CN112444207B - 一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及巷道表面区域收敛连续监测技术领域，提供了一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置及方法，该装置包括监测主体、金属杆体、连接圆轮；监测主体包括红外测距仪和角度转动控制单元，测距仪测量与巷帮的直线距离，角度转动控制单元控制测距仪水平方向的转动及转动角度；连接圆轮一端连接金属杆体，另一端连接监测主体。本发明根据测距仪的转动位置记录水平转角及巷道两帮距离，根据每组转角和距离实现巷帮前后L距离区域范围内的巷帮位移变形监测，收集和计算各组数据的当量位移，实现巷帮测站区域范围内变形量和变形速率的精准度量。本发明结构精巧，监测连续，实现了区域范围内的变形监测，减少了单点或单断面监测的片面和误差。

Description

一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置及方法

技术领域

本发明涉及巷道表面区域收敛连续监测技术领域，特别涉及一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置及方法。

背景技术

巷道开挖后断面形成，在锚固支护体和围岩的相互作用下可以实现巷道空间的基本稳定，而借助测量巷道断面位移收敛量的系列设备，表达巷道位移变化状态，是考察现场巷道断面稳定状态的主要手段之一。现阶段使用的监测巷道表面位移的方法主要包括钢卷尺测量法，测枪监测法以及测杆监测法。

传统的监测方法在使用和监测过程中，其基本原理是通过监测巷道断面某一点的位移动态数据，实现对巷道位移收敛的规律总结，在一定条件下能够满足巷道的粗略监测规律研究，但是仅从单点的数据反馈具有一定的片面性，极易引起数据的误差导致监测效果的失败，甚至引发不可预测的安全隐患。

随着矿井生产的精细化和智能化，释放劳动力和安全生产越来越受到人们的重视，通过监测巷道区域位移收敛量，反应巷道断面的安全稳定状态的现场工程手段，在现场应用中也越来越广泛认可。因此，本发明一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置及方法，是实现区域多点监测，共性反馈巷道位移收敛，更加全面反应巷道收敛状态的监测设备和方法，为工程的安全高效生产提供了更精准的测量工具和手段。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置及方法，本发明装置结构精巧，测量方式便捷，具有推广使用价值。

本发明采用如下技术方案：

一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，包括监测主体、金属杆体、连接圆轮；

所述监测主体包括红外测距仪和角度转动控制单元，所述红外测距仪用于测量与巷帮的直线距离，所述角度转动控制单元用于控制所述红外测距仪在水平方向的转动及转动角度；

所述连接圆轮一端连接所述金属杆体，另一端连接所述监测主体；所述连接圆轮还用以控制所述红外测距仪竖向倾角。

进一步的，所述连接圆轮包括圆轮螺孔和圆轮实体支架，所述圆轮螺孔均匀分布在所述连接圆轮的圆周上；所述监测主体通过圆轮连接套的螺纹与紧固螺钉固定在所述圆轮螺孔上，进而实现与所述连接圆轮的连接；所述金属杆体焊接在所述圆轮实体支架上。

进一步的，所述监测主体还包括监测外壳，所述红外测距仪和角度转动控制单元均设置在所述监测外壳内；所述监测外壳的正视外表面设置水平转角刻度尺；

所述角度转动控制单元包括角位移控制传感器、角度转换定时器、角度位移转动轴；

所述红外测距仪通过所述角度位移转动轴嵌于所述监测外壳内部，通过所述角位移控制传感器和角度转换定时器实现红外测距仪绕所述角度位移转动轴的定时转动。

进一步的，所述红外测距仪的水平转动角度范围为45°～-45°。

进一步的，所述监测外壳上部设置数显角度测量仪，用于测量所述红外测距仪的竖向倾角。

进一步的，所述红外测距仪包括测距仪镜头、位移数据存储器和位移数据发射器；所述测距仪镜头为所述红外测距仪投射红外激光的出口；所述位移数据存储器用于记录测距仪镜头到巷帮的测量距离和测距仪转动转角数据；所述位移数据发射器用于实现无接触的数据接收和传输；

所述位移数据储存器和位移数据发射器分别布置在所述红外测距仪的正视外表面的上、下角位置。

进一步的，所述圆轮螺孔每隔15°转角均匀分布在所述连接圆轮的圆周上。

进一步的，所述金属杆体远离所述连接圆轮的一端设置有环形螺纹，用于增强所述金属杆体与岩体的摩擦，增加所述监测装置的安放稳定性。

本发明还提供了一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测方法，使用上述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，所述监测方法包括如下步骤：

S1、巷道掘进断面形成后，在位于巷道帮部顶板设定距离的位置，垂直岩体钻取深度安设孔；

S2、连接圆轮通过圆轮连接套与监测外壳连接，连接圆轮与金属杆体焊接连接，所述监测装置连接成整体；将所述监测装置的金属杆体尾端插入所述深度安设孔内，借助连接圆轮的圆轮螺孔初步设定红外测距仪的竖向倾角α；

