CN108709588B - 一种用于巷道围岩的多参数监测装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于巷道围岩的多参数监测装置及其制备方法，监测组件包括膨胀水泥圆柱、双螺旋金属管骨架、应变片和电缆，双螺旋金属管骨架和应变片均处于膨胀水泥圆柱内，双螺旋金属管骨架包括金属管和连接支管，两个金属管呈双螺旋设置，两个金属管之间通过多个连接支管固定连接，多个应变片分别固定在多个连接支管上且相邻应变片之间相互垂直，电缆的一端伸入膨胀水泥圆柱内且电缆各个电芯分别与各个应变片引线对应连接，电缆的另一端穿过双螺旋金属管骨架从膨胀水泥圆柱的端部引出；测距仪固定于膨胀水泥圆柱引出电缆的端部。其能同时对同一位置围岩进行受力、变形、位移和离层情况实时监测，从而使工作人员能精确对围岩稳定性进行判断。

Description

一种用于巷道围岩的多参数监测装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种监测装置及其制备方法，具体是一种用于巷道围岩的多参数监测装置及其制备方法。

背景技术

我国矿井绝大部分属于井工矿，随着机械化开采的普及，井下巷道数量增多和大截面发展趋势明显。随着道路、水利、土木工程的修建，隧道、巷道数量急剧增加。巷道、隧道的围岩所处复杂的工况环境，导致围岩内部受力、变形、破坏情况不断变化，围岩稳定情况也随之变化。然而，由于围岩内部的隐蔽性和现有配套监测手段的欠缺和局限，致使围岩变形、破坏和稳定性无法有效获知，导致巷道围岩事故频发。若能够随时获知围岩的受力、变形、位移、离层数据及其变化趋势，从而对围岩的支护、变形、收敛和稳定性情况作出科学的判断，并采取合理的应对措施，可以大大降低此类围岩事故的发生率，减少生命和财产损失。

目前，作为围岩稳定判据的几个物理量——受力、变形、位移和离层，其测量装置基本属于机械式，须人工操作、读数等，无法组成自动化监测的智能系统；监测物理量单一，不能同时实现几个物理量的获知，不能有效分析判断围岩的稳定性情况。以锚杆为测量载体，采用应变片测量锚杆应力应变进而求出围岩应力应变的方法，由于锚杆本身限制导致应变片设置数量极为有限，很难全长度、高密度测量；以锚杆为测量载体，采用光纤光栅测量的方法虽然能高密度的测量，但是其费用昂贵，且光纤较脆弱、易损坏断裂。另外以锚杆为测量载体的测量方法对围岩的离层破坏无法测量感知，而顶板离层仪可测量离层，但结构复杂、体积较大、且无法同时监测其他物理量；同时顶底板、两帮相对位移量的确定也是通过机械式人工测量，使得测量的效率低下，上述各种方法均不能实时精确地进行多参数监测。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于巷道围岩的多参数监测装置及其制备方法，结构简单、体积小巧，便于安装使用，能同时对同一位置围岩进行受力、变形、位移和离层的实时监测，从而使工作人员能精确对围岩稳定性进行判断。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于巷道围岩的多参数监测装置，包括监测组件和测距仪，

所述监测组件包括膨胀水泥圆柱、双螺旋金属管骨架、应变片和电缆，所述双螺旋金属管骨架和应变片均处于膨胀水泥圆柱内，双螺旋金属管骨架包括两个金属管和多个连接支管，两个金属管呈双螺旋设置，两个金属管之间通过多个连接支管固定连接，所述应变片为多个，多个应变片分别固定在多个连接支管上且相邻应变片之间相互垂直，电缆的一端伸入膨胀水泥圆柱内，且电缆内的各个电芯分别与各个应变片引线一一对应连接，电缆的另一端穿过双螺旋金属管骨架从膨胀水泥圆柱的一端引出；

所述测距仪固定于膨胀水泥圆柱的电缆引出端。

进一步，所述应变片封装在不锈钢薄片内。采用不锈钢薄片封装能对应变片起到较好的防护作用。

进一步，所述测距仪为激光测距仪。采用激光测距仪能更精确的测出位移变化情况。

进一步，所述膨胀水泥圆柱采用的膨胀水泥尽可能与安装处的围岩性质相同。采用这种性质相近的膨胀水泥在监测组件安装到围岩后，与围岩形成紧密的一体结构，随同围岩同步变形、离层；膨胀水泥监测组件内的应变片充分感知围岩各深度处的应变，通过应力应变关系计算得到对应应力，从而实现围岩内部应力、应变的监测。

一种用于巷道围岩的多参数监测装置的制备方法，具体步骤为：

A、制作双螺旋金属管骨架：

根据使用年限、工况环境选择合适材质的金属管和连接支管，两个金属管以90°～180°的错开角度绕成等径等距双螺旋，具体螺距和错开角度根据布置应变片密度进行调整确定，在径向用多个连接支管连接支撑两个金属管；

