CN113532371B - 一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，包括以下具体步骤：1）利用FLAC3D软件进行巷道围岩变形破坏数值进行模拟；2）制定巷道围岩变形监测方案；3）在巷道围岩内部安装测量传感器和定位传感器；4）将测量传感器和定位传感器连接顶板在线监测系统，利用顶板在线监测系统对巷道围岩变形进行监控和分析。本方法实现了巷道顶板、底板及两帮围岩各自的绝对变形量的测量，非接触式测量避免了人工测量带来的误差；有利于获得巷道围岩易变形部位更多的监测信息，对不同形状、岩性、构造及支护条件下的巷道具有良好的适用性，有利于技术人员在地面及时掌握井下巷道围岩变形动态变化，提前预防顶板塌冒、冲击地压等动力灾害事故。
Description
技术领域
本发明属于矿山巷道工程围岩监测技术领域，具体涉及一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法。
背景技术
随着我国煤炭开采深度逐渐增加，由于地应力增大，巷道围岩在采动影响下更容易发生变形破坏，产生顶板下沉、底鼓及帮鼓等问题，对井下人员施工、车辆通行、矿井通风等造成极大影响，甚至引发顶板塌冒及冲击地压等严重事故，威胁井下工人生命财产安全。国内外工程实例表明，巷道围岩变形监测是煤矿采场矿压监测的重要内容，获取巷道变形破坏规律有利于巷道顶板事故灾害预防及支护优化设计。
目前巷道围岩变形测量方法主要分为三种，一种是以十字测量法为代表的巷道表面变形测量，即工人分别在两帮和顶底拉一根线，线长的变化反映顶底及两帮移近量变化。优点是测量过程简单方便，缺点是需要人工测量，数据测量间隔时间长，无法获取连续数据。第二种是以顶板离层仪为代表的围岩内部变形测量，即在顶板上打钻孔，将深、浅两个测量基点固定于指定钻孔高度，并通过钢丝绳与下方离层仪相连，钢丝绳的长度变化可反映围压变形。优点是可通过矿压监测系统进行连续测量，缺点是该方法只适用于巷道顶板。第三种是以激光扫描技术为代表的巷道表面变形测量，即利用激光扫描仪向巷道表面发射激光并接收返回的激光信号，从而获取巷道变形信息。优点是精度高且可观察整个巷道断面变形，缺点是测量过程较为复杂且受井下水汽、粉尘等影响较大。除此之外，上述测量方法获取的巷道变形测量结果为相对变化量，无法获得巷道顶板、底板及两帮各自的绝对变形量。
综上所述，如何改变现有的巷道围岩变形测量方法，在保证测量精度和连续测量的基础上实现巷道顶板、底板及两帮各自绝对变形量的测量，满足巷道围岩变形差异化监测的需要，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法,该方法能够实现巷道顶板、底板及两帮各自变形的测量，获得巷道围岩差异化变形特征，不仅测量精度高而且可进行连续监测。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，包括以下具体步骤：
步骤S1：利用FLAC3D软件进行巷道围岩变形破坏数值进行模拟；
步骤S2：制定巷道围岩变形监测方案；
步骤S3：在巷道围岩内部安装测量传感器和定位传感器；
步骤S4：将测量传感器和定位传感器连接顶板在线监测系统，利用顶板在线监测系统对巷道围岩变形进行监控和分析。
优选的，步骤S1包含以下两个步骤：
步骤101：根据矿井岩层分布及巷道布置，在FLAC3D软件建立采动巷道三维数值模型；
步骤102：为三维数值模型赋予相应的煤岩物理力学参数并进行计算，观察三维数值模型中巷道围岩受采动前后的塑性区变化及应力分布，获得巷道围岩破坏模式及变形特征。
