CN110044318A - 监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计，其包括多个锚点和多个测量装置，锚点沿钻孔的深度方向依次设置于钻孔的孔壁上，每个锚点连接一根第一钢丝绳的一端；多个测量装置设置在钻孔外，包括角位移传感器、定滑轮、磁铁、第二钢丝绳和线圈，磁铁与定滑轮同轴设置且随定滑轮旋转，角位移传感器设置在磁铁的一侧，第二钢丝绳的一端缠绕在线圈上；当围岩发生变形时，锚点跟随围岩移动进而拉动第一、二钢丝绳移动，第二钢丝绳的移动带动定滑轮和磁铁转动，角位移传感器能测量磁铁转动的角度，通过磁铁转动的角度计算出围岩的位移量实现对围岩变形的监测。本发明具有体积小、精度高等特点，安装方便、监测结果准确且易于读取。

Description

监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计

技术领域

本发明涉及煤矿矿井建设技术领域，特别涉及一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计。

背景技术

煤矿井下锚喷支护巷道围岩变形特性是施工过程中评估支护方案合理性和适时变更支护参数的重要依据。目前，监测围岩内部不同深度变形主要采用钻孔内安设多点位移计的方法进行。通过在孔内不同深度安设测量基点，由钢丝绳或直杆将基点与孔口测量装置连接，当巷道围岩变形时，测出不同深度基点与硐壁表面的距离变化值，通过计算得出不同深度围岩的位移量。

根据巷道壁面孔口测量装置的原理不同，位移计分为机械直读式、电阻应变式和电磁感应式，其中，机械直读式测量装置由于结构简单，价格便宜，是多点位移计中应用最为普遍的类型，通过外露带测量刻度的直杆或直管直接测得结果。电阻应变式和电磁感应式由于需要稳定电源且封装要求高，多难以满足煤矿防爆要求，因此，应用少见。

煤矿锚喷支护巷道变形具有发展时间长、变形量大的特点，局部变形可达1000mm以上，巷道掘进时，爆破气浪、碎石反复冲击已成型断面，支护过程中喷层常需多次复喷，加之底部矸石排出后，一些大断面巷道处于尘土飞扬、阴暗潮湿条件，观测者站在巷道底部难以通过肉眼直接读取顶部仪表数据。因此，传统的多点位移计在煤矿锚喷支护巷道存在以下问题：

(1)受外露测杆长度影响，测量量程一般在200mm左右，且在爆破环境下，测点保护困难。

(2)测杆精度一般在3～5mm左右，精度低。

(3)采用直读式，观测误差大。

(4)锚喷巷道反复喷射混凝土，测杆常因被喷浆封闭而无法测量。

鉴于传统的多点位移计存在的上述问题，急需一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计来方便地对围岩的变形进行监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计，该多点位移计采用角度传感器来测量线位移，该多点位移计的具有体积小、精度高等特点，安装方便、监测结果准确且易于读取。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计，所述巷道设置在所述围岩内，所述围岩内设置有钻孔，所述钻孔由所述巷道的顶部向上延伸，所述多点位移计包括多个锚点和多个测量装置，一个所述锚点对应一个所述测量装置，其中，多个所述锚点沿所述钻孔的深度方向依次设置于所述钻孔的孔壁上，每个所述锚点均连接一根第一钢丝绳的一端；多个所述测量装置设置在所述钻孔外，所述测量装置包括角位移传感器、定滑轮、磁铁、第二钢丝绳和线圈，所述磁铁与所述定滑轮同轴设置，所述磁铁能够跟随所述定滑轮旋转，所述角位移传感器设置在所述磁铁的一侧，所述第二钢丝绳的一端缠绕在所述线圈上；每根所述第二钢丝绳的另一端均通过所述定滑轮后延伸至所述钻孔内并与一根所述第一钢丝绳的另一端连接，进而使所述锚点与相对应的所述测量装置连接；当所述围岩发生变形时，所述锚点能够跟随所述围岩移动进而拉动所述第一钢丝绳和所述第二钢丝绳移动，所述第二钢丝绳的移动能够带动所述定滑轮和所述磁铁转动，所述角位移传感器能够测量所述磁铁转动的角度，通过所述磁铁转动的角度计算出所述围岩的位移量实现对所述围岩变形的监测。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述多点位移计还包括主控制器，所述主控制器通过导线与所述角位移传感器连接，所述主控制器能够显示所述磁铁的转动角度。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述主控制器内设置有电源，所述电源为电池供电方式。