B、制作封装应变片，并定位电缆位置：

将应变片粘贴在不锈钢薄片上，对不锈钢薄片的表面进行防潮处理，将应变片引线和电缆连接，然后使不锈钢薄片折叠包住应变片，用金属丝连接定位于双螺旋金属管骨架的连接支管上，最后将与各个应变片引线连接的电缆从双螺旋金属管骨架穿过引出；

C、制作各种类型膨胀水泥：

将所需监测的围岩按稳定性进行分类，然后制作与每种分类围岩物理性质尽可能相同的膨胀水泥，并编制水泥型号；

D、制作监测组件：

将完成步骤B的双螺旋金属管骨架置于模具内，充填步骤C制得的所需型号膨胀水泥，凝固后形成膨胀水泥圆柱，完成监测组件的制作；

E、组装多参数监测装置：

在膨胀水泥圆柱的电缆引出端部固定激光测距仪，完成多参数监测装置的制备过程。

与现有技术相比，本发明采用监测组件和测距仪相结合方式，具体优点如下：

(1)本发明的围岩多功能监测装置结构简单，测量精度高。通过监测组件中应变片测量围岩内部应力、应变及离层位置，利用激光测距仪测量顶底板、两帮相对位移，两者结合计算出围岩内部离层量和围岩外部位移量；

(2)通过本发明监测到的围岩物理量数据(即应力、应变、位移及离层)可分析得到围岩支护、收敛、稳定性情况的现状和趋势，判断围岩稳定性并采取应对措施，从而降低围岩事故发生率，减少人员伤亡和财产损失；

(3)本发明的围岩多功能监测装置中，监测组件为一次性安装使用，但其成本低廉，外置放大输出回路、激光测距仪均可反复多次拆装使用，从而使整体系统的年均使用成本非常低；

(4)本发明内部结构主要是应变片和电缆及其保护层，围岩内部测点位置和数量选择灵活多变，精度高，布设方便；

(5)本发明中的双螺旋金属管骨架保护电缆不受外力损坏，围岩离层时双螺旋金属管骨架在膨胀水泥圆柱的轴向方向有较大自由伸长量，且由于内部电缆松式铺设，从而可保障内部电缆不被拉断，信号仍可正常传输。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的纵向剖面图；

图3是本发明中应变片位置的横向剖面图；

图4是本发明中双螺旋金属管骨架的结构示意图；

图5是本发明使用时的整体位置布设图；

图6是本发明在围岩中的安装示意图。

图中：1、监测组件，1-1、双螺旋金属管骨架，1-1-1、金属管，1-1-2、连接支管，1-2、应变片，1-3、电缆，1-4、膨胀水泥圆柱，2、测距仪。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图所示，一种用于巷道围岩的多参数监测装置，包括监测组件1和测距仪2，

所述监测组件1包括膨胀水泥圆柱1-4、双螺旋金属管骨架1-1、应变片1-2和电缆1-3，所述双螺旋金属管骨架1-1和应变片1-2均处于膨胀水泥圆柱1-4内，双螺旋金属管骨架1-1包括两个金属管1-1-1和多个连接支管1-1-2，两个金属管1-1-1呈双螺旋设置，两个金属管1-1-1之间通过多个连接支管1-1-2固定连接，所述应变片1-2为多个，多个应变片1-2分别固定在多个连接支管1-1-2上且相邻应变片1-2之间相互垂直，电缆1-3的一端伸入膨胀水泥圆柱1-4内，且电缆1-3内的各个电芯分别与各个应变片1-2引线一一对应连接，电缆1-3的另一端穿过双螺旋金属管骨架1-1从膨胀水泥圆柱1-4的一端引出；

所述测距仪2固定于膨胀水泥圆柱1-4的电缆引出端。

进一步，所述应变片1-2封装在不锈钢薄片内。

进一步，所述测距仪2为激光测距仪。

进一步，所述膨胀水泥圆柱1-4采用的膨胀水泥尽可能与安装处的围岩性质相同。

一种用于巷道围岩的多参数监测装置的制备方法，具体步骤为：

A、制作双螺旋金属管骨架1-1：

根据使用年限、工况环境选择合适材质的金属管1-1-1和连接支管1-1-2，两个金属管1-1-1以90°～180°的错开角度绕成等径等距双螺旋，具体螺距和错开角度根据布置应变片1-2密度进行调整确定，在径向用多个连接支管1-1-2连接支撑两个金属管1-1-1；

B、制作封装应变片1-2，并定位电缆1-3位置：

将应变片1-2粘贴在不锈钢薄片上，对不锈钢薄片的表面进行防潮处理，将应变片1-2引线和电缆1-3连接，然后使不锈钢薄片折叠包住应变片1-2，用金属丝连接定位于双螺旋金属管骨架1-1的连接支管1-1-2上，最后将与各个应变片1-2引线连接的电缆1-3从双螺旋金属管骨架1-1穿过引出；