S3、记录数显角度测量仪测定的竖向倾角α；通过角位移控制传感器和角度转换定时器分别设定间隔时间内的水平转角β和间隔时间t，其中角位移控制传感器和角度转换定时器共同控制红外测距仪绕角位移转动轴每隔间隔时间t依次转过角度β，在扫描的水平偏45°和-45°的转角过程中，每转动β角度红外测距仪实现巷帮测量距离L′和水平转角β的记录和存储，通过位移数据发射器实现无接触的数据接收和传输；其中L′为红外测距仪测定的到巷帮的距离；

S4、红外测距仪水平转角每扫描45°～-45°的过程为一个计算当量，根据记录数据进行当量水平距离L的计算；对比不同时刻当量水平距离的差为巷道该时间内的当量位移收敛量；进一步求得当量位移收敛速率；其中L为多个L′的求和平均值。

进一步的，步骤S1中，巷道掘进断面形成后，在位于巷道帮部距离顶板300mm～500mm位置，垂直钻取深度为500mm～800mm的安设孔。

进一步的，步骤S4中，所述当量水平距离L的计算方法为：

a.红外测距仪的竖向倾角为α，水平方向的每次移动转角为β，初始记录位置为-45°点，每组的转动次数为2n，每转动角度β时，依次记录的巷帮测量距离L′分别为L₁′，L₂′，L₃′，L_i′…，1≤i≤n；首先通过水平转角计算水平转换距离L_i水平′，计算公式为：

-45°～0°时满足公式(1)

0°～45°时满足公式(2)L′_i水平＝L′_i×cos(iβ)；

b.水平转换距离L_i水平′与巷帮水平距离L_i的关系公式(3)为：L_i＝L′_i水平cosα；将记录的多点巷帮水平距离L_i求和取平均得到该组当量水平距离L，通过前后不同组的当量水平距离的差获得巷帮的收敛量，收敛量与时间的比值获得巷帮收敛速率。

本发明的有益效果为：

1、实现区域多点共性(同为巷道水平直线位置)测量，弥补了传统技术单点测量的片面性，提高了巷道变形特征(变形量和变形速率)的监测准确度和可靠度；

2、监测装置可根据巷道断面尺寸，实现垂直转角的有效调整，保证监测位置位于巷道合适位置，避免了因生产设备摆放造成监测错位的现象发生；

3、金属杆体与岩体进行深部配合，避免了浅部围岩损伤造成测站不稳，致使监测数据出现错误的现象；

4、设备安装便捷，实现了实时连续记录，释放了人工劳动，节省了人工成本，提高现场的工作效率。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置的使用场景示意图。

图2所示为本发明实施例一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置的使用场景平面示意图。

图3所示为实施例一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置的结构示意图。

图4所示为实施例中检测外壳的俯视图示意。

图5所示为施例中检测外壳的正视图示意。

图6所示为实施例中红外测距仪的结构示意图。

图7所示为实施例中连接圆轮剖面结构示意图。

图8所示为实施例中金属杆体与圆轮连接套的连接正视示意图。

图9所示为实施例中金属杆体与圆轮连接套的连接俯视示意图。

图中：1—金属杆体，2—连接圆轮，2-1—圆轮螺孔，2-2—圆轮实体支架，3—角位移控制传感器，4—监测外壳，4-1—水平转角刻度尺，5—圆轮连接套，5-1—紧固螺钉，6—角度转换定时器，7—角度位移转动轴，8—红外测距仪，8-1—测距仪镜头，8-2—位移数据储存器，8-3—位移数据发射器，9—数显角度测量仪。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图3-图4所示，本发明实施例的一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，包括监测主体、金属杆体、连接圆轮；所述监测主体包括监测外壳、红外测距仪8和角度转动控制单元，所述红外测距仪8用于测量与巷帮的直线距离，所述角度转动控制单元用于控制所述红外测距仪8在水平方向的转动及转动角度；所述连接圆轮2一端连接所述金属杆体1，另一端连接所述监测主体。

优选的，如图1-图2所示，所述连接圆轮2包括圆轮螺孔2-1和圆轮实体支架2-2，所述圆轮螺孔2-1均匀分布在所述连接圆轮2的圆周上；所述监测主体通过圆轮连接套5的螺纹与5-1紧固螺钉固定在所述圆轮螺孔2-1上，进而实现与所述连接圆轮2的连接；所述金属杆体1焊接在所述圆轮实体支架2-2上。

