CN111948054A - 一种矿山充填体三维应力-变形测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种矿山充填体三维应力‑变形测量装置及方法，其目的在于克服上述现有设备的无法形成连续监测、监测数据精确性低、智能化程度低等缺点。在充填体中放置该装置，通过装置上安装的充填体变形监测杆，测量杆体随充填体变化时的斜度变化，进而计算各段监测仪的变形量，通过代数叠加，进而获得充填体的变形位移大小，并根据三个方向上安装的充填体压力监测盒监测充填体在各方向上的应力情况。

Description

一种矿山充填体三维应力-变形测量装置及方法
技术领域
本发明公开了一种矿山充填体三维应力-变形测量装置及使用方法。
背景技术
随着国民经济的发展，矿业资源的需求量越来越大，资源供需的矛盾日渐突出。为此，矿业资源除了向深部进军外，更多的是寻找浅部复杂难采的“三下”资源与海洋接替资源。为了解决浅部复杂难采资源开发中资源与安全的矛盾、资源利用与地表变形的矛盾，必须对资源开发中的岩层变形进行测量。众所周知，采空区是引起岩层变形和地表移动的主要原因，采空区充填作为地压管理与防止地表变形的主要措施与手段，越来越得到广泛应用，而采空区充填尾砂的自然压缩变形与变形是直接反映上覆岩层控制好坏与地表变形的重要指标，因此准确测量采空区充填体的变形与变形显得特别重要与迫切。查阅国内外相关的资料，虽然有人对采场充填体的变形进行过研究，也尝试性地进行过一些监测设备的研发：例如在专利CN20191102109.7开发出了一种预埋式充填体横向变形测量装置、在专利CN110986395A中提出了一种充填体温度传感器、在专利CN201610143118.7中公开了水下地基分层变形测量设备及其设置方法、在专利CN207538014中公开了一种基坑变形监测装置等，但上述研发成果普遍还存在以下问题：
(1)钻孔类监测仪器成孔困难，在充填体低强度、高含水的环境条件下，难以成孔形成有效的监测空间；
(2)大部分监测仪器为刚性元件，无法敏感地感知充填体的变形情况，监测数据不够准确；
(3)单点监测仪器无法满足大区域采场连续监测的要求；
(4)监测数据过度依赖人工采集，作业难度较大且工作人员安全难以保证。有鉴于此，有必要开发一种能够在低强度、高含量环境下连续工作、精确高、无需钻孔测量、自动监测的充填体变形与应力测量仪器。
发明内容
本发明提供了一种矿山充填体三维应力-变形测量装置及使用方法，其目的在于克服上述现有设备的无法形成连续监测、监测数据精确性低、智能化程度低等缺点。在充填体中放置该装置，通过装置上安装的充填体变形监测杆，测量杆体随充填体变化时的斜度变化，进而计算各段监测仪的变形量，通过代数叠加，进而获得充填体的变形位移大小，并根据三个方向上安装的充填体压力监测盒监测充填体在各方向上的应力情况。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提出了一种矿山充填体三维应力-变形测量装置，包括刚性支架、刚性连接杆、多通道数据采集模块、充填体变形监测杆、充填体压力监测盒；
在所述的刚性支架的X、Y、Z三个方向上各设置一个充填体变形监测杆，充填体变形监测杆与刚性支架共同构成矩形框架，在矩形框架的三个相互垂直的面上各设有一个充填体压力监测盒，充填体压力监测盒通过与刚性支架相连的刚性连接杆固定；所述的充填体压力监测盒和充填体变形监测杆与多通道数据采集模块相连。
作为进一步的技术方案，所述的充填体变形监测杆由多个柔性接头和多个刚性杆组成，柔性接头将相邻的刚性杆相连，使刚性杆在充填体中自由变形摆动，在每个刚性杆上设有一个凹形平台，在凹形平台上设置三维测斜传感器。
位于首端的刚性杆的首端固定在刚性支架上；位于末端的刚性杆的末端固定在刚性支架上。
第二方面，基于所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置进行应力-变形测量的方法，包括以下步骤：
步骤1:采场充填前视需要将变形测量装置埋入采场中，尽量保证所有三维测斜传感器保持在同一水平；
步骤2：多通道数据采集模块采集和记录a、b两杆件之间的初始角度Vab，其中a、b为任意两相邻刚性杆件；以固定端的传感器为原点，根据各杆件之间的初始角度Vab，计算出每个监测点相对固定端的初始高度H0b，其中H0b为监测点b相对固定端的初始高度；
步骤3：线缆安装和防水工作完毕后，对监测采场进行充填；当采场围岩发生移动时，充填体受压变形时，被埋至内部的设备可以随之发生位移，三维测斜传感器感知此时各刚性杆之间的角度
Figure BDA0002684744650000031
为n时刻相邻刚性杆件a、b之间的角度，并将监测数据持续发送给数据采集模块；