C、制作各种类型膨胀水泥：

将所需监测的围岩按稳定性进行分类，然后制作与每种分类围岩物理性质尽可能相同的膨胀水泥，并编制水泥型号；

D、制作监测组件1：

将完成步骤B的双螺旋金属管骨架1-1置于模具内，充填步骤C制得的所需型号膨胀水泥，凝固后形成膨胀水泥圆柱1-4，完成监测组件1的制作；

E、组装多参数监测装置：

在膨胀水泥圆柱1-4的电缆引出端部固定激光测距仪，完成多参数监测装置的制备过程。

使用时，根据工程的实际情况，选择围岩危险截面和点位进行监测，一般选取顶板中点和两帮中点，也可选择其他预监测位置布设本发明；在所需布设本发明的围岩上延伸度方向钻孔，孔径略大于监测组件1，用高压水冲洗钻孔；将圆柱形监测组件1浸水一段时间后插入冲洗过的钻孔，并使膨胀水泥圆柱1-4的电缆1-3引出端处于外侧，等待10-20分钟，水泥膨胀与围岩形成一体；每个截面选取顶板中点、两帮中的同一侧位置的监测组件1，在其裸露端安装激光测距仪；在安装激光测距仪的侧帮上端安装接线盒，将监测组件1和激光测距仪的电缆引致接线盒后传递给监测系统，然后监测系统可实时采集各个应变片1-2传来的所受应力、应变及离层的反馈信号，同时监测系统可接收激光测距仪传来的巷道顶底面、两帮面之间的距离位移反馈信号，从而实现对围岩内部的应力变化、应变变化及离层发生的情况监测，同时可对围岩外部的位移进行测量。

Claims (2)

1.一种用于巷道围岩的多参数监测装置，其特征在于，包括监测组件（1）和测距仪（2），

所述监测组件（1）包括膨胀水泥圆柱（1-4）、双螺旋金属管骨架（1-1）、应变片（1-2）和电缆（1-3），所述双螺旋金属管骨架（1-1）和应变片（1-2）均处于膨胀水泥圆柱（1-4）内，双螺旋金属管骨架（1-1）包括两个金属管（1-1-1）和多个连接支管（1-1-2），两个金属管（1-1-1）呈双螺旋设置，两个金属管（1-1-1）之间通过多个连接支管（1-1-2）固定连接，所述应变片（1-2）为多个，多个应变片（1-2）分别固定在多个连接支管（1-1-2）上且相邻应变片（1-2）之间相互垂直，电缆（1-3）的一端伸入膨胀水泥圆柱（1-4）内，且电缆（1-3）内的各个电芯分别与各个应变片（1-2）引线一一对应连接，电缆（1-3）的另一端穿过双螺旋金属管骨架（1-1）从膨胀水泥圆柱（1-4）的一端引出；

所述测距仪（2）固定于膨胀水泥圆柱（1-4）的电缆引出端；所述应变片（1-2）封装在不锈钢薄片内；所述测距仪（2）为激光测距仪；所述膨胀水泥圆柱（1-4）采用的膨胀水泥尽可能与安装处的围岩性质相同。

2. 一种如权利要求1 所述的用于巷道围岩的多参数监测装置的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

A、制作双螺旋金属管骨架（1-1）：

根据使用年限、工况环境选择合适材质的金属管（1-1-1）和连接支管（1-1-2），两个金属管（1-1-1）以90°~180°的错开角度绕成等径等距双螺旋，在径向用多个连接支管（1-1-2）连接支撑两个金属管（1-1-1）；

B、制作封装应变片（1-2），并定位电缆（1-3）位置：

将应变片（1-2）粘贴在不锈钢薄片上，对不锈钢薄片的表面进行防潮处理，将应变片（1-2）引线和电缆（1-3）连接，然后使不锈钢薄片折叠包住应变片（1-2），用金属丝连接定位于双螺旋金属管骨架（1-1）的连接支管（1-1-2）上，最后将与各个应变片（1-2）引线连接的电缆（1-3）从双螺旋金属管骨架（1-1）穿过引出；

C、制作各种类型膨胀水泥：

将所需监测的围岩按稳定性进行分类，然后制作与每种分类围岩物理性质尽可能相同的膨胀水泥，并编制水泥型号；

D、制作监测组件（1）：

将完成步骤B的双螺旋金属管骨架（1-1）置于模具内，充填步骤C制得的所需型号膨胀水泥，凝固后形成膨胀水泥圆柱（1-4），完成监测组件（1）的制作；

E、组装多参数监测装置：

在膨胀水泥圆柱（1-4）的电缆引出端部固定激光测距仪，完成多参数监测装置的制备过程。