在如上所述的多点位移计中，优选地，多个所述测量装置均设置在一个套筒内，所述套筒的顶端设置有凸起，所述凸起为底端开口的筒状结构，所述凸起与所述钢套筒连通，所述凸起的底端与所述钢套筒的顶端密封连接，所述凸起置于所述钻孔内，所述第二钢丝绳穿过所述凸起的顶端；所述角位移传感器设置在支撑杆的底端，所述支撑杆的顶端连接在所述套筒的顶端；优选地，所述套筒的外侧设置有多个螺栓孔，膨胀螺栓通过所述螺栓孔将所述套筒固定在所述围岩上；优选地，所述套筒为钢套筒。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述线圈上设置有发条弹簧，所述发条弹簧能够拉紧所述第二钢丝绳和所述第一钢丝绳进而使所述第一钢丝绳具有恒定的张力。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述线圈设置在所述钻孔的孔口周围，所述线圈的旋转轴顶端与所述钢套筒的顶端连接；所述测量装置还包括有多根扭杆，每根所述扭杆的一端置于所述钢套筒外、另一端伸入所述钢套筒内并与一个所述线圈的旋转轴连接，旋转所述扭杆以操作所述发条弹簧实现将所述第二钢丝绳回卷到线圈上。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述角位移传感器为磁电阻双轴角度传感器，所述角位移传感器与所述磁铁不接触。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述测量装置设置有六个，六个所述测量装置以所述钻孔的圆心为中心成环形阵列布置。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述多点位移计还包括连接杆，所述连接杆竖直设置在所述钻孔内，所述连接杆的底端设置有螺纹，所述连接杆的底端穿过所述凸起的顶端并与所述凸起螺纹连接，所述连接杆的顶端低于所述钻孔的顶端，所述连接杆依次穿过多个所述锚点，所述锚点能够在所述连接杆上滑动；所述连接杆上设置有多个导线孔，每根所述第一钢丝绳穿过其中一个或者多个所述导线孔；所述第一钢丝绳和所述第二钢丝绳通过连接头连接，所述连接头设置在所述凸起上面的所述钻孔内。

在如上所述的多点位移计中，优选地，所述第二钢丝绳位于所述钻孔内的部分与所述第一钢丝绳共线；所述定滑轮固定设置在所述钻孔的孔口位置处。

分析可知，本发明公开一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计，包括多个锚点和多个测量装置，多点位移计包括多个锚点和多个测量装置，一个锚点对应一个测量装置，多个锚点沿钻孔的深度方向上依次设置，每个锚点均连接一根第一钢丝绳，测量装置包括角位移传感器、定滑轮、磁铁、第二钢丝绳和线圈，第一钢丝绳与第二钢丝绳连接进而使一个测量装置与一个锚点连接，当围岩发生变形时，锚点跟随围岩移动带动设置在定滑轮上的磁铁的转动，通过角位移传感器测量磁铁的转动角度进而实现对围岩变形的监测。

本发明具有体积小、精度高等特点，安装方便、监测结果准确且易于读取。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为发明一实施例的安装结构示意图。

图2为本发明一实施例的测量装置的结构示意图。

图3为本发明一实施例的测量装置的封装结构立体示意图。

图4为本发明一实施例的凸起的顶端横向截面示意图。

图5为本发明一实施例的凸起的顶端竖向截面示意图。

附图标记说明：1围岩；2钻孔；3锚点；4第一钢丝绳；5测量装置；6角位移传感器；7定滑轮；8磁铁；9第二钢丝绳；10线圈；11主控制器；12导线；13钢套筒；14凸起；15发条弹簧；16扭杆；17连接杆；18导线孔；19连接头；20粘结层；21螺栓孔；22胶垫圈；23支撑杆。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图5所示，根据本发明的实施例，提供了一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计。巷道设置在围岩1内，围岩1内设置有钻孔2，钻孔2由巷道的顶部向上延伸，多点位移计包括多个锚点3和多个测量装置5，一个锚点3对应一个测量装置5，其中，多个锚点3沿钻孔2的深度方向依次设置，每个锚点3均与钻孔2的孔壁紧密嵌固，锚点3通过多根弯曲的钢爪嵌固在钻孔2的孔壁上，具有止回的特点。每个锚点3均连接一根第一钢丝绳4的一端。