步骤4：数据采集模块按时间整理接收到的监测数据，且换算成该时刻每个监测点相对固定端的高度
Figure BDA0002684744650000032
步骤5：数据采集装置定时将集成数据发送到地表终端，终端数据处理软件基于监测所得的高度
Figure BDA0002684744650000033
与初始高度H0b比较可以得出充填体的变形情况和该时段的动态变化。
进一步的，当充填体受压变形时，充填体压力监测盒可感知并记录三个方向上的充填体所受压力大小σx、σy和σz，同时将监测数据持续发送给的数据采集模块；
数据采集模块定时将集成数据发送到地表终端，终端数据处理软件基于公式(2)和岩石力学理论绘出三个方向下的莫尔应力圆，并推算出充填体的抗剪切极限τ1、抗压强度σ1及其他应力情况；
Figure BDA0002684744650000041
——σx、σy为x、y方向上的主应力，单位：Pa；
——τxy为x、y方向上的剪切力，单位：Pa。
通过所述的充填体三维变形和应力监测装置和测量方法，可获得充填在三维方向上的实时变形数值和应力大小，并以此绘制出不同应力方向上的应力-应变曲线，通过分析曲线的特征对充填体进行深入分析。
本发明的有益效果如下：
在充填体监测的研究工作中，由于一直缺乏能够对充填体变形及应力大小进行连续监测的仪器，导致矿山在有于充填体监测的工作上需要消耗大量的人力物力，而且无法得到具有指导意义的监测数据。本发明以独特的柔性连接和伴随变形设计思路，解决了普通埋入式变形测量设备变形难度大、测量精度差的问题；对比多点位移计等充填体监测装置，本发明可以同时监测充填体三维应力和应变两项重要参数，监测结果相较传统设备综合性和精确性更强；本装置采用埋入式安装，无须钻孔安装，操作简便；同时，结合信息自动采集、传输和集成技术，实现真正的智能化监测，使监测工作可以在无人的条件下持续进行，降低了矿山的人工成本，大大提高了工作效率，具有安全、可靠、便捷等优点
基于该监测设备的远程测量方法，包括前视和数据传输两部分工作：采场充填前视需要将变形与应力监测装置埋入采场中，充填体受压变形，刚性杆件随之变化，测斜传感器感知其变化，同时三个方向上的压力传感器感知各方向上充填体的应力大小；外接电源能对充填体变形监测杆、充填体压力监测盒以及多通道数据采集模块持续供电，多通道数据采集模块不断获取测斜传感器和压力传感器上的数据，并通过光缆传输至地表，地表计算机终端将传输数据解析，换算成采场充填体变形值和应力大小随时间的变化情况。
附图说明
构成本发明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。
图1为本发明的整体组装图；
图2为本发明变形测量装置的工作原理图；
图3为本发明压力计算原理图；
图4为本发明数据分析曲线图；
图中：1不锈钢刚性支架，2刚性连接杆，3传输线缆，4多通道数据采集模块，5绝缘保护套，6充填体变形监测杆，7三维倾斜传感器，8柔性接头，9充填体压力监测盒，10刚性杆。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，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。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种矿山充填体三维应力-变形测量装置及使用方法。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，为本发明提出的用于充填体变形与应力大小连续监测的智能化监测设备整体组装图，该装置由不锈钢刚性支架1、刚性连接杆2、传输线缆3、多通道数据采集模块4、保护套5、充填体变形监测杆6、三维测斜传感器7、柔性接头8、充填体压力监测盒9等组成，其目的在于克服上述现有设备的无法形成连续监测、监测数据精确性低、智能化程度低等缺点。
其中上述的不锈钢刚性支架1和刚性连接杆2由铝制不锈钢柱组成，其中不锈钢刚性支架1为一个不完整的矩形框架结构，上顶面的其中两个边梁缺失，高度方向上其中一个立柱缺失，缺失的边梁和立柱位置安装充填体变形监测杆6；充填体变形监测杆6与不锈钢刚性支架1共同组成一个矩形框架结构；
所述的矩形框架结构包括六个面，在其中三个互成90度的面上均各自设有一个充填体压力监测盒，所述的充填体压力监测盒的四个角分别通过一个刚性连接杆2与刚性支架1相连；
所述充填体变形监测杆6由多个柔性接头8和多个刚性杆10组成，柔性接头8将相邻的两个刚性杆10相连，形成一个整体，使多个刚性杆10在充填体中自由变形摆动。其中柔性接头8由弹性好的不锈钢拉伸弹簧组成，型号为JBA2×40×120×14。在在每个刚性杆10上设有一个凹形平台，每个凹形平台内安装有一个三维测斜传感器7，该凹形平台深8mm、长80mm，三维测斜传感器7通过有线单元与外部数据采集装置连接。
