CN109854298B - 巷道二次支护时机与范围的确定方法 - Google Patents
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Abstract
巷道二次支护时机与范围的确定方法，包括以下步骤：（1）一次支护；（2）选择测试地点；（3）准备工作；（4）布置控制点定位；（5）观测；（6）红外热像图处理；（7）二次支护时间及面积确定；（8）损伤程度确定；（9）支护深度的确定；（10）根据以上方法确定了二次支护范围，然后损伤程度不同，采取补打锚杆或补打锚杆+注浆的手段进行二次支护加强围岩的承载性能。本发明单次可检的面积较大，检测效率较高，红外检测提供热图像能非常直观的显示存在损伤位置、区域面积及损伤程度，配合钻孔窥视仪探测损伤深度，能够准确确定巷道二次支护时机与范围与不同的支护强度。
Description
技术领域
本发明属于巷道掘进技术领域，具体涉及一种巷道二次支护时机与范围的确定方法。
背景技术
开采深度的增加或岩体本身性质，常导致巷道围岩具有较强的流变性，在支护时，采用一次支护往往达不到稳定性要求，通常采用二次支护的方法进行补强。但工程实践表明，二次支护时机与范围很难掌握，二次支护过早，巨大的软岩塑性应变还不能得到充分释放，二次支护强度难以抗拒围岩巨大的塑性变形而产生破坏；二次支护过晚，塑性应变能虽然得到释放，但围岩自身承载能力随之降低，转加到支护体上的载荷将会加大。而如果进行全断面无差别的补强，又会造成材料与时间的大量浪费。
当物体内部存在缺陷时，将改变物体的热传导，使物体表面温度分布产生差别，利用红外成像仪测量它的不同热辐射，可以确定物体的缺陷位置，以达到检测缺陷的目的。钻孔窥视仪利用探头可观测巷道围岩的裂隙发育情况。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种巷道二次支护时机与范围的确定方法，该方法利用红外成像仪检测巷道围岩的表面温度，通过温差确定缺陷位置与损坏程度，辅以钻孔窥视仪确定损坏深度，从而解决二次支护最佳时机与范围的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：巷道二次支护时机与范围的确定方法，包括以下步骤,
（1）一次支护：巷道掘进后，根据巷道围岩性质及所处应力环境，选择合适锚杆、锚索基本支护参数，对巷道围岩顶板及两帮进行一次支护；
（2）选择测试地点：在滞后掘进工作面50m处，选择不受掘进头影响的地方，且周围5m半径范围内巷道没有渗水，风管、水管没有渗漏，温度基本恒定；
（3）准备工作：向选择后的测试地点处的顶板钻孔，在钻孔内安装固定装置，将红外热成像仪放置在固定装置内，调整角度，调整成像距离、角度及焦距，以成像效果最佳为标准；记录温度、风速、位置、拍摄距离、角度；拍摄并记录被测区域红外及可见光图像；
（4）布置控制点定位：由于红外成像测量是非接触式，受镜头光学变形、拍摄角度、拍摄距离和被测表面的形状多方因素的影响，使得测量结果不能真实地反映被测表面的几何位置信息，因此需布置控制点定位；
（5）观测：对巷道底板、两帮及顶板表面进行连续观测，每隔30分钟拍摄红外热像图一张及可见光图像一张，记录温度、风速、位置、拍摄距离、角度；同时监测巷道变形量，当巷道变形量超过巷道允许变形量时，停止观测；
（6）红外热像图处理：由于被测物体表面的发射率难以准确设定，并受环境温度、被测物体温度和视角因素的影响被测表面的温度难以准确测量，为减少巷道表面辐射率差异以及环境因素造成的辐射场不均所带来的影响，突出围岩损伤破坏造成的热辐射变化，以第一张红外图像温度值为起始值，对过程中获得的图像做差值处理，利用差值后的图像进行热辐射温度场的变化分析；