多个测量装置5设置在钻孔2外，如图2所示，测量装置5包括角位移传感器6、定滑轮7、磁铁8、第二钢丝绳9和线圈10，定滑轮7固定设置在钻孔2的孔口位置处，磁铁8与定滑轮7同轴设置，磁铁8为圆盘形结构设置，磁铁8与定滑轮7的转动轴固定连接。角位移传感器6通过支撑杆23设置在磁铁8的一侧，支撑杆23和定滑轮7均固定设置在钻孔周围。磁铁8能够跟随定滑轮7旋转，角位移传感器6能够测量磁铁8的转动角度。第二钢丝绳9的一端缠绕在线圈10上，线圈10由发条弹簧15提供恒定的阻力。每根第二钢丝绳9的另一端均通过定滑轮7后延伸至钻孔2内并与一根第一钢丝绳4的另一端连接，进而使锚点3与相对应的测量装置5连接。定滑轮7的转动与第二钢丝绳9的线位移具有线性传递关系。优选地，第一钢丝绳4和第二钢丝绳9均为不锈蚀的钢丝绳。如此设置能够提高该多点位移计的使用寿命。线圈10由钢丝绳通过绕丝形成，该钢丝绳与第二钢丝绳9可以为同一钢丝绳。

当围岩1发生变形时，锚点3能够跟随围岩1移动进而拉动第一钢丝绳4和第二钢丝绳9移动(即围岩1发生位移时，与锚点形成张力拉动第一钢丝绳4伸长，进而带动第二钢丝绳9移动)，第二钢丝绳9的移动能够带动定滑轮7和磁铁8转动，角位移传感器6能够测量磁铁8转动的角度，通过磁铁8转动的角度计算出围岩1的位移量实现对围岩1变形的监测。

进一步地，多点位移计还包括主控制器11，主控制器11设置在巷道外，主控制器11通过导线12与角位移传感器6连接，主控制器11能够显示磁铁8的转动角度。为了避免巷道掘进时，对导线产生影响，主控制器11可以与角位移传感器6通过无线通信方式实现数据的传输。

进一步地，主控制器11内设置有电源，电源为电池供电方式，电池的供电线路为并联电路，如此设置能够保证在监测时实现不断电换电池。主控制器11为集成定时器电路的处理器，主控制器11可以选用MSP430F235型号的处理器。

进一步地，如图3所示，多个测量装置5均设置在一个钢套筒13内，钢套筒13为圆型盒状封装结构，钢套筒13的顶端设置有凸起14，凸起14为底端开口的筒状结构，凸起14与钢套筒13连通，凸起14的底端与钢套筒13的顶端密封连接，凸起14置于钻孔2内，钢套筒13通过凸起14固定在钻孔2的中心位置处，如图3和图4所示，第二钢丝绳9穿过凸起14的顶端。凸起14是钢套筒13的上段，测量装置5封装在钢套筒13的下段，凸起14所在的上段与封装测量装置5的下段是一体的。

优选地，钢套筒13的外侧设置有多个螺栓孔21，膨胀螺栓通过螺栓孔21将钢套筒13固定在围岩1上。角位移传感器6设置在支撑杆23的底端，支撑杆23的顶端连接在钢套筒13的顶端。主控制器11设置在钢套筒外。在其他的实施例中，套筒还可以为其它防爆材质，如铝合金。

进一步地，如图2所示，线圈10的两端部设置有圆盘状的发条弹簧15，发条弹簧15能够通过第二钢丝绳9拉紧第一钢丝绳4进而使第一钢丝绳4具有恒定的张力。

进一步地，如图2所示，线圈10设置在钻孔2的孔口周围，线圈10的旋转轴的顶端与钢套筒13的顶端连接。测量装置5还包括有多根扭杆16，每根扭杆16的一端置于钢套筒13外、另一端伸入钢套筒13内并与一个线圈10的旋转轴连接，旋转扭杆16能够将第二钢丝绳9回卷到线圈10上。扭杆16套接有发条弹簧15的一端，发条弹簧15的另一端连接(如销式固定连接)有线圈10的一端，线圈10的另一端连接有第二钢丝绳9。扭杆16回卷后，发条弹簧15也随之转动，发条弹簧15为固定第二钢丝绳9提供张力。