优选的，所述红外测距仪8和角度转动控制单元均设置在所述监测外壳4内；所述监测外壳4的正视外表面设置水平转角刻度尺4-1；所述角度转动控制单元包括角位移控制传感器3、角度转换定时器6、角度位移转动轴7；所述红外测距仪8通过所述角度位移转动轴7嵌于所述监测外壳4内部，通过所述角位移控制传感器3和角度转换定时器6实现所述红外测距仪8绕所述角度位移转动轴7的定时转动。监测外壳4上部设置数显角度测量仪9，用于测量所述红外测距仪8的竖向倾角。

优选的，如图5所示，所述监测外壳4包含水平转角刻度尺4-1，通过蚀刻工艺将水平转角刻度尺印在监测外壳4正视外表面；

优选的，如图6所示，所述红外测距仪8包含测距仪镜头8-1，位移数据储存器8-2，位移数据发射器8-3，测距仪镜头8-1为红外测距仪8投射垂直红外激光的出口，位移数据储存器8-2和位移数据发射器8-3分别分布在红外测距仪8的正视外表面的上下角位置。

作为一个具体实施例，如图7-图9所示，所述连接圆轮2的圆轮螺孔2-1和圆轮实体支架2-2，通过焊接与金属杆体1连接形成连接整体，实现监测装置在岩层中的固定。

优选的，所述金属杆体1固定于岩体内部的尾端设有环形螺纹，以增加金属杆体1与岩体的摩擦作用，增加监测装置安放的稳定性。

优选的，圆轮螺孔2-1每隔15°转角均匀分布于连接圆轮2上，通过螺纹与螺钉加固实现连接圆轮2与圆轮连接套5的装配。

所述监测外壳4主要为塑料制品组成，包含水平转角刻度尺4-1，角位移控制传感器3外露端附着于监测外壳4外表面，角位移控制传感器3内部与角度转换定时器6相连。

所述红外测距仪8通过角位移转动轴7嵌于监测外壳4内部，在转角定时转过0～45°实现红外测距仪8的自动记录巷帮距离和转动转角的数据，红外测距仪8可围绕角位移转动轴7实现水平偏45°和-45°的转动。需要说明的是，转角范围可根据实际需要调整，并不限于-45°～45°。

如图1-图2所示，本发明实施例一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测方法，使用上述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，所述监测方法包括如下步骤：

S1、巷道掘进断面形成后，在位于巷道帮部距离顶板300mm～500mm位置，垂直钻取深度为500mm～800mm的安设孔；

S2、连接圆轮2通过圆轮连接套5与监测外壳4连接，连接圆轮2与金属杆体1焊接连接，所述监测装置连接成整体；将所述监测装置的金属杆体1尾端插入所述深度安设孔内，借助连接圆轮2的圆轮螺孔2-1初步设定红外测距仪8的竖向倾角α；

S3、记录数显角度测量仪9测定的竖向倾角α；通过角位移控制传感器3和角度转换定时器6分别设定间隔时间内的水平转角β和间隔时间t，其中角位移控制传感器3和角度转换定时器6共同控制红外测距仪8绕角位移转动轴7每隔间隔时间t依次转过角度β，在扫描的水平偏45°和-45°的转角过程中，每转动β角度红外测距仪8实现距离L′和水平转角β的记录和存储，通过位移数据发射器8-3实现无接触的数据接收和传输；其中L′为红外测距仪8测定的到巷帮的距离；

S4、红外测距仪8水平转角每扫描45°～-45°的过程为一个计算当量，根据记录数据进行当量水平距离L的计算；对比不同时刻当量水平距离的差为巷道该时间内的当量位移收敛量；进一步求得当量位移收敛速率。

步骤S4中，所述当量水平距离L的计算方法为：

a.红外测距仪的竖向倾角为α，水平方向的每次移动转角为β，初始记录位置为-45°点，每组的转动次数为2n，每转动角度β时，依次记录的巷帮测量距离L′分别为L₁′，L₂′，L₃′，L_i′…，1≤i≤n；首先通过水平转角计算水平转换距离L_i水平′，计算公式为：

-45°～0°时满足公式(1)

0°～45°时满足公式(2)L′_i水平＝L′_i×cos(iβ)；

b.水平转换距离L_i水平′与巷帮水平距离L_i的关系公式(3)为：L_i＝L′_i水平cosα；将记录的多点巷帮水平距离L_i求和取平均得到该组当量水平距离L，通过前后不同组的当量水平距离的差获得巷帮的收敛量，收敛量与时间的比值获得巷帮收敛速率。

本发明方法根据红外测距仪8的水平转动位置记录水平转角及巷道两帮距离，根据每组的转角和距离实现巷帮前后L距离区域范围内的巷帮位移变形监测，收集和计算各组数据的当量位移，实现巷帮测站区域范围内变形量和变形速率的精准度量。本发明结构精巧，监测连续，实现了区域范围内的变形监测，减少了单点或单断面监测的片面和误差，提高了巷帮位移监测的准确性。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (8)