假定拍摄第一张红外图像时，巷道围岩无损伤，认为这个温度值就是红外热像检测时的基准值t，当有温差Δt时，认为巷道围岩已损伤，Δt越大，巷道围岩损伤越严重；
（7）二次支护时间及面积确定：随着巷道围岩应力的不断调整，红外图像升温和降温逐渐明显，以出现剧烈高温辐射之前8小时作为二次支护时间，出现剧烈高温辐射的区域面积作为二次支护面积；
（8）损伤程度确定；
（9）支护深度的确定；
（10）根据以上方法确定了二次支护范围，然后损伤程度不同，采取补打锚杆或补打锚杆+注浆的手段进行二次支护加强围岩的承载性能。
步骤（4）布置控制点定位的具体过程为，
A、首先在被测表面上按一定规律布置M×N个网格结点，M和N均为自然数，为简便起见，可利用一次支护的锚杆作为节点，如不满足精度，可补打短锚杆；
B、为使锚杆节点与被测巷道表面有较大的温度差异，可使两者黑度值有较大差异，从而使热像仪感受到的温度不同，将锚杆端部涂成白色；
C、以测量范围左下角为原点，通过测量确定锚杆节点的几何位置坐标(A,B)；
D、用热成像仪拍摄所测范围得到一幅校准网格的热像图，确定每个锚杆节点在热像图中的像素坐标(a,b)，建立像平面上部分像素点与物平面间的一一对应关系。
步骤（7）二次支护面积确定的具体过程为，
如果红外热成像仪的分辨率为m×n，m和n均为自然数，就表明被测区域被划分为m×n个微小网格面并在红外热像中形成m×n个像素点；由于损伤边缘处的表面温度界限值难以准确确定，假定损伤边界处的温差为最大温差Δtmax的k倍，则损伤面积A的计算公式为：
式中：N 为温差大于kΔtmax所对应的像素个数;a为每个像素代表的实际尺寸大小， 
，S为拍摄总面积；
为了便于施工，如果控制点周围内存在损伤区域，就将此区域全部视为二次支护面积。
步骤（8）中损伤程度确定的具体过程为：Δt越大，巷道围岩损伤越严重，损伤区域范围内的温差范围为kΔtmax～Δtmax，可将温差范围为kΔtmax～（Δtmax-kΔtmax）/2认为是损伤较轻区域，温差范围（Δtmax-kΔtmax）/2～Δtmax认为是损伤较重区域。
步骤（9）中支护深度的确定的具体过程为，向出现剧烈高温辐射的区域打孔，利用钻孔窥视仪观测孔内部损伤与破裂情况、对距离洞壁孔口不同深度处的裂隙数进行统计，以裂隙较多的范围确定围岩破坏深度。
采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
本发明单次可检的面积较大，检测效率较高，红外检测提供热图像能非常直观的显示存在损伤位置、区域面积及损伤程度，配合钻孔窥视仪探测损伤深度，能够准确确定巷道二次支护时机与范围与不同的支护强度。
附图说明
图1是本发明中巷帮平面示意图；
图2是本发明中沿钻孔长度方向的巷帮剖面示意图；
图3是图1中损伤区域的立体结构示意图；
图4是本发明中红外热成像仪设置在固定装置上扫描巷帮的示意图。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明的巷道二次支护时机与范围的确定方法，包括以下步骤,
（1）一次支护：巷道掘进后，根据巷道围岩性质及所处应力环境，选择合适锚杆、锚索基本支护参数，对巷道围岩顶板及两帮进行一次支护；
（2）选择测试地点：在滞后掘进工作面50m处，选择不受掘进头影响的地方，且周围5m半径范围内巷道没有渗水，风管、水管没有渗漏，温度基本恒定；
（3）准备工作：向选择后的测试地点处的顶板钻孔，在钻孔内安装固定装置，将红外热成像仪放置在固定装置内，调整角度，调整成像距离、角度及焦距，以成像效果最佳为标准；记录温度、风速、位置、拍摄距离、角度；拍摄并记录被测区域红外及可见光图像；
（4）布置控制点定位：由于红外成像测量是非接触式，受镜头光学变形、拍摄角度、拍摄距离和被测表面的形状多方因素的影响，使得测量结果不能真实地反映被测表面的几何位置信息，因此需布置控制点定位；
