CN111599137B - 地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统和方法，所述系统包括：地下监控子系统和地面监控预警子系统；地下监控子系统包括：多物理场传感系统、监测分站和工业环网；地面监控预警子系统包括：多物理场数据采集存储系统、远程数据实时处理分析系统和智能预警系统；多物理场传感系统与监测分站相连，监测分站通过通讯光纤和网络通讯总站与工业环网相连或者监测分站依次通过5G微基站和5G核心基站与工业环网相连；工业环网与多物理场数据采集存储系统相连，多物理场数据采集存储系统通过无线方式与远程数据实时处理分析系统相连，远程数据实时处理分析系统与智能预警系统相连，有效减少人工工作量，智能化程度高，且实时性强。

Description

地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及地下岩土及采矿工程中安全测试技术领域，更具体的说是涉及一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统及方法。

背景技术

随着我国社会的快速发展，地下工程建设步伐加快，其受自然或人为的扰动荷载影响下的安全问题日趋复杂化，人们更加迫切科学安全精准化的进行地下空间利用和资源开采等。

对地下工程围岩结构体的稳定性问题进行深入研究就显得尤为重要，其中，受自然或人为的扰动荷载而产生的岩土层运动变形、岩土体裂隙发育及结构变形破坏、地下水渗流或扩散运移影响分布范围等问题均会对地下工程围岩结构体的安全稳定造成威胁。目前，针对隧道、地铁、地下水库、防空洞、矿井巷道及工作面开采等地下工程的岩土体结构安全或破坏等问题的研究主要有理论计算、数值模拟、物理相似模拟试验、现场原位测试等，其中，针对现场原位测试的技术手段较多，有通过向监测孔内进行注水测试、钻孔电视探头摄像、声波检测、电阻率测量、应变法测试、震波CT探测及微震监测等来检测围岩体内部结构的变形破坏等变化情况，亦有通过在围岩表面或内部固定位移监测计等测量仪器对围岩变形进行测量。

现阶段，地下工程围岩结构变形破坏等监测分析领域仍存在如下问题：现有的监测系统智能化程度低、多需要人工采集、工作量较大，已有配套的地面远程监控及智能预警系统尚不成熟，受网络监测系统的高延时限制，监测数据动态同步采集、传输、处理分析及智能预警效果差。

因此，如何提供一种无人智能化实时远程监测预警系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统及方法，有效减少人工工作量，智能化程度高，且实时性强。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统，包括：地下监控子系统和地面监控预警子系统；

其中，所述地下监控子系统包括：多物理场传感系统、监测分站和工业环网；所述地面监控预警子系统包括：多物理场数据采集存储系统、远程数据实时处理分析系统和智能预警系统；

所述多物理场传感系统与所述监测分站相连，所述监测分站依次通过通讯光纤和网络通讯总站与所述工业环网相连或者所述监测分站依次通过5G微基站和5G核心基站与所述工业环网相连；

所述工业环网与所述多物理场数据采集存储系统相连，所述多物理场数据采集存储系统通过无线方式与所述远程数据实时处理分析系统相连，所述远程数据实时处理分析系统与所述智能预警系统相连。

优选的，还包括：钻孔缆线植入系统，所述钻孔缆线植入系统包括：缆线固定装置、辅助推送装置和手持式无线控制器；

所述缆线固定装置与所述辅助推送装置之间可拆卸连接；所述缆线固定装置用于固定所述多物理场传感系统；

所述手持式无线控制器与所述缆线固定装置无线连接。

优选的，所述缆线固定装置包括：前段、中段和后段；所述前段和所述中段可拆卸连接；

所述前段上具有卡槽，所述卡槽旁对应设置有内嵌式按钮；所述卡槽用于固定所述多物理场传感系统中的各类型传感缆线；

所述中段内部安装有高压储气仓、弹射单元、大头钢针、U型钢片、无线通讯模块和集成控制模块；其中，所述无线通讯模块分别与所述手持式无线控制器以及所述集成控制模块相连；

所述中段表面具有多个弹射孔，每个所述弹射孔内安装有一个所述弹射单元，所述弹射单元内安装有所述大头钢针，所述弹射单元与所述高压储气仓通过连通阀相连；所述U型钢片安装在所述中段底部；具体的，U型钢片通过焊接的方式安装在中段的内壁下部位置。优选的，中段内壁下方均匀焊接三个U型钢片。

所述后段安装有楔形卡扣、无线通讯模块、回弹模块和后段中控模块；其中，所述中段通过所述U型钢片和所述楔形卡扣与所述后段可拆卸相连；所述无线通讯模块分别与所述手持式无线控制器以及所述后段中控模块相连；所述后段中控模块与所述回弹模块相连；所述回弹模块安装在所述后段内壁上，并位于楔形卡扣下部，且与所述U型钢片位置相对应。

优选的，所述辅助推送装置包括：PVC管；所述PVC管与所述后段通过螺纹连接。

优选的，所述回弹模块包括：压缩弹簧、挡板、伸缩杆和控制单元；

所述压缩弹簧一端固定在所述后段的内壁上，另一端与所述挡板内侧焊接；

所述控制单元与所述后段中控模块相连；

所述伸缩杆与所述控制单元相连；

所述控制单元安装在所述挡板的两端。

控制单元根据接收到的指令使伸缩杆机械收缩，当伸缩杆不再限制挡板及压缩弹簧时，压缩弹簧会推动挡板及一侧的U型钢片向PVC管中心一侧移动，最终使得U型钢片脱离后段的楔形卡扣，即后段与中段分离完成。优选的，可以利用电动推杆实现伸缩杆，控制单元通过安装板安装在后段上。

优选的，所述中段外侧还固定有扎条带。

优选的，还包括：软橡胶保护套；所述软橡胶保护套包裹于所述前段的顶部。

优选的，所述U型钢片底部黏贴有橡胶垫。

优选的，还包括：隔爆兼本安电源；所述隔爆兼本安电源与所述监测分站相连。

一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警方法，包括如下步骤：

步骤1：钻孔作业阶段：1)钻孔设计，包括监测孔在地下工程区段内的位置选择、钻孔角度、钻孔长度、钻孔数量的确定，其中，监测孔位置的选择满足对重点区段围岩稳定性监测需求，钻孔角度、钻孔长度及钻孔数量根据实际所需或受影响的监测范围而定，亦可结合数值模拟软件所获得的数据结果进行确定，钻孔长度一定要大于预期监测范围；2)打钻，在钻孔位置及相关参数设计确定后，通过钻机在被测试节段内钻取符合设计需求的钻孔；3)钻孔清洗，在钻孔施工完成后，对刚施工完成的钻孔进行清洗作业，将钻孔内充填的碎石或孔壁清洗干净及通畅，便于下一步传感缆线的植入工作；

步骤2：孔内植入线缆阶段：1)缆线固定装置现场测试，选择打钻取出的孔底岩样，将岩样与缆线固定装置中段的弹射孔贴合，通过手持式无线控制器操控中段内的弹射单元对大头钢针进行弹射，进而确定钢针能够有效打入岩体并稳固；2)组装，选择满足现场固定能力的并未启用的缆线固定装置中段，将其与前段通过内壁的螺旋丝扣固定连接，并通过中段内的U型钢片与后段楔形卡扣固定，待整个缆线固定装置的前、中、后段固定安装完成后，将第一根PVC管接入缆线固定装置后段并固定；3)固定传感缆线，根据实际监测目的选择好相应的传感光缆和钻孔电法电缆后，按下缆线固定装置前段的内嵌式按钮，卡槽开启后将各传感缆线的前端头部插入其中相应部位固定后，松开内嵌式按钮进而使卡槽开口变小挤压缆线，使得缆线紧紧被卡槽固定住，然后将外部的缆线通过扎条带绑定于缆线固定装置侧部，将缆线和缆线固定装置的前段固定好后用软橡胶保护套对该部位进行包裹保护处理，防止在植入孔内的过程中损坏前端的缆线及固定装置；4)植入缆线，通过PVC管将缆线固定装置和传感缆线匀速稳定推送入孔中，在推送的过程中，需每隔一定距离使用扎条带把各传感缆线绑定在一起，同时，随着长度的增加需多次连接各PVC管，直至将各类型传感缆线和固定装置送入孔底指定位置后停止；