进一步地，角位移传感器6为磁电阻双轴角度传感器，角位移传感器6与磁铁8不接触，即角位移传感器6与磁铁8之间具有间隙，角位移传感器6与磁铁8之间的距离根据磁铁8与角位移传感器6的感应距离等参数确定，需满足不接触和感应信号好。磁电阻双轴角度传感器利用磁性多层膜材料的磁电阻效应对磁铁8产生的磁场进行感应，磁电阻双轴角度传感器与常规电阻类传感元件相比具有更大的电阻变化率，更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，一般磁电阻双轴角度传感器无需外部信号放大处理电路，适于电池供电。本发明选用的磁电阻双轴角度传感器是基于电磁感应式传感器的合理选型、二次开发和封装，并解决煤矿现场防爆、电源等技术应用问题。

进一步地，如图3所示，测量装置5设置有六个，锚点3在钻孔2内设置有六个，六个测量装置5在钢套筒13内以钻孔2的圆心为中心成环形阵列布置。

进一步地，如图3和图4所示，多点位移计还包括连接杆17，连接杆17竖直设置在钻孔2内，连接杆17的底端设置有螺纹，连接杆17的底端穿过凸起14的顶端并与凸起14螺纹连接，连接杆17的顶端低于钻孔2的顶端，连接杆17依次穿过多个锚点3，锚点3能够在连接杆17上滑动。连接杆17上设置有多个导线孔18，每根第一钢丝绳4穿过其中一个或者多个导线孔18，导线孔18能够将第一钢丝绳4约束在连接杆17的周围进而防止多根第一钢丝绳4发生缠绕打结，保证多点位移计的正常使用。第一钢丝绳4和第二钢丝绳9通过连接头19连接，连接头19设置在凸起14上面的钻孔2内。连接头19的设置能够将锚点3的安装与测量装置5的安装分开进行，使多点位移计的安装更加方便。

进一步地，第二钢丝绳9位于钻孔2内的部分与第一钢丝绳4共线。进一步地，如图3和图4所示，在第二钢丝绳9穿过凸起14顶端的位置处设置有胶垫圈22，导线12和扭杆16穿过钢套筒13的位置处均设置有胶垫圈22，胶垫圈22能够遇水膨胀，保证钢套筒13具有防水性，进而保证多点位移计正常工作。

具体地，多点位移计安装时包括如下步骤：

第一步，在钻孔2外将每个锚点3分别与一根第一钢丝绳4连接，截去第一钢丝绳4多余的部分，每根第一钢丝绳4穿过一个或多个上下对应的导线孔18，然后利用大直径空心钢管将锚点3、第一钢丝绳4和连接杆17装入钻孔2内预定位置，使锚点3与钻孔2的孔壁紧密嵌固。

第二步，通过连接头19依次将钢套筒13伸出的每根第二钢丝绳9与一根第一钢丝绳4连接。

第三步，将凸起14与连接杆17连接，凸起14深入钻孔2内调整位置后，钢套筒13与围岩1之间利用环氧树脂胶形成粘结层20进而固定钢套筒13，然后利用膨胀螺栓通过螺栓孔21将钢套筒13进一步固定在围岩1上，第二钢丝绳9的另一端通过定滑轮7后合理缠绕在线圈10上，最后通过发条弹簧15回转，收紧第一钢丝绳4和第二钢丝绳9的松弛余量，使得第一钢丝绳4和第二钢丝绳9保持张力。

第四步，将主控制器11通过导线12与角位移传感器6连接。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)通过角位移传感器6测量第一钢丝绳4的线位移进而测量围岩1的变形，具有体积小、精度高的特点，其测量精度能够达到1mm以内。

(2)通过钢套筒13对测量装置5进行防爆封装，能够保证在反复喷浆条件下不影响角位移传感器6的使用。通过导线12将测量装置5与设置在巷道外部的主控制器11连接并进行监测，避免现场直读模糊、爬高监测的困难。

(3)连接杆17上的导线孔18能够防止钻孔2内的多根第一钢丝绳4发生缠绕，使监测结果更准确。

(4)在线圈10上设置发条弹簧15能够保证第一钢丝绳4和第二钢丝绳9具有恒定的张力，在安装时可通过旋转扭杆16回卷第二钢丝绳9并实现初始张拉。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种监测煤矿锚喷支护巷道围岩变形的多点位移计，所述巷道设置在所述围岩内，所述围岩内设置有钻孔，所述钻孔由所述巷道的顶部向上延伸，其特征在于，所述多点位移计包括多个锚点和多个测量装置，一个所述锚点对应一个所述测量装置，其中，