所述绝缘保护套5是由塑胶套包裹螺杆组成，紧密包裹在安装有三维测斜传感器7和数据传输线缆3的刚性杆10段上，防止充填体中的水对线路和仪器侵蚀。传输线缆3由保护套左侧孔移出与通讯电缆连接，缝隙用防水胶密封。
如图2所示，为本发明变形测量装置的工作原理图；
三维测斜传感器7可测量各刚性杆件之间角度的变化；采场充填体变形量通过计算各刚性传感器上的角度变化进而获得各刚性杆体位置充填体的变形大小。
基于上述装置，本实施例还公开了一种充填体三维变形的远程测量方法，包括前视和数据传输两部分工作：采场充填前视需要将变形测量装置埋入采场中，充填体受压变形，刚性杆10随之变化，三维测斜传感器7感知其变化，通过外接电源与光缆，对三维测斜传感器7持续供电，多通道数据采集模块4不断获取三维测斜传感器7上数据，通过光缆传输至地表，地表计算机将传输数据解析，换算成监测点相对固定点的高度，与初始高度比较，获知采场充填体变形及时段变化情况。具体包括以下几个步骤：
步骤1:采场充填前视需要将变形测量装置埋入采场中，尽量保证所有测斜传感器保持在同一水平，将首根刚性杆10的首端固定于不锈钢支架上，为测量提供参照点，其余刚性杆10通过柔性接头逐个连接，末端刚性杆10的末部也固定在不锈钢支架上；
步骤2：从充填体变形监测杆6的数据传输单元通过电缆延伸至多通道数据采集模块4，完成持续供电并记录a、b两杆件之间的初始角度Vab(a、b为任意两相邻刚性杆件)。
步骤3：将多通道数据采集模块与线缆连接，测试地表计算机终端接收数据情况。
步骤4：以首根刚性杆10固定端的三维测斜传感器7为原点，根据各杆件之间的初始角度Vab，计算出每个监测点相对固定端的初始高度H0b(H0b为监测点b相对固定端的初始高度)。公式如下：
H0b＝H01+H12+…+Hab (1)
＝L×sin V01+L×sin(V01+V12-π)+…+L×sin(V01+V12+…+Va0-(b-1)π)
——L为刚性杆件的长度，单位：mm；
——Hab为a、b监测点的相对高度，单位：mm；
步骤5：线缆安装和防水工作完毕后，对监测采场进行充填；当采场围岩发生移动时，充填体受压变形时，被埋至内部的设备可以随之发生位移，测斜传感器感知此时杆件之间的角度
Figure BDA0002684744650000091
(
Figure BDA0002684744650000092
为n时刻相邻刚性杆件a、b之间的角度)并将监测数据持续发送给的智能数据采集装置。
步骤6：数据采集装置按时间整理接收到的监测数据，按照步骤3所述的方法换算成该时刻每个监测点相对固定端的高度
Figure BDA0002684744650000093
步骤7：数据采集装置通过光缆定时将集成数据发送到地表终端，终端数据处理软件基于监测所得的高度
Figure BDA0002684744650000094
与初始高度H0b比较可以得出充填体的变形情况和该时段的动态变化。
如图3所示，为本发明压力计算原理图；
充填体三维应力的远程测量方法，包括前视和数据传输两部分工作：采场充填前将变形测量装置埋入采场中，充填体受压时安装在装置三个方向的充填体压力监测盒9可感知三个方向上的充填体所受压力大小，多通道数据采集模块4不断获取监测盒的监测数据，并通过光缆传输至地表分析计算出充填体的应力情况。具体包括以下几个步骤：
步骤1：在装置的三个方向上安装充填体压力监测盒9，确保监测盒处于水平状态。
步骤2：通过传输线缆将压力监测盒与多通道数据采集模块4连接，完成监测盒的供电。
步骤3：准备工作完成后，将装置放置安装在采场内并使用螺栓固定，对监测区域进行充填；当充填体受压变形时，充填体压力监测盒9可感知并记录三个方向上的充填体所受压力大小σx、σy和σz，同时将监测数据持续发送给的智能数据采集装置。
步骤4：数据采集模块通过光缆定时将集成数据发送到地表终端，终端数据处理软件基于公式(2)和岩石力学理论绘出三个方向下的莫尔应力圆，并推算出充填体的抗剪切极限τ1、抗压强度σ1及其他应力情况。
Figure BDA0002684744650000101
——σx、σy为x、y方向上的主应力，单位：Pa；
——τxy为x、y方向上的剪切力，单位：Pa；
如图4所示，为本发明数据分析曲线图；
通过所述的充填体三维变形和应力监测装置以及测量方法，可获得充填在三维方向上的实时变形数值和应力大小，并以此绘制出不同应力方向上的应力-应变曲线，通过分析曲线的特征对充填体进行深入分析。