优选的，步骤S2包括以下三个步骤：
步骤201：在步骤S1基础上，根据巷道形状、尺寸及获得巷道围岩破坏模式及变形特征，选择合适的监测钻孔布置方式；
步骤202：根据巷道三维数值模型的数值模拟结果中巷道实体煤帮最大塑性区深度LS，确定定位传感器在监测钻孔内的安装深度LD；
步骤203：根据巷道三维数值模型的数值模拟结果中巷道顶板、底板及两帮部位处围岩的变形破坏特征，确定测量传感器布置在监测钻孔内的数量和位置。
优选的，步骤201中监测钻孔布置方式选用沿巷道断面呈十字形布置或米字形布置；十字形布置为沿巷道顶板、底板垂直钻孔以及沿两帮水平钻孔。
优选的，步骤S3具体操作过程如下：在掘进工作面迎头位置，选择一处较完整的巷道断面，利用井下钻机向巷道围岩指定位置打监测钻孔并用水冲洗干净后，将一个定位传感器和相应数量的测量传感器依次固定于钻孔内指定位置，并记录安装信息。
优选的，步骤S4包以下四个步骤：
步骤401：利用巷道内设置的无线监测分站将定位传感器和测量传感器接入到矿井顶板在线监测系统中，顶板在线监测系统自动接收传感器的三维坐标信息；
步骤402：利用顶板在线监测系统对定位传感器和测量传感器进行编号，将定位传感器设置为固定基点，并作为本测量方法中三维相对坐标系的原点，当巷道变形时，测量传感器三维相对坐标发生相应变化；
步骤403：利用顶板在线监测系统的地面监测主机设置巷道变形量预警值，当测量传感器的三维相对坐标变化量达到巷道变形预警值时，顶板在线监测系统将发出报警提示；
步骤404：根据顶板在线监测系统报警提示，监控人员在线查看测区内巷道围岩变形量和变形曲线，并通知技术人员下井查看该处巷道变形破坏情况，必要时采取补强支护、设立危险警示牌等安全技术措施。
步骤S2中定位传感器安装于巷道实体煤一帮的监测钻孔内，其安装深度应至少大于1.5倍的巷道实体煤帮最大塑性区深度LS，以保证定位传感器位于巷道围岩塑性区之外。
步骤S3中监测钻孔打孔位置应尽量避开巷道围岩表面的锚杆和锚索，以免影响安装质量。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
（1）本方法利用无线定位技术进行巷道围岩变形监测，每个测点处的测量传感器无线输出三维相对坐标，实现了巷道顶板、底板及两帮围岩各自的绝对变形量的测量，克服了传统测量技术只能获取巷道围岩相对变形量的缺点，且非接触式测量避免了人工测量带来的误差。
（2）本方法根据巷道围岩变形受力FLAC3D软件建立采动巷道三维数值模型的模拟结果，有针对性地确定传感器布置方式、位置及数量，有利于获得巷道围岩易变形部位更多的监测信息，对不同形状、岩性、构造及支护条件下的巷道具有良好的适用性。
（3）本方法中顶板在线监测系统包括无线监测分站和地面监控主机，无线定位传感器通过无线监测分站与地面监控主机相连接，整个系统具备实时、自动、连续在线监测功能，当巷道变形量达到预设的报警值后会发出报警，有利于技术人员在地面及时掌握井下巷道围岩变形动态变化，提前预防顶板塌冒、冲击地压等动力灾害事故。
附图说明
图1是本发明矩形巷道断面内监测钻孔及传感器的十字形布置示意图；
图2是本发明巷道围岩变形动态监测方法十字形布置测点的三维布置图；
图3是本发明具体实例中巷道在掘进一个月后的顶底板变形量变化；
图中：1—巷道；2—围岩塑性区；3—监测钻孔；4—测量传感器；5—定位传感器；6—无线监测分站；7—地面监控主机。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，包括以下具体步骤：