步骤3：孔底缆线固定及PVC管辅助工具退取阶段：1)固定缆线，通过手持式无线控制器向缆线固定装置中段内的无线通讯模块发送弹射指令，无线通讯模块将接收到的指令传送给集成控制模块，集成控制模块控制弹射单元内的连通阀开启工作，大头钢针受到弹射单元内高压储气仓的作用下弹射出装置外并打入周围的岩体内，大头钢针后部的大头钢片使其不会射出缆线固定装置中段，实现缆线固定装置及传感缆线与孔底围岩体固定，此时，无线通讯模块将弹射完成后的信息反馈至手持式无线控制器上；2)PVC管退取出孔外，待前述操作完成后，再次通过手持式无线控制器向缆线固定装置后段内的无线通讯模块发送装置分离指令，无线通讯模块将该指令传送给固定装置后段内的后段中控模块，后段中控模块通过对指令进行处理进而操控控制单元的伸缩杆进行机械收缩，当收缩完成后，回弹模块在不受伸缩杆的约束后，进而其内部的压缩弹簧为了恢复其原始状态而回弹产生推力推动挡板向外侧移动，当压缩弹簧推动挡板外侧的U型钢片移出楔形卡扣时，U型钢片与楔形卡扣实现分离，致使缆线固定装置后段脱离缆线固定装置中段及前段，待这一过程完成后，后段中控模块将信息传输给无线通讯模块，进而通过无线通讯模块将其反馈回手持式无线控制器，此时，现场操作人员将PVC管连同缆线固定装置后段从孔内缓慢匀速退取出来；

步骤4、钻孔分段注浆：1)室内岩石力学参数测定，根据事先已有并收集到的监测区域内岩层岩性厚度及相应的岩石物理力学参数提前进行室内岩石力学参数实验，获取监测区内不同位置岩石的相关物理力学参数，为后期钻孔注浆材料的选型、配比提供准确数据；2)钻孔分段注浆，根据已有及实验获得的数据进行现场监测孔的分段注浆作业，其中，重点关注监测孔内不同深度岩层厚度、各岩层岩石岩性及其物理力学参数、钻孔直径及各孔中各深度岩层所需注浆量、孔中是否注浆密实；

步骤5、监测仪器调试运行及数据动态测试：1)测试设备调试，在保证整个监测期间延长段的缆线不受影响的情况下延长连接至监测分站处，各监测分站配有隔爆兼本安电源用以对监测分站供电进行数据采集传输等工作；待各钻孔组的延长缆线与监测分站连接完成后，使用光缆连接各监测分站至网络通讯总站，或者通过5G微基站和5G核心基站实现无线通信；通过工业环网将地下的网络通讯总站或者5G核心基站连接至地面多物理场数据采集存储系统的测试设备接口上进行设备参数的选择和数据采集调试工作；2)数据动态监测，待浆液凝固并达到周围岩石强度及测试条件后，通过地面多物理场采集存储系统进行数据的动态监测；

步骤6、数据处理、分析与智能预警：1)地面多物理场采集存储系统将数据通过4G或5G网络无线传输给远程数据实时处理分析系统，远程数据实时处理分析系统内安装多类型数据自动处理系统软件，处理软件对应变、温度、含水量、电极电流、电阻率、自然电位等的各类型数据进行归类存储并自动导入对应的数据自动处理软件进行实时处理成图，其中包括三维立体云图可视化表达、多参量曲线动态变化显示、各参量间相关性分析等多种方式对数据进行分析展示；2)智能预警：基于深度学习的地下工程围岩稳定监测时空大数据处理与智能预警系统，利用时序大数据深度学习网络模型对多元时序监测数据进行分析和处理，在输入地下工程围岩失稳预警初始判据基础上，利用机器学习技术对实时监测数据进行分析处理，实时微调预警判据，同时基于多元时序数据可视化技术，将围岩变形失稳破坏等的预警实时动态图、预警级别信息等进行综合可视化表达，从而实现围岩稳定智能动态预警。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统及方法，具有如下有益效果：

1、通过多物理场传感系统对受人为或自然造成地质体扰动或破坏而使得地下工程围岩结构体稳定性受到影响的全生命周期变化过程进行综合动态监测预警，具有人工工作量小、测试距离长、成本低、采集速度快、时间短、数据量大、灵敏度高、精度高、传感系统抗干扰性强、存活时间长、适用范围广、分布式多物理场动态远程数据监测预警等优势。

2、本发明提供的缆线固定装置能够将植入孔中的多根缆线固定在孔底位置的同时有效地把PVC管等辅助推送装置完全退取出孔外，解决了目前由于将缆线植入孔内后无法取出辅助推送装置而只能将其保留在孔中进行注浆作业处理的状况，该套装置体积小、结构简单、设计合理、安装方便、操作便捷、固定效果好、监测数据受干扰减小、精准度更高，可广泛适用于岩土工程、采矿工程等地面及地下工程岩土体结构运动变形及破坏监测领域内的各种传感缆线孔中植入后的固定并有效从孔内退取出PVC管等辅助推送工具等的有高精度、分布式、远程无人智能监测预警需求的工程项目。

3、在实际使用时，在长距离大范围的地下工程围岩监测中通过多区域多方位布设传感系统，形成多监测区的三维传感监测组，通过在各监测区分别布置监测分站并使用光纤连接至网路通讯总站，再通过工业环网连接至地面进行远程动态监控操作及智能预警。另外，本发明提供的技术方案亦可与5G网络技术结合，通过采用有线光纤主干+N个5G微基站的模式，形成基于5G技术的高精度实时远程监测预警系统，可更好的支持多物理场的海量传感数据同步采集、传输、处理、分析及实时智能预警等需求。

4、本发明提供的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警方法从传感缆线的选型、监测孔参数设计、传感缆线植入及固定、分层注浆操作、多物理场监测系统设计、智能预警系统构建等一整套的系统解决方案，广泛适用于对隧道、地铁、矿井巷道及工作面开采等地下工程的岩土体结构安全或破坏监测领域内的岩土层运动变形、岩土体裂隙发育及结构变形破坏、地下水运移分布范围以及对地下工程围岩稳定性造成影响等各种问题进行四维多场动态远程监测及智能预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统；

