所述的地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：所述的安装槽（12）的深度小于所述磁环（3）的厚度。

4.根据权利要求1所述的地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：所述的安装孔（11）的直径大于测杆（5）直径且小于所述磁环（3）中部开孔的直径。

5.根据权利要求1所述的地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：所述的固定安装杆包括手持杆（15），在手持杆（15）的顶端同心固定有托盘（14），在托盘（14）的上表面中心位置同轴设置有与所述的磁环固定盘（4）配合安装的定位柱（13）。

6.根据权利要求5所述的地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：所述的定位柱（13）的外周圈设置有外螺纹，与开设在磁环固定盘（4）中心位置的安装孔（11）内周圈内螺纹相配合。

7.根据权利要求1所述的地下空间围岩顶板灾害非接触磁致伸缩实时监测方法，其特征在于：在所述的步骤2中，在磁环（3）的内侧面上涂胶之前，首先对测杆延伸孔（2）和测杆安装孔（6）进行灰尘清理。