（5）观测：对巷道底板、两帮及顶板表面进行连续观测，每隔30分钟拍摄红外热像图一张及可见光图像一张，记录温度、风速、位置、拍摄距离、角度；同时监测巷道变形量，当巷道变形量超过巷道允许变形量时，停止观测；
（6）红外热像图处理：由于被测物体表面的发射率难以准确设定，并受环境温度、被测物体温度和视角因素的影响被测表面的温度难以准确测量，为减少巷道表面辐射率差异以及环境因素造成的辐射场不均所带来的影响，突出围岩损伤破坏造成的热辐射变化，以第一张红外图像温度值为起始值，对过程中获得的图像做差值处理，利用差值后的图像进行热辐射温度场的变化分析；
假定拍摄第一张红外图像时，巷道围岩无损伤，认为这个温度值就是红外热像检测时的基准值t，当有温差Δt时，认为巷道围岩已损伤，Δt越大，巷道围岩损伤越严重；
（7）二次支护时间及面积确定：随着巷道围岩应力的不断调整，红外图像升温和降温逐渐明显，以出现剧烈高温辐射之前8小时作为二次支护时间，出现剧烈高温辐射的区域面积作为二次支护面积；
（8）损伤程度确定；
（9）支护深度的确定；
（10）根据以上方法确定了二次支护范围，然后损伤程度不同，采取补打锚杆或补打锚杆+注浆的手段进行二次支护加强围岩的承载性能。
步骤（4）布置控制点定位的具体过程为，
A、首先在被测表面上按一定规律布置M×N个网格结点，M和N均为自然数，为简便起见，可利用一次支护的锚杆作为节点，如不满足精度，可补打短锚杆；
B、为使锚杆节点与被测巷道表面有较大的温度差异，可使两者黑度值有较大差异，从而使热像仪感受到的温度不同，将锚杆端部涂成白色；
C、以测量范围左下角为原点，通过测量确定锚杆节点的几何位置坐标(A,B)；
D、用热成像仪拍摄所测范围得到一幅校准网格的热像图，确定每个锚杆节点在热像图中的像素坐标(a,b)，建立像平面上部分像素点与物平面间的一一对应关系。
步骤（7）二次支护面积确定的具体过程为，
如果红外热成像仪的分辨率为m×n，m和n均为自然数，就表明被测区域被划分为m×n个微小网格面并在红外热像中形成m×n个像素点；由于损伤边缘处的表面温度界限值难以准确确定，假定损伤边界处的温差为最大温差Δtmax的k倍，则损伤面积A的计算公式为：
式中：N 为温差大于kΔtmax所对应的像素个数;a为每个像素代表的实际尺寸大小， 
，S为拍摄总面积；
为了便于施工，如果控制点周围内存在损伤区域，就将此区域全部视为二次支护面积。
步骤（8）中损伤程度确定的具体过程为：Δt越大，巷道围岩损伤越严重，损伤区域范围内的温差范围为kΔtmax～Δtmax，可将温差范围为kΔtmax～（Δtmax-kΔtmax）/2认为是损伤较轻区域，温差范围（Δtmax-kΔtmax）/2～Δtmax认为是损伤较重区域。
步骤（9）中支护深度的确定的具体过程为，向出现剧烈高温辐射的区域打孔，利用钻孔窥视仪观测孔内部损伤与破裂情况、对距离洞壁孔口不同深度处的裂隙数进行统计，以裂隙较多的范围确定围岩破坏深度。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是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、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.巷道二次支护时机与范围的确定方法，其特征在于：包括以下步骤,
（1）一次支护：巷道掘进后，根据巷道围岩性质及所处应力环境，选择合适锚杆、锚索基本支护参数，对巷道围岩顶板及两帮进行一次支护；
（2）选择测试地点：在滞后掘进工作面50m处，选择不受掘进头影响的地方，且周围5m半径范围内巷道没有渗水，风管、水管没有渗漏，温度基本恒定；