图2为本发明提供的基于5G网络技术的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统；

图3为本发明提供的钻孔缆线植入系统示意图；

图4为本发明提供的缆线固定装置结构框架设计图；

图5为本发明提供的缆线固定装置结构立体示意图；

图6为本发明提供的缆线固定装置中段结构细节图；

图7为本发明提供的缆线固定装置中段和后段的连接固定及分离过程细节示意图；

图8为本底抽巷围岩支护方案设计断面示意图；

图9为11123工作面内1#、2#监测孔平面设计图；

图10-1为本发明提供的孔内植入缆线阶段的系统剖面示意图；

图10-2为本发明提供的孔底缆线固定及PVC管辅助工具退取阶段的系统剖面示意图；

图10-3为本发明提供的煤层采动过程中的底板破坏区分布的剖面监测示意图；

图11-1为采动过程中断面监测孔内感测光纤应变变化分布三维云图；

图11-2为采动过程中断面监测孔内钻孔电法电极电流变化分布三维云图；

图12-1为监测孔内3#测量点位置处采集到的各参数变化规律；

图12-2为监测孔内8#测量点位置处采集到的各参数变化规律；

图12-3为监测孔内31#测量点位置处采集到的各参数变化规律；

图13-1为监测孔内8#测量点处在采动初期阶段的自然电位与应变之间相关性；

图13-2为监测孔内24#测量点处在采动初期阶段的自然电位与应变之间相关性；

图13-3为监测孔内32#测量点处在采动初期阶段的自然电位与应变之间相关性；

图14为11123底抽巷支护结构与地层的对应关系的受力区断面示意图；

图15为围岩稳定性多物理场监测数据热力分布预警图；

图16为本发明提供的多场监测系统和方法的具体工作流程图；

图17为本发明提供的回弹模块的结构示意图；

图18为本发明提供的内嵌式按钮的结构细节图。

附图标记说明：

1-卡槽、2-内嵌式按钮、3-扎条带、4-弹射孔、5-U型钢片、6-楔形卡扣、7-压缩弹簧、8-挡板、9-高压储气仓、10-弹射单元、11-大头钢针、12-连通阀、13-无线通讯模块、14-集成控制模块、15-橡胶垫、16-监测钻孔、17-分布式感测光缆、18-钻孔电缆、19-橡胶套、20-前段、21-中段、22-后段、23-PVC管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统，包括：地下监控子系统和地面监控预警子系统；

其中，地下监控子系统包括：多物理场传感系统、监测分站和工业环网；地面监控预警子系统包括：多物理场数据采集存储系统、远程数据实时处理分析系统和智能预警系统；

多物理场传感系统与监测分站相连，监测分站依次通过通讯光纤和网络通讯总站与工业环网相连或者监测分站依次通过5G微基站和5G核心基站与工业环网相连；

工业环网与多物理场数据采集存储系统相连，多物理场数据采集存储系统通过无线方式与远程数据实时处理分析系统相连，远程数据实时处理分析系统与智能预警系统相连。

本发明提供的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统包括地下监控子系统和地面监控及预警子系统两部分，地下监控子系统主要作用是进行数据采集和传输等，其由多物理场传感系统、监测分站、隔爆兼本安电源、通讯光纤、网络通讯总站、工业环网组成，地面监控及预警子系统主要作用则是控制数据采集、数据存储、处理分析及智能预警等，其由多物理场数据采集存储系统、无线网络、远程数据实时处理分析系统和智能预警系统组成；其中地下监控子系统中的多组多物理场传感系统分别通过通讯线缆与对应的监测分站连接，各监测分站通过隔爆兼本安电源进行供电作业，各监测分站通过通讯光纤连接至网络通讯总站，进而网络通讯总站接入工业环网进而与地面监控及预警系统中的多物理场数据采集存储系统连接；多物理场数据采集存储系统由分布式光纤监测仪及电法仪等多物理场数据采集模块、多物理场数据存储模块构成，其中，可通过调控设置多物理场数据采集模块的采集测试参数进而对地下的多物理场传感系统进行远程无人实时自动数据采集等操作，多物理场数据采集模块将海量多类型数据传输至多物理场数据存储模块中对数据进行安全存储；多物理场数据存储模块中的海量多类型数据通过无线网络传输至远程数据实时处理分析系统，其中，远程数据实时处理分析系统安装有各物理场类型数据的实时处理系统软件及数据分析系统软件，通过数据实时处理分析系统将多物理场数据处理分析结果发送至智能预警系统；智能预警系统是基于深度学习的地下工程围岩稳定监测时空大数据处理与智能预警系统，其主要是利用时序大数据深度学习网络模型对多元时序监测数据结果进行分析和处理，在输入地下工程围岩失稳预警初始判据基础上，利用机器学习技术对实时监测数据结果进行分析处理，实时微调预警判据，同时基于多元时序数据可视化技术，将围岩变形失稳破坏等的预警实时动态图、预警级别信息等进行综合可视化表达，从而实现围岩稳定智能动态预警；智能预警系统由深度学习分析模块、结果可视化动态表达模块、预警级别显示模块、手机APP应用端组成。

着眼于5G网络技术的快速发展及应用，本发明同时也提出了基于5G技术的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统总体架构，其地下监测子系统采用有线光纤骨干环网+N个5G微基站的网络覆盖传输模式，地面监控及预警子系统的数据传输处理预警采用5G网络技术，本发明的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统的相关网络设备或系统可根据工程条件及要求迅速更新替换为5G网络技术设备系统进行监测预警，基于5G网络技术的系统构架主要是将地下部分中原有的通讯光纤更换为5G微基站、网络通讯总站更换为5G核心基站、地面部分中的4G网络更换为5G网络等，其中，一个5G微基站可同时控制采集传输多组多物理场传感系统的监测数据，各5G微基站间无线连接传输并最终受控于5G核心基站，其低延时优势明显、多类型海量数据同步远程实时采集传输处理及智能预警能力将大幅度提高。

其中，多物理场传感系统由分布式传感光缆和钻孔电法缆线组成，根据不同的监测需求，可选择适用于对应力场、温度场、水分场等感知灵敏的不同类型分布式传感光纤，钻孔电法可获得电阻率、自然电位、电流等的地电场信息。多物理场传感系统可对岩体内的应力场、温度场、水分场、地电场等的变化进行动态灵敏监测，其中，不同监测类型的感测光缆有高强金属基应变感测光缆、定点式应变感测光缆、高强温度感测光缆、内加热含水率感测光缆等，地电场的监测主要是使用钻孔电法缆线，这些不同类型的传感缆线均是经过特殊保护处理的，在强度、耐久性、稳定性、抗干扰性等方面性能良好，根据工程监测需要可选择一种或多种类型的感测光缆与钻孔电法电缆配合进行综合监测。

参见附图3，为了进一步优化上述技术方案，还包括：钻孔缆线植入系统，钻孔缆线植入系统包括：缆线固定装置、辅助推送装置和手持式无线控制器；

缆线固定装置与辅助推送装置之间可拆卸连接；缆线固定装置用于固定多物理场传感系统；

手持式无线控制器与缆线固定装置无线连接。

钻孔缆线植入系统由缆线固定装置、辅助推送装置及手持式无线控制器组成，缆线固定装置主要起到固定孔底缆线的作用，其由前、中、后段共三部分组成，辅助推送装置起到将缆线固定装置及各传感缆线辅助推送至孔底预定位置后退取出孔外的作用，其主要由多节PVC管等辅助工具连接而成，手持式无线控制器用于控制缆线固定装置的各阶段工作状态；

参见附图4～7，为了进一步优化上述技术方案，缆线固定装置包括：前段20、中段21和后段22；前段20和中段21可拆卸连接；

前段20上具有卡槽1，卡槽1旁对应设置有内嵌式按钮2；卡槽1用于固定多物理场传感系统；

中段21内部安装有高压储气仓9、弹射单元10、大头钢针11、U型钢片5、无线通讯模块13和集成控制模块14；其中，无线通讯模块13分别与手持式无线控制器以及集成控制模块14相连；

中段21表面具有多个弹射孔4，每个弹射孔4内安装有一个弹射单元10，弹射单元10内安装有大头钢针11，弹射单元10与高压储气仓9通过连通阀12相连；U型钢片5安装在中段21底部；