多个所述锚点沿所述钻孔的深度方向依次设置于所述钻孔的孔壁上，每个所述锚点均连接一根第一钢丝绳的一端；

多个所述测量装置设置在所述钻孔外，所述测量装置包括角位移传感器、定滑轮、磁铁、第二钢丝绳和线圈，所述磁铁与所述定滑轮同轴设置，所述磁铁能够跟随所述定滑轮旋转，所述角位移传感器设置在所述磁铁的一侧，所述第二钢丝绳的一端缠绕在所述线圈上；

每根所述第二钢丝绳的另一端均通过所述定滑轮后延伸至所述钻孔内并与一根所述第一钢丝绳的另一端连接，进而使所述锚点与相对应的所述测量装置连接；

当所述围岩发生变形时，所述锚点能够跟随所述围岩移动进而拉动所述第一钢丝绳和所述第二钢丝绳移动，所述第二钢丝绳的移动能够带动所述定滑轮和所述磁铁转动，所述角位移传感器能够测量所述磁铁转动的角度，通过所述磁铁转动的角度计算出所述围岩的位移量实现对所述围岩变形的监测。

2.根据权利要求1所述的多点位移计，其特征在于，

所述多点位移计还包括主控制器，所述主控制器通过导线与所述角位移传感器连接，所述主控制器能够显示所述磁铁的转动角度。

3.根据权利要求2所述的多点位移计，其特征在于，

所述主控制器内设置有电源，所述电源为电池供电方式。

4.根据权利要求1所述的多点位移计，其特征在于，

多个所述测量装置均设置在一个套筒内，所述套筒的顶端设置有凸起，所述凸起为底端开口的筒状结构，所述凸起与所述钢套筒连通，所述凸起的底端与所述钢套筒的顶端密封连接，所述凸起置于所述钻孔内，所述第二钢丝绳穿过所述凸起的顶端；

所述角位移传感器设置在支撑杆的底端，所述支撑杆的顶端连接在所述套筒的顶端；优选地，所述套筒的外侧设置有多个螺栓孔，膨胀螺栓通过所述螺栓孔将所述套筒固定在所述围岩上；

优选地，所述套筒为钢套筒。

5.根据权利要求4所述的多点位移计，其特征在于，

所述线圈上设置有发条弹簧，所述发条弹簧能够拉紧所述第二钢丝绳和所述第一钢丝绳进而使所述第一钢丝绳具有恒定的张力。

6.根据权利要求5所述的多点位移计，其特征在于，

所述线圈设置在所述钻孔的孔口周围，所述线圈的旋转轴顶端与所述钢套筒的顶端连接；

所述测量装置还包括有多根扭杆，每根所述扭杆的一端置于所述钢套筒外、另一端伸入所述钢套筒内并与一个所述线圈的旋转轴连接，旋转所述扭杆以操作所述发条弹簧实现将所述第二钢丝绳回卷到线圈上。

7.根据权利要求1所述的多点位移计，其特征在于，

所述角位移传感器为磁电阻双轴角度传感器，所述角位移传感器与所述磁铁不接触。

8.根据权利要求1所述的多点位移计，其特征在于，

所述测量装置设置有六个，六个所述测量装置以所述钻孔的圆心为中心成环形阵列布置。

9.根据权利要求4所述的多点位移计，其特征在于，

所述多点位移计还包括连接杆，所述连接杆竖直设置在所述钻孔内，所述连接杆的底端设置有螺纹，所述连接杆的底端穿过所述凸起的顶端并与所述凸起螺纹连接，所述连接杆的顶端低于所述钻孔的顶端，所述连接杆依次穿过多个所述锚点，所述锚点能够在所述连接杆上滑动；

所述连接杆上设置有多个导线孔，每根所述第一钢丝绳穿过其中一个或者多个所述导线孔；

所述第一钢丝绳和所述第二钢丝绳通过连接头连接，所述连接头设置在所述凸起上面的所述钻孔内。

10.根据权利要求1所述的多点位移计，其特征在于，

所述第二钢丝绳位于所述钻孔内的部分与所述第一钢丝绳共线；

所述定滑轮固定设置在所述钻孔的孔口位置处。