（3）准备工作：向选择后的测试地点处的顶板钻孔，在钻孔内安装固定装置，将红外热成像仪放置在固定装置内，调整角度，调整成像距离、角度及焦距，以成像效果最佳为标准；记录温度、风速、位置、拍摄距离、角度；拍摄并记录被测区域红外及可见光图像；
（4）布置控制点定位：由于红外成像测量是非接触式，受镜头光学变形、拍摄角度、拍摄距离和被测表面的形状多方因素的影响，使得测量结果不能真实地反映被测表面的几何位置信息，因此需布置控制点定位；
（5）观测：对巷道底板、两帮及顶板表面进行连续观测，每隔30分钟拍摄红外热像图一张及可见光图像一张，记录温度、风速、位置、拍摄距离、角度；同时监测巷道变形量，当巷道变形量超过巷道允许变形量时，停止观测；
（6）红外热像图处理：由于被测物体表面的发射率难以准确设定，并受环境温度、被测物体温度和视角因素的影响被测表面的温度难以准确测量，为减少巷道表面辐射率差异以及环境因素造成的辐射场不均所带来的影响，突出围岩损伤破坏造成的热辐射变化，以第一张红外图像温度值为起始值，对过程中获得的图像做差值处理，利用差值后的图像进行热辐射温度场的变化分析；
假定拍摄第一张红外图像时，巷道围岩无损伤，认为这个温度值就是红外热像检测时的基准值t，当有温差Δt时，认为巷道围岩已损伤，Δt越大，巷道围岩损伤越严重；
（7）二次支护时间及面积确定：随着巷道围岩应力的不断调整，红外图像升温和降温逐渐明显，以出现剧烈高温辐射之前8小时作为二次支护时间，出现剧烈高温辐射的区域面积作为二次支护面积；
（8）损伤程度确定；
（9）支护深度的确定；
（10）根据以上方法确定了二次支护范围，然后损伤程度不同，采取补打锚杆或补打锚杆+注浆的手段进行二次支护加强围岩的承载性能。
2.根据权利要求1所述的巷道二次支护时机与范围的确定方法，其特征在于：步骤（4）布置控制点定位的具体过程为，
A、首先在被测表面上按一定规律布置M×N个网格结点，M和N均为自然数，为简便起见，可利用一次支护的锚杆作为节点，如不满足精度，可补打短锚杆；
B、为使锚杆节点与被测巷道表面有较大的温度差异，可使两者黑度值有较大差异，从而使热像仪感受到的温度不同，将锚杆端部涂成白色；
C、以测量范围左下角为原点，通过测量确定锚杆节点的几何位置坐标(A,B)；
D、用热成像仪拍摄所测范围得到一幅校准网格的热像图，确定每个锚杆节点在热像图中的像素坐标(a,b)，建立像平面上部分像素点与物平面间的一一对应关系。
3.根据权利要求2所述的巷道二次支护时机与范围的确定方法，其特征在于：步骤（7）二次支护面积确定的具体过程为，
如果红外热成像仪的分辨率为m×n，m和n均为自然数，就表明被测区域被划分为m×n个微小网格面并在红外热像中形成m×n个像素点；由于损伤边缘处的表面温度界限值难以准确确定，假定损伤边界处的温差为最大温差Δtmax的k倍，则损伤面积A的计算公式为：
式中：N 为温差大于kΔtmax所对应的像素个数；a为每个像素代表的实际尺寸大小，
，S为拍摄总面积；
为了便于施工，如果控制点周围内存在损伤区域，就将此区域全部视为二次支护面积。
4.根据权利要求3所述的巷道二次支护时机与范围的确定方法，其特征在于：步骤（8）中损伤程度确定的具体过程为：Δt越大，巷道围岩损伤越严重，损伤区域范围内的温差范围为kΔtmax～Δtmax，可将温差范围为kΔtmax～（Δtmax-kΔtmax）/2认为是损伤较轻区域，温差范围（Δtmax-kΔtmax）/2～Δtmax认为是损伤较重区域。
5.根据权利要求3所述的巷道二次支护时机与范围的确定方法，其特征在于：步骤（9）中支护深度的确定的具体过程为，向出现剧烈高温辐射的区域打孔，利用钻孔窥视仪观测孔内部损伤与破裂情况、对距离洞壁孔口不同深度处的裂隙数进行统计，以裂隙较多的范围确定围岩破坏深度。
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