后段22安装有楔形卡扣6、无线通讯模块13、回弹模块和后段中控模块；其中，中段21通过U型钢片5和楔形卡扣6与后段22可拆卸相连；无线通讯模块13分别与手持式无线控制器以及后段中控模块相连；后段中控模块与回弹模块相连；回弹模块安装在所述后段22内壁，并位于楔形卡扣6下部，且与U型钢片5位置相对应。

为了进一步优化上述技术方案，辅助推送装置包括：PVC管23；PVC管23与后段22通过螺纹连接。

参见图17，为了进一步优化上述技术方案，回弹模块包括：压缩弹簧7、挡板8、伸缩杆27和控制单元28；

压缩弹簧7一端固定在后段22的内壁上，另一端与挡板8内侧焊接；

控制单元28与后段中控模块相连；

伸缩杆27与控制单元28相连；

控制单元28安装在挡板8的两端。

为了进一步优化上述技术方案，中段21外侧还固定有扎条带3。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：软橡胶保护套19；软橡胶保护套19包裹于前段20的顶部。

为了进一步优化上述技术方案，U型钢片5底部黏贴有橡胶垫15。

参见图18，为了进一步优化上述技术方案，内嵌式按钮2活动连接两个卡槽开合控制杆24，两个卡槽开合控制杆24采用控制弹簧25连接，卡槽开合控制杆24通过连接杆连接卡槽1。其中，卡槽1由两个半圆形结构组成，卡槽开合控制杆24与连接杆之间固定连接，连接杆与半圆形结构之间固定连接。

此外，还可以通过止滑扣结构实现内嵌式按钮控制卡槽1圆形开口的大小。

钻孔缆线植入系统中的缆线固定装置由前、中、后三段组成；其中，前段与中段通过装置内壁的螺纹丝扣连接，中段通过U型钢片和后段的楔形卡扣之间固定连接，各段之间可灵活拆卸和固定；钻孔缆线植入系统中的辅助推送装置由PVC管等辅助工具连接而成，各PVC管之间通过丝扣相互连接、包括第一根、第二根至第n根，其总长度需稍大于监测孔实际长度，缆线固定装置通过丝扣连接于第一根PVC管的前端，线缆固定装置与PVC管的外径大小可相同或者稍大但均因小于钻孔直径，光缆和电缆的最前端从缆线固定装置前段弯曲装入并固定后，将外部的缆线绑定于缆线固定装置侧部，将缆线和固定装置的前段固定好后需用软橡胶保护套对该部位进行包裹保护处理，防止植入孔内的过程中损坏前端的缆线及其固定装置；手持式无线控制器包括无线传输模块、中控模块、指令输入模块和显示模块，无线传输模块、指令输入模块和显示模块均与中控模块相连；无线传输模块与所述无线通讯模块相连。工作人员通过指令输入模块将弹射工作指令发送给中控模块，中控模块对指令进行处理后发送给无线传输模块，无线传输模块将工作指令无线传输至缆线固定装置中段或者后段内的无线通讯模块进行弹射固定或分离等操作，待指令操作完成后，缆线固定装置内的相应无线通讯模块即将信息反馈至手持式无线控制器中的无线传输模块，无线传输模块将该信息反馈至中控模块，进而通过显示模块对工作状态及结果进行显示。

缆线固定装置的前段为缆线端头控制段，其作用主要是对插入其中的缆线端头进行固定控制，一方面防止缆线在植入孔中的过程中脱离缆线固定装置，另一方面用于防止各缆线端部受损，缆线固定装置的前段内有两个卡槽，两个卡槽独立工作，各卡槽的开闭操作由装置前段内对应的按钮控制，按钮分别内嵌式设计于对应的卡槽旁，按下按钮的力度可控制着卡槽圆形开口的大小，具体操作为首先施加一定力按下装置前段按钮使卡槽圆形开口扩大，将缆线放入卡槽圆形开口内后松开按钮，开口变小挤压缆线，使得缆线紧紧被卡槽固定住，其中，卡槽的个数可根据现场缆线的数量提前进行设计，另外，也可对卡槽的开口样式进行改进，可设计为一卡槽固定一缆线或一卡槽固定多缆线；

缆线固定装置的中段是整个缆线固定装置的核心区，为装置固定段，该段主要是通过开启高压储气仓与弹射单元之间的连通阀，使得高压储气仓内的压缩气体进入各弹射单元内进而将各个内置的大头钢针射入周围的岩体内，最终将缆线固定装置上的缆线固定在钻孔的底部。具体的，缆线固定装置的中段内部由无线通讯模块、集成控制模块、弹射单元、高压储气仓、大头钢针及U型钢片构成；中段表面有多个孔洞，各孔洞之间的位置及高度交错设计，每个孔洞内部均设计有一个弹射单元，弹射单元内安装大头钢针，大头钢针包括前部的钢针和尾部的大头钢片两部分，各弹射单元与预先充入压缩空气的储气仓连通，气动式弹射单元运用储气仓内的紧缩空气为动力进而将大头钢针弹射出孔洞，大头钢针尾部钢片的截面积大于装置表面的孔洞的面积，其可在大头钢针弹射出孔洞并射入钻孔周围岩体内的同时让钢针尾部的大头钢片控制在装置孔洞的内侧，进而通过大头钢针将缆线固定装置中段与钻孔周围岩体固定，最终将缆线固定在监测孔的底部预定位置；其中，无线通讯模块接收到手持式无线控制器施加的弹射指令后，会立即将弹射指令通过传输线传输给集成控制模块，集成控制模块通过控制开启储气仓与各弹射单元之间的的连通阀，进而控制气动式弹射单元对大头钢针的弹射操作，当集成控制模块成功控制各弹射单元完成弹射操作后，会将这一信息传输回无线通讯模块，无线通讯模块最终将该信息无线反馈给手持式无线控制器；U型钢片的作用是与缆线固定装置后段的楔形卡扣固定，进而使中段和后段之间固定连接，其中，该U型钢片具有良好的韧性和强度并满足本装置的使用，优选的，U型钢片焊接在中段内壁的下部并等距离在圆柱状装置内壁设计三个；进一步的，在U型钢片与缆线固定装置后段的楔形卡扣接触部位的U型钢片处黏贴有橡胶垫，一方面，可降低在缆线固定装置被推送入孔内过程中两个部位之间的摩擦损伤，另一方面，具有一定厚度的橡胶垫使得与楔形卡扣接触部位的钢片处于回弹模块表面的中部，使回弹模块工作时的受力较为均匀稳定；