本发明设计思路独特，不仅结合了埋入式监测设备布置方便的优点，巧妙地采用了柔性连接杆件的设计思路，使设备可以随充填体变形而产生位移，同时在系统中添加了压力监测设备，通过应力和应变两项参数综合分析充填体的状态，相比传统的充填体监测系统新装置所得数据更加精确、合理。此外，本发明实现了数据采集、传输和集成的自动化和持续化，使监测工作不再依赖现场人工采集，只要有完善的后续通讯网络，则可以轻易实现在地表开展充填体监测工作，节省矿山的人力物力，有利于提高监测工作的安全性和效率。

Claims (10)

1.一种矿山充填体三维应力-变形测量装置，其特征在于，包括刚性支架、刚性连接杆、多通道数据采集模块、充填体变形监测杆、充填体压力监测盒；
在所述的刚性支架的X、Y、Z三个方向上各设置一个充填体变形监测杆，充填体变形监测杆与刚性支架共同构成矩形框架，在矩形框架的三个相互垂直的面上各设有一个充填体压力监测盒，充填体压力监测盒通过与刚性支架相连的刚性连接杆固定；所述的充填体压力监测盒和充填体变形监测杆与多通道数据采集模块相连。
2.如权利要求1所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置，其特征在于，所述的充填体变形监测杆由多个柔性接头和多个刚性杆组成，柔性接头将相邻的刚性杆相连，使刚性杆在充填体中自由变形摆动，在每个刚性杆上设有一个凹形平台，在凹形平台上设置三维测斜传感器。
3.如权利要求2所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置，其特征在于，所述的柔性接头为不锈钢拉伸弹簧。
4.如权利要求2所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置，其特征在于，所述的三维测斜传感器与外部的多通道数据采集模块连接。
5.如权利要求2所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置，其特征在于，还包括保护套，所述的保护套包裹在设置三维测斜传感器和数据传输线缆的刚性杆段上。
6.如权利要求2所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置，其特征在于，所述的多通道数据采集模块与地表计算机终端相连。
7.如权利要求2所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置，其特征在于，位于首端的刚性杆的首端固定在刚性支架上，位于末端的刚性杆的末端固定在刚性支架上。
8.基于权利要求1-7任一所述的矿山充填体三维应力-变形测量装置进行应力-变形测量的方法，其特征在于，
步骤1:采场充填前视需要将变形测量装置埋入采场中，尽量保证所有三维测斜传感器保持在同一水平；
步骤2：多通道数据采集模块采集和记录a、b两杆件之间的初始角度Vab，其中a、b为任意两相邻刚性杆件；以固定端的传感器为原点，根据各杆件之间的初始角度Vab，计算出每个监测点相对固定端的初始高度H0b，其中H0b为监测点b相对固定端的初始高度；
步骤3：线缆安装和防水工作完毕后，对监测采场进行充填；当采场围岩发生移动时，充填体受压变形时，被埋至内部的设备可以随之发生位移，三维测斜传感器感知此时各刚性杆之间的角度
Figure FDA0002684744640000021
为n时刻相邻刚性杆件a、b之间的角度，并将监测数据持续发送给数据采集模块；
步骤4：数据采集模块按时间整理接收到的监测数据，且换算成该时刻每个监测点相对固定端的高度
Figure FDA0002684744640000022
步骤5：数据采集装置定时将集成数据发送到地表终端，终端数据处理软件基于监测所得的高度
Figure FDA0002684744640000023
与初始高度H0b比较可以得出充填体的变形情况和该时段的动态变化。
9.如权利要求8上所述的应力-变形测量的方法，其特征在于，
当充填体受压变形时，充填体压力监测盒可感知并记录三个方向上的充填体所受压力大小σx、σy和σz，同时将监测数据持续发送给的数据采集模块；
数据采集模块定时将集成数据发送到地表终端，终端数据处理软件基于公式(2)和岩石力学理论绘出三个方向下的莫尔应力圆，并推算出充填体的抗剪切极限τ1、抗压强度σ1及其他应力情况；
Figure FDA0002684744640000031
——σx、σy为x、y方向上的主应力，单位：Pa；
——τxy为x、y方向上的剪切力，单位：Pa。
10.如权利要求8上所述的应力-变形测量的方法，其特征在于，
通过获得充填体在三维方向上的实时变形数值和应力大小，并以此绘制出不同应力方向上的应力-应变曲线，通过分析曲线的特征对充填体进行深入分析。
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