1.一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，其特征在于，所述装置包括监测主体、金属杆体、连接圆轮；

所述监测主体包括红外测距仪和角度转动控制单元，所述红外测距仪用于测量与巷帮的直线距离，所述角度转动控制单元用于控制所述红外测距仪在水平方向的转动及转动角度；

所述连接圆轮一端连接所述金属杆体，另一端连接所述监测主体；所述连接圆轮包括圆轮螺孔和圆轮实体支架，所述圆轮螺孔均匀分布在所述连接圆轮的圆周上；所述监测主体通过圆轮连接套的螺纹与紧固螺钉固定在所述圆轮螺孔上，进而实现与所述连接圆轮的连接；所述金属杆体焊接在所述圆轮实体支架上；

监测外壳上部设置数显角度测量仪，用于测量所述红外测距仪的竖向倾角。

2.如权利要求1所述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，其特征在于，所述监测主体还包括监测外壳，所述红外测距仪和角度转动控制单元均设置在所述监测外壳内；所述监测外壳的正视外表面设置水平转角刻度尺；

所述角度转动控制单元包括角位移控制传感器、角度转换定时器、角度位移转动轴；

所述红外测距仪通过所述角度位移转动轴嵌于所述监测外壳内部，通过所述角位移控制传感器和角度转换定时器实现红外测距仪绕所述角度位移转动轴的定时转动。

3.如权利要求2所述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，其特征在于，所述红外测距仪的水平转动角度范围为45°～-45°。

4.如权利要求3所述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，其特征在于，所述红外测距仪包括测距仪镜头、位移数据存储器和位移数据发射器；所述测距仪镜头为所述红外测距仪投射红外激光的出口；所述位移数据存储器用于记录测距仪镜头到巷帮的测量距离和测距仪转动转角数据；所述位移数据发射器用于实现无接触的数据接收和传输；

所述位移数据储存器和位移数据发射器分别布置在所述红外测距仪的正视外表面的上、下角位置。

5.如权利要求1所述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，其特征在于，所述圆轮螺孔每隔15°转角均匀分布在所述连接圆轮的圆周上。

6.如权利要求1-5任一项所述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，其特征在于，所述金属杆体远离所述连接圆轮的一端设置有环形螺纹。

7.一种区域多点连续测量的巷道表面位移监测方法，其特征在于，使用如权利要求4所述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测装置，所述监测方法包括如下步骤：

S1、巷道掘进断面形成后，在位于巷道帮部顶板设定距离的位置，垂直岩体钻取深度安设孔；

S2、连接圆轮通过圆轮连接套与监测外壳连接，连接圆轮与金属杆体焊接连接，所述监测装置连接成整体；将所述监测装置的金属杆体尾端插入所述深度安设孔内，借助连接圆轮的圆轮螺孔初步设定红外测距仪的竖向倾角α；

S3、记录数显角度测量仪测定的竖向倾角α；通过角位移控制传感器和角度转换定时器分别设定间隔时间内的水平转角β和间隔时间t，其中角位移控制传感器和角度转换定时器共同控制红外测距仪绕角位移转动轴每隔间隔时间t依次转过角度β，在扫描的水平偏45°和-45°的转角过程中，每转动β角度红外测距仪实现巷帮测量距离L′和水平转角β的记录和存储，通过位移数据发射器实现无接触的数据接收和传输；其中L′为红外测距仪测定的到巷帮的距离；

S4、红外测距仪水平转角每扫描45°～-45°的过程为一个计算当量，根据记录数据进行当量水平距离L的计算；对比不同时刻当量水平距离L的差为巷道该时间内的当量位移收敛量；进一步求得当量位移收敛速率。

8.如权利要求7所述的区域多点连续测量的巷道表面位移监测方法，其特征在于，步骤S4中，所述当量水平距离L的计算方法为：

a.红外测距仪的竖向倾角为α，水平方向的每次移动转角为β，初始记录位置为-45°点，每组的转动次数为2n，每转动角度β时，依次记录的巷帮测量距离L′分别为L₁′，L₂′，L₃′，L_i′…，1≤i≤n；首先通过水平转角计算水平转换距离L_i水平′，计算公式为：

-45°～0°时满足公式(1)

0°～45°时满足公式(2)L′_i水平＝L′_i×cos(iβ)；

b.水平转换距离L_i水平′与巷帮水平距离L_i的关系公式(3)为：L_i＝L′_i水平cosα；将记录的多点巷帮水平距离L_i求和取平均得到该组当量水平距离L，通过前后不同组的当量水平距离的差获得巷帮的收敛量，收敛量与时间的比值获得巷帮收敛速率。

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