步骤S1：利用FLAC3D软件进行巷道1围岩变形破坏数值进行模拟；
步骤S2：制定巷道1围岩变形监测方案；
步骤S3：在巷道1围岩内部安装测量传感器4和定位传感器5；
步骤S4：将测量传感器4和定位传感器5连接顶板在线监测系统，利用顶板在线监测系统对巷道1围岩变形进行监控和分析。
优选的，步骤S1包含以下两个步骤：
步骤101：根据矿井岩层分布及巷道1布置，在FLAC3D软件建立采动巷道1三维数值模型；
步骤102：为三维数值模型赋予相应的煤岩物理力学参数并进行计算，观察三维数值模型中巷道1围岩受采动前后的塑性区变化及应力分布，获得巷道1围岩破坏模式及变形特征。
优选的，步骤S2包括以下三个步骤：
步骤201：在步骤S1基础上，根据巷道1形状、尺寸及获得巷道1围岩破坏模式及变形特征，选择合适的监测钻孔3布置方式；
步骤202：根据巷道1三维数值模型的数值模拟结果中巷道1实体煤帮最大塑性区深度LS，确定定位传感器5在监测钻孔3内的安装深度LD；
步骤203：根据巷道1三维数值模型的数值模拟结果中巷道1顶板、底板及两帮部位处围岩的变形破坏特征，确定测量传感器4布置在监测钻孔3内的数量和位置。
优选的，步骤201中监测钻孔3布置方式选用沿巷道1断面呈十字形布置或米字形布置；十字形布置为沿巷道1顶板、底板垂直钻孔以及沿两帮水平钻孔。
优选的，步骤S3具体操作过程如下：在掘进工作面迎头位置，选择一处较完整的巷道1断面，利用井下钻机向巷道1围岩指定位置打监测钻孔3并用水冲洗干净后，将一个定位传感器5和相应数量的测量传感器4依次固定于钻孔内指定位置，并记录安装信息。
优选的，步骤S4包以下四个步骤：
步骤401：利用巷道1内设置的无线监测分站将定位传感器5和测量传感器4接入到矿井顶板在线监测系统中，顶板在线监测系统自动接收传感器的三维坐标信息；
步骤402：利用顶板在线监测系统对定位传感器5和测量传感器4进行编号，将定位传感器5设置为固定基点，并作为本测量方法中三维相对坐标系的原点，当巷道1变形时，测量传感器4三维相对坐标发生相应变化；
步骤403：利用顶板在线监测系统的地面监测主机设置巷道1变形量预警值，当测量传感器4的三维相对坐标变化量达到巷道1变形预警值时，顶板在线监测系统将发出报警提示；
步骤404：根据顶板在线监测系统报警提示，监控人员在线查看测区内巷道1围岩变形量和变形曲线，并通知技术人员下井查看该处巷道1变形破坏情况，必要时采取补强支护、设立危险警示牌等安全技术措施。
步骤S2中定位传感器5安装于巷道1实体煤一帮的监测钻孔3内，其安装深度应至少大于1.5倍的巷道1实体煤帮最大塑性区深度LS，以保证定位传感器5位于巷道1围岩塑性区之外。
步骤S3中监测钻孔3打孔位置应尽量避开巷道1围岩表面的锚杆和锚索，以免影响安装质量。
下面按照本发明的操作步骤列举在某矿的具体实施例：
本实施例结合某矿工程实例，对本发明提供的一种巷道1围岩绝对变形量动态监测方法的具体实施方式作进一步说明。某矿12-1煤层，煤层平均厚度3.5m，煤层层位稳定，厚度变化较小。煤层上部15m为砂质泥岩，其单轴压缩强度为22MPa；煤层上部15~24m为中砂岩，其单轴压缩强度为27MPa；煤层下部为10m厚的砂质泥岩，其单轴压缩强度为22MPa。1208运输巷沿底掘进，两侧均为实体煤，巷道1断面形状为矩形，巷道1尺寸宽×高=4.5m×3.6m，采用基于无线定位技术的巷道1围岩变形动态测量方法的具体实施步骤如下。
步骤S1：利用FLAC3D软件进行巷道1围岩变形破坏数值模拟。
据12-1煤层顶底板