缆线固定装置的后段为装置衔接段，主要由无线通讯模块、回弹模块、中控模块、楔形卡扣构成；其作用一是通过缆线固定装置的后段将PVC管等辅助推送工具与整个缆线固定装置进行固定，然后利用人工或机械方式匀速稳定推动PVC管等辅助推送工具进入监测孔内，进而将带动整个缆线固定装置及各传感缆线一并植入孔内预定位置，作用二是待缆线固定装置中段内的弹射单元将大头钢针弹射入钻孔周围岩体并固定后，通过手持式无线控制器对缆线固定装置后段内的无线通讯模块施加分离指令后，无线通讯模块将该信息传输给中控模块，中控模块控制伸缩杆收缩，当伸缩杆不在限制挡板时，压缩弹簧将推动挡板及一侧的U型钢片向外侧移动，进而使中段和后段之间分离，最终可从孔内退取出PVC管等辅助推送工具及缆线固定装置的后段，孔内仅保留各传感缆线和缆线固定装置的前、中段，而缆线固定装置的前、中段也仅位于孔底，不影响各传感缆线对整个监测区内岩体结构变化的准确感知；回弹模块由压缩弹簧、挡板、控制单元组成，回弹模块紧靠楔形卡扣一边，其中，压缩弹簧一端焊接在缆线固定装置后段的内壁上，另一端与挡板内侧焊接，优选地，压缩弹簧的弹力能够推动挡板外侧的U型钢片向外移动至最终让中段和后段完全脱离，控制单元受控于中控模块，控制单元的伸缩杆在挡板的外侧，用于限制压缩弹簧的回弹和挡板的移动，当中控模块收到无线通讯模块的信息后，进而对控制单元施加指令，控制单元控制伸缩杆收缩，当控制单元控制伸缩杆收缩完成后，压缩弹簧不再受控制单元的限制，即对挡板施加推力进而推动U型钢片与楔形卡扣分离；

此外，本发明还公开了一种方法步骤简单、系统布设方便、可远程无人分布式动态监测且测试数据量大、测试精度高、能对围岩稳定性进行准确测试的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警方法，根据实际地下工程重点关注区段监测需求，在地下工程多个重点监测区段钻取满足监测控制范围的监测孔，并在孔内布设多种不同传感缆线，对地下工程进行围岩稳定性联合测试，多个地下工程重点监测区段的围岩稳定性联合测试方法均相同，对地下工程受自然或人为的荷载影响下的围岩体结构运动变形破坏等的多场数据进行动态监测，获得全生命周期过程中的不同时间段各传感缆线所测量到的数据演变规律；对于地下工程围岩区段进行围岩稳定性联合测试及数据分析时，具体包括如下步骤，请参见附图16：

步骤1：钻孔作业阶段：1钻孔设计，包括监测孔在地下工程区段内的位置选择、钻孔角度、钻孔长度、钻孔数量的确定，其中，监测孔位置的选择满足对重点区段围岩稳定性监测需求，钻孔角度、钻孔长度及钻孔数量根据实际所需或受影响的监测范围而定，亦可结合数值模拟软件所获得的数据结果进行确定，钻孔长度一定要大于预期监测范围；2打钻，在钻孔位置及相关参数设计确定后，通过钻机在被测试节段内钻取符合设计需求的钻孔；3钻孔清洗，在钻孔施工完成后，对刚施工完成的钻孔进行清洗作业，将钻孔内充填的碎石或孔壁清洗干净及通畅，便于下一步传感缆线的植入工作；

步骤2：孔内植入线缆阶段：1缆线固定装置现场测试，选择打钻取出的孔底岩样，将岩样与缆线固定装置中段21的弹射孔4贴合，通过手持式无线控制器操控中段21内的弹射单元10对大头钢针11进行弹射，进而确定钢针能够有效打入岩体并稳固；2组装，选择满足现场固定能力的并未启用的缆线固定装置中段21，将其与前段20通过内壁的螺旋丝扣固定连接，并通过中段21内的U型钢片5与后段22楔形卡扣6固定，待整个缆线固定装置的前、中、后段22固定安装完成后，将第一根PVC管23接入缆线固定装置后段22并固定；3固定传感缆线，根据实际监测目的选择好相应的分布式传感光缆和钻孔电法电缆后，按下缆线固定装置前段20的内嵌式按钮2，卡槽1开启后将各传感缆线的前端头部插入其中相应部位固定后，松开内嵌式按钮2进而使卡槽1开口变小挤压缆线，使得缆线紧紧被卡槽1固定住，然后将外部的缆线通过扎条带3绑定于缆线固定装置侧部，将缆线和缆线固定装置前段20固定好后用软橡胶保护套对该部位进行包裹保护处理，防止在植入孔内的过程中损坏前端的缆线及固定装置；4植入缆线，通过PVC管23将缆线固定装置和传感缆线匀速稳定推送入孔中，在推送的过程中，需每隔一定距离使用扎条带3单独把各类型传感缆线绑定在一起，同时，随着长度的增加需多次连接各PVC管23，直至将传感缆线和固定装置送入孔底指定位置后停止；

步骤3：孔底缆线固定及PVC管23辅助工具退取阶段：1固定缆线，通过手持式无线控制器向缆线固定装置中段21内的无线通讯模块13发送弹射指令，无线通讯模块13将接收到的指令传送给集成控制模块14，集成控制模块14控制弹射单元10与高压储气仓9之间的连通阀12开启工作，大头钢针11受到弹射单元10内高压储气仓9的作用下弹射出装置外并打入周围的岩体内，大头钢针11后部的大头钢片使其不会射出缆线固定装置中段21，实现缆线固定装置及传感缆线与孔底围岩体固定，此时，无线通讯模块13将弹射完成后的信息反馈至手持式无线控制器上；2PVC管23退取出孔外，待前述操作完成后，再次通过手持式无线控制器向缆线固定装置后段22内的无线通讯模块13发送装置分离指令，无线通讯模块13将该指令传送给固定装置后段22内的后段中控模块，后段中控模块通过对指令进行处理进而操控控制单元的伸缩杆进行机械收缩，当收缩完成后，回弹模块在不受控制单元的约束后，进而其内部的压缩弹簧7为了恢复其原始状态而回弹产生推力推动挡板8向外侧移动，当压缩弹簧7推动挡板8外侧的U型钢片5移出楔形卡扣6时，U型钢片5与楔形卡扣6实现分离，致使缆线固定装置后段22脱离缆线固定装置中段21及前段20，待这一过程完成后，后段中控模块将信息传输给无线通讯模块13，进而通过无线通讯模块13将其反馈回手持式无线控制器，此时，现场操作人员将PVC管23连同缆线固定装置后段22从孔内缓慢匀速退取出来；

步骤4、钻孔分段注浆：1室内岩石力学参数测定，根据事先已有并收集到的监测区域内岩层岩性厚度及相应的岩石物理力学参数提前进行室内岩石力学参数实验，获取监测区内不同位置岩石的相关物理力学参数，为后期钻孔注浆材料的选型、配比提供准确数据；2钻孔分段注浆，根据已有及实验获得的数据进行现场监测孔的分段注浆作业，其中，重点关注监测孔内不同深度岩层厚度、各岩层岩石岩性及其物理力学参数、钻孔直径及各孔中各深度岩层所需注浆量、孔中是否注浆密实；

步骤5、监测仪器调试运行及数据动态测试：1测试设备调试，在保证整个监测期间延长段的缆线不受影响的情况下延长连接至监测分站处，各监测分站配有隔爆兼本安电源用以对监测分站供电进行数据采集传输等工作；待各钻孔组的延长缆线与监测分站连接完成后，使用光缆连接各监测分站至网络通讯总站，或者通过5G微基站和5G核心基站实现无线通信；通过工业环网将地下的网络通讯总站或者5G核心基站连接至地面多物理场数据采集存储系统的测试设备接口上进行设备参数的选择和数据采集调试工作；2数据动态监测，待浆液凝固并达到周围岩石强度及测试条件后，通过地面多物理场采集存储系统进行数据的动态监测；

步骤6、数据处理、分析与智能预警：1地面多物理场采集存储系统将数据通过4G或5G网络无线传输给远程数据实时处理分析系统，远程数据实时处理分析系统内安装多类型数据自动处理系统软件，处理软件对应变、温度、含水量、电极电流、电阻率、自然电位各类型数据进行归类存储并自动导入对应的数据自动处理软件进行实时处理成图，其中包括三维立体云图可视化表达、多参量曲线动态变化显示、各参量间相关性分析等多种方式对数据进行分析展示；2智能预警：基于深度学习的地下工程围岩稳定监测时空大数据处理与智能预警系统，利用时序大数据深度学习网络模型对多元时序监测数据进行分析和处理，在输入地下工程围岩失稳预警初始判据基础上，利用机器学习技术对实时监测数据进行分析处理，实时微调预警判据，同时基于多元时序数据可视化技术，将围岩变形失稳破坏等的预警实时动态图、预警级别信息等进行综合可视化表达，从而实现围岩稳定智能动态预警。

下面结合具体实例对本发明所提供的技术方案做进一步说明。

本实施例以采矿工程中巷道围岩稳定性监测为例，对本发明作详细说明。在中国淮南等煤与瓦斯突出的矿区，常需提前在待采工作面下方一定深度位置处合理设计开挖底抽巷，进行煤层瓦斯抽采及通风等设备系统布置的相关安全工作。后期一旦工作面开采时，其围岩原有的应力平衡状态将受到采动影响而发生改变，随着采动应力传递至底板岩体，最终会导致底板一定深度范围内的岩层产生变形破坏，此时若底抽巷位于底板影响范围内并且现场支护结构达不到实际需求，必然造成巷道围岩失稳，甚至会破坏底抽巷内设备系统的安全运行。故研究并掌握动压影响下的底板破坏特征及其对下方巷道围岩稳定性影响等问题，对类似淮南等高瓦斯富集矿区的煤层工作面安全稳定开采具有重要的现实意义。

本实施例中，11123工作面位于淮南矿区，其工作面标高为-450～-490m，工作面平均埋深约470m，工作面可采走向长约为1345m，倾斜长155m，主采3煤，该煤层平均厚度为5.5m，容重为1.34t/m³，煤层平均倾角为10°。3煤和1煤均为瓦斯突出煤层，本块段3煤瓦斯含量：6.6～7.7m³/t，瓦斯压力：1.76～2.44Mpa；1煤瓦斯含量：5.2～6.5m³/t；瓦斯压力：1.35～2.08Mpa。为有效保障高瓦斯煤层安全高效开采，矿方根据软件数值模拟结果及实际地层岩性情况，最终定于在3煤工作面下方23.2～26.7m深的⑧细砂岩和⑨砂质泥岩层内设计底抽巷道，主要用于煤层采动前中期对3煤和1煤同时进行瓦斯预抽采处理及抽排设备系统的布置、巷道人员的通行等，待抽采达标后进行3煤工作面的采掘作业，初采初放期间加强顶板管理，回采过程中加强瓦斯管理及巷道通风，防止砂岩层中赋存瓦斯造成瓦斯超限。

采用走向长壁全部垮落法管理顶板，11123工作面现场实际采厚约为5m。工作面范围内没有大的断层和构造，3煤层的底板岩性等相关信息见表1所列。11123底抽巷位于⑧细砂岩和⑨砂质泥岩内，宽×高＝4600×3500mm，其顶、底部岩层均为致密坚硬的石灰岩，该巷道主要用于布设和放置瓦斯抽采、通风等安全设备及系统。

表1工作面底板岩性资料

11123底抽巷支护方案采用“锚杆+锚网+局部锚索并喷浆”的支护形式，个别较破碎或软弱围岩区段处提前进行了适当加固处理。锚杆为左旋螺纹钢等强预拉力锚杆，锚杆采用，间排距700mm×700mm；锚索采用，间排距1900mm×2000mm，其按巷中对称分布，每排3根；混凝土喷层采用C20混凝土，厚度为100mm(图8)。

为掌握动压影响下的11123工作面底板破坏深度及其对下方底抽巷的稳定性影响，及时判断目前底抽巷的支护结构及方案能否有效满足煤层采动情况下的稳定性需求，根据监测结果并作出进一步的研判或再次加强支护结构，用以保障底抽巷整体围岩结构的稳定及各种设备系统和工作人员的安全等，现场监测钻孔的设计及测试系统的布设、数据采集等包括以下步骤：

步骤一、钻孔作业阶段：1)钻孔设计，现场钻孔设计于底抽巷侧壁的⑧细砂岩岩层中部并倾斜向上指向工作面初采位置(表2)；2)打钻，矿方钻机队人员根据设计参数进行打钻作业任务；3)钻孔清洗，待钻孔施工到位后及时的对钻孔里的碎石等异物进行清洗工作，使整个孔内通畅无异物，便于下一步缆线的植入；

表2 11123底抽巷监测孔设计技术参数

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步骤二、孔内植入缆线阶段：1)缆线固定装置现场测试，选择打钻取出的孔底岩样，将岩样与缆线固定装置中段的孔洞贴合，通过手持式无线控制器操控中段内的弹射单元对大头钢针进行弹射，进而确定钢针能够有效打入岩体并稳固；2)组装，选择满足现场固定能力且未启用的缆线固定装置中段，将其与前段通过内壁的螺旋丝扣固定连接，并通过中段内的U型钢片与后段卡扣固定，待整个缆线固定装置的前、中、后段固定安装完成后，将第一根PVC管接入缆线固定装置后段并固定；3)固定传感缆线，按下缆线固定装置前段的内嵌式按钮，卡槽开启后将各传感缆线的前端头部插入其中相应部位固定后，松开内嵌式按钮进而使卡槽开口变小挤压缆线，使得缆线紧紧被卡槽固定住，然后将外部的缆线通过扎条带绑定于缆线固定装置侧部，将缆线和固定装置的前段固定好后需用软橡胶保护套对该部位进行包裹保护处理，防止后期在植入孔内的过程中损坏前端的缆线及固定装置；4)植入缆线，待前述步骤完成后，即可通过PVC管将缆线固定装置和传感缆线匀速稳定推送入孔中，在推送的过程中，需每隔一定距离使用扎条带单独把各类型传感缆线绑定在一起，同时，随着长度的增加需多次增加连接PVC管，直至将光缆、电缆等传感缆线和固定装置送入孔底指定位置后停止(图10-1、表3)；

表3综合监测系统技术参数

注：将本应置于监测孔口外的第32#电极也固定在孔口内部。

步骤三、孔底缆线固定及PVC管辅助工具退取阶段：1)固定缆线，通过手持式无线控制器向固定装置中段内的无线通讯模块发送弹射指令，无线通讯模块将接收到的指令传送给集成控制模块，集成控制模块进而控制储气仓打开与各弹射单元连通的连通阀，大头钢针受到弹射单元内储气仓出气口处强大推力的作用下迅速弹射出装置外并打入周围的岩体内，大头钢针后部的大头钢片控制着其不会射出脱离装置，通过装置中段内的多个钢针射入钻孔周围岩体后，整个固定装置及传感缆线即与孔底围岩体固定完成，此时，无线通讯模块将储气仓气压降低至稳定状态即弹射完成后的信息反馈至手持式控制器上；2)PVC管退取出孔外，待前述操作完成后，通过手持式无线控制器向缆线固定装置后段内的无线通讯模块发送装置分离指令，无线通讯模块将该指令传送给固定装置后段内的中控模块，中控模块通过对指令进行处理进而操控控制单元的伸缩杆进行机械收缩，当收缩完成后，回弹模块在不受控制单元的约束后，进而其内部的压缩弹簧为了恢复其原始状态而回弹产生推力推动挡板向外侧移动，在这过程中，挡板外侧与其接触的U型钢片即受力持续同步移动，一旦压缩弹簧推动挡板外侧的U型钢片移出楔形卡扣时，U型钢片即与楔形卡扣分离，最终导致装置后段脱离装置中段及前段结构，待这一过程完成后，中控模块即将信息传输给装置后段内的无线通讯模块，进而通过无线通讯模块将其反馈回手持式无线控制器，此时，现场操作人员即可将PVC管连同缆线固定装置后段从孔内缓慢匀速退取出来(图10-2)；

步骤四、钻孔分段注浆：1)室内岩石力学参数测定，根据事先矿方已有并收集到的监测区域内岩层岩性厚度及相应的岩石物理力学参数提前进行室内岩石力学参数实验，获取监测区内不同位置岩石的相关物理力学参数，为后期井下钻孔注浆材料的选型、配比等提供准确数据；2)井下钻孔分段注浆，根据已有及实验获得的数据并与矿方钻机队等相关工作人员沟通一致后，让矿方施工注浆人员进行现场监测孔的分段注浆作业。其中，需重点关注监测孔内不同深度岩层厚度、各岩层岩石岩性及其物理力学参数、钻孔直径及各孔中各深度岩层所需注浆量、孔内是否注浆密实等；

步骤五、监测仪器调试运行及数据动态测试：1)延长缆线布设及测试设备调试，在保证整个监测期间延长段的缆线不受影响的情况下延长到放置监测分站处；待延长缆线布设完成后即可将缆线连接至测试设备接口上进行设备参数的选择和数据采集调试等工作；2)监测系统设计，通过监测线缆连接至监测分站，隔爆兼本安电源接入井下电网，为监测分站持续供电，监测分站通过光纤接入井下网路通讯总站，再通过井下工业环网连接至地面多物理场数据采集存储系统，其配套安装采集控制模块，用来控制监测分站并进行监测数据采集，并通过4G或者5G网络将多类型数据无线传输至远程数据实时处理分析系统，远程数据实时处理分析系统通过传输线与智能预警系统连接。3)数据动态监测，待钻孔分段注浆完成并静置两周左右，待浆液凝固并达到周围岩石强度及测试条件后，即可通过地面数据采集监测系统对井下数据进行实时动态监测；监测自工作面距离监测孔口129.18m起，至工作面过监测孔口48.92m止，完整捕捉到了采动工作面相对于监测孔采前、采中和采后的各参量变化数据，采集到的数据质量良好，根据矿方在监测期间提供的信息，获知整个监测期间内未发生煤层顶底板和底抽巷的淋水现象，认为现场采集到的数据不受地下水等渗流场的干扰。

步骤六、数据处理、分析与智能预警：

数据处理，通过分布式光纤感测数据处理系统对BOTDR应变仪采集到的应变数据进行处理，Origin、Surfer等软件对处理后的数据进行成图；网络并行电法仪采集到的电性数据体则是首先通过WBDPro预处理软件对数据进行前期处理，并对导出的文件数据进行提取，即可获得各电极电流、自然电位、视电阻率数据，或通过EarthImager 2D反演软件对导出的urf格式的数据进行反演处理，获得监测断面的反演电阻率数据，最终使用Origin、Surfer等软件对处理后的数据进行成图等；

分析与智能预警，观察位于底板破坏范围内的测量点各参量变化情况(图10)，能够发现，动压影响下的岩层内各参量变化规律明显，能够明显反应出底板不同深度位置的岩体变形破坏过程；即使同处于破坏范围内的不同深度测量点，由于其所处的岩层岩性及距离底板位置的不同依然存在一定的差异；本工作面刚开采过的底板岩体内会出现二次破坏及加深的过程，而这一过程会持续8天左右，随后上覆垮落岩体向下的应力才能完全传递至底板，使得底板浅部岩体内裂隙挤压或闭合直至底板最终稳定；底抽巷围岩内的数据与破坏范围内存在明显差异，尤其是电极电流呈现阶跃式的整体上升过程，其中，电流值每一次抬升随后会出现小幅度的回落过程，我们认为，这是受工作面采动和巷道支护结构共同作用下的围岩体应力集中和释放的动态自主调整过程，这一过程的存在，我们认为是底抽巷围岩体结构稳定性良好的重要标志。通过对多物理场数据进行三维立体、动态曲线、多参量相关性成图及可视化动态展示，对数据的变化规律进行综合对比研判，并且智能预警系统通过深度学习模型软件等技术对潜在的危险进行分析评价并具备围岩稳定性多物理场监测数据热力分布预警图实时动态可视化展示，及时反馈工作人员危险评价等级及相应处理措施。

本发明在动压影响下底抽巷上方岩体的监测孔内安装光缆及电缆等综合监测系统，并通过地面的多物理场数据采集存储系统、远程数据实时处理分析系统及智能预警系统的进行远程动态数据采集存储、处理分析及智能预警，形成了一套多场多参量的综合技术评价体系。研究结果为煤矿智慧绿色安全开采等地下工程围岩结构变形破坏及危险预警提供综合监测预警技术系统和方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统，其特征在于，包括：地下监控子系统和地面监控预警子系统；

其中，所述地下监控子系统包括：多物理场传感系统、监测分站和工业环网；所述地面监控预警子系统包括：多物理场数据采集存储系统、远程数据实时处理分析系统和智能预警系统；

所述多物理场传感系统与所述监测分站相连，所述监测分站依次通过通讯光纤和网络通讯总站与所述工业环网相连或者所述监测分站依次通过5G微基站和5G核心基站与所述工业环网相连；

所述工业环网与所述多物理场数据采集存储系统相连，所述多物理场数据采集存储系统通过无线方式与所述远程数据实时处理分析系统相连，所述远程数据实时处理分析系统与所述智能预警系统相连；

还包括：钻孔缆线植入系统，所述钻孔缆线植入系统包括：缆线固定装置、辅助推送装置和手持式无线控制器；

所述缆线固定装置与所述辅助推送装置之间可拆卸连接；所述缆线固定装置用于固定所述多物理场传感系统；

所述手持式无线控制器与所述缆线固定装置无线连接；

所述缆线固定装置包括：前段（20）、中段（21）和后段（22）；所述前段（20）和所述中段（21）可拆卸连接；

所述前段（20）上具有卡槽（1），所述卡槽（1）旁对应设置有内嵌式按钮（2）；所述卡槽（1）用于固定所述多物理场传感系统；

所述中段（21）内部安装有高压储气仓（9）、弹射单元（10）、大头钢针（11）、U型钢片（5）、无线通讯模块（13）和集成控制模块（14）；其中，所述无线通讯模块（13）分别与所述手持式无线控制器以及所述集成控制模块（14）相连；

所述中段（21）表面具有多个弹射孔（4），每个所述弹射孔（4）内安装有一个所述弹射单元（10），所述弹射单元（10）内安装有所述大头钢针（11），所述弹射单元（10）与所述高压储气仓（9）通过连通阀（12）相连；所述U型钢片（5）安装在所述中段（21）底部；所述U型钢片（5）底部黏贴有橡胶垫（15）；

所述后段（22）安装有楔形卡扣（6）、无线通讯模块（13）、回弹模块和后段中控模块；其中，所述中段（21）通过所述U型钢片（5）和所述楔形卡扣（6）与所述后段（22）可拆卸相连；所述无线通讯模块（13）分别与所述手持式无线控制器以及所述后段中控模块相连；所述后段中控模块与所述回弹模块相连；所述回弹模块安装在所述后段（22）内壁，并位于楔形卡扣（6）下部，且与所述U型钢片（5）位置相对应；

所述回弹模块包括：压缩弹簧（7）、挡板（8）、伸缩杆（27）和控制单元（28）；

所述压缩弹簧（7）一端固定在所述后段（22）的内壁上，另一端与所述挡板（8）内侧焊接；

所述控制单元（28）与所述后段中控模块相连；

所述伸缩杆（27）与所述控制单元（28）相连；

所述控制单元（28）安装在所述挡板（8）的两端；

所述辅助推送装置包括：PVC管（23）；所述PVC管（23）与所述后段（22）通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统，其特征在于，所述中段（21）外侧还固定有扎条带（3）。

3.根据权利要求1或2所述的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统，其特征在于，还包括：软橡胶保护套（19）；所述软橡胶保护套（19）包裹于所述前段（20）的顶部。

4.根据权利要求1所述的地下工程围岩稳定性多物理场监测预警系统，其特征在于，还包括：隔爆兼本安电源；所述隔爆兼本安电源与所述监测分站相连。

5.一种地下工程围岩稳定性多物理场监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：钻孔作业阶段：1）钻孔设计，包括监测孔在地下工程区段内的位置选择、钻孔角度、钻孔长度、钻孔数量的确定，其中，监测孔位置的选择满足对重点区段围岩稳定性监测需求，钻孔角度、钻孔长度及钻孔数量根据实际所需或受影响的监测范围而定，亦可结合数值模拟软件所获得的数据结果进行确定，钻孔长度一定要大于预期监测范围；2）打钻，在钻孔位置及相关参数设计确定后，通过钻机在被测试节段内钻取符合设计需求的钻孔；3）钻孔清洗，在钻孔施工完成后，对刚施工完成的钻孔进行清洗作业，将钻孔内充填的碎石或孔壁清洗干净及通畅，便于下一步传感缆线的植入工作；

步骤2：孔内植入线缆阶段：1）缆线固定装置现场测试，选择打钻取出的孔底岩样，将岩样与缆线固定装置中段（21）的弹射孔（4）贴合，通过手持式无线控制器操控中段（21）内的弹射单元（10）对大头钢针（11）进行弹射，进而确定钢针能够有效打入岩体并稳固；2）组装，选择满足现场固定能力的并未启用的缆线固定装置中段（21），将其与前段（20）通过内壁的螺旋丝扣固定连接，并通过中段（21）内的U型钢片（5）与后段（22）楔形卡扣（6）固定，待整个缆线固定装置的前、中、后段（22）固定安装完成后，将第一根PVC管（23）接入缆线固定装置后段（22）并固定；3）固定传感缆线，根据实际监测目的选择好相应的传感光缆和钻孔电法电缆后，按下缆线固定装置前段（20）的内嵌式按钮（2），卡槽（1）开启后将各传感缆线的前端头部插入其中相应部位固定后，松开内嵌式按钮（2）进而使卡槽（1）开口变小挤压缆线，使得缆线紧紧被卡槽（1）固定住，然后将外部的缆线通过扎条带（3）绑定于缆线固定装置侧部，将缆线和缆线固定装置的前段（20）固定好后用软橡胶保护套对该部位进行包裹保护处理，防止在植入孔内的过程中损坏前端的缆线及固定装置；4）植入缆线，通过PVC管（23）将缆线固定装置和传感缆线匀速稳定推送入孔中，在推送的过程中，需每隔一定距离使用扎条带（3）把各传感缆线绑定在一起，同时，随着长度的增加需多次连接各PVC管（23），直至将传感缆线和固定装置送入孔底指定位置后停止；

步骤3：孔底缆线固定及PVC管（23）辅助工具退取阶段：1）固定缆线，通过手持式无线控制器向缆线固定装置中段（21）内的无线通讯模块（13）发送弹射指令，无线通讯模块（13）将接收到的指令传送给集成控制模块（14），集成控制模块（14）控制弹射单元（10）内的连通阀（12）开启工作，大头钢针（11）受到弹射单元（10）内高压储气仓（9）的作用下弹射出装置外并打入周围的岩体内，大头钢针（11）后部的大头钢片使其不会射出缆线固定装置中段（21），实现缆线固定装置及传感缆线与孔底围岩体固定，此时，无线通讯模块（13）将弹射完成后的信息反馈至手持式无线控制器上；2）PVC管（23）退取出孔外，待前述操作完成后，再次通过手持式无线控制器向缆线固定装置后段（22）内的无线通讯模块（13）发送装置分离指令，无线通讯模块（13）将该指令传送给固定装置后段（22）内的后段中控模块，后段中控模块通过对指令进行处理进而操控控制单元的伸缩杆进行机械收缩，当收缩完成后，回弹模块在不受伸缩杆的约束后，进而其内部的压缩弹簧（7）为了恢复其原始状态而回弹产生推力推动挡板（8）向外侧移动，当压缩弹簧（7）推动挡板（8）外侧的U型钢片（5）移出楔形卡扣（6）时，U型钢片（5）与楔形卡扣（6）实现分离，致使缆线固定装置后段（22）脱离缆线固定装置中段（21）及前段（20），待这一过程完成后，后段中控模块将信息传输给无线通讯模块（13），进而通过无线通讯模块（13）将其反馈回手持式无线控制器，此时，现场操作人员即可将PVC管（23）连同缆线固定装置后段（22）从孔内缓慢匀速退取出来；

步骤4、钻孔分段注浆：1）室内岩石力学参数测定，根据事先已有并收集到的监测区域内岩层岩性厚度及相应的岩石物理力学参数提前进行室内岩石力学参数实验，获取监测区内不同位置岩石的相关物理力学参数，为后期钻孔注浆材料的选型、配比提供准确数据；2）钻孔分段注浆，根据已有及实验获得的数据进行现场监测孔的分段注浆作业，其中，重点关注监测孔内不同深度岩层厚度、各岩层岩石岩性及其物理力学参数、钻孔直径及各孔中各深度岩层所需注浆量、孔中是否注浆密实；

步骤5、监测仪器调试运行及数据动态测试：1）测试设备调试，在保证整个监测期间延长段的缆线不受影响的情况下延长连接至监测分站处，各监测分站配有隔爆兼本安电源用以对监测分站供电进行数据采集传输工作；待各钻孔组的延长缆线与监测分站连接完成后，使用光缆连接各监测分站至网络通讯总站，或者通过5G微基站和5G核心基站实现无线通信；通过工业环网将地下的网络通讯总站或者5G核心基站连接至地面多物理场数据采集存储系统的测试设备接口上进行设备参数的选择和数据采集调试工作；2）数据动态监测，待浆液凝固并达到周围岩石强度及测试条件后，通过地面多物理场采集存储系统进行数据的动态监测；

步骤6、数据处理、分析与智能预警：1）地面多物理场采集存储系统将数据通过4G或5G网络无线传输给远程数据实时处理分析系统，数据实时处理分析系统内安装多类型数据自动处理系统软件，处理软件对应变、温度、含水量、电极电流、电阻率、自然电位各类型数据进行归类存储并自动导入对应的数据自动处理软件进行实时处理成图，其中包括三维立体云图可视化表达、多参量曲线动态变化显示、各参量间相关性分析多种方式对数据进行分析展示；2）智能预警：基于深度学习的地下工程围岩稳定监测时空大数据处理与智能预警系统，利用时序大数据深度学习网络模型对多元时序监测数据进行分析和处理，在输入地下工程围岩失稳预警初始判据基础上，利用机器学习技术对实时监测数据进行分析处理，实时微调预警判据，同时基于多元时序数据可视化技术，将围岩变形失稳破坏的预警实时动态图、预警级别信息进行综合可视化表达，从而实现围岩稳定智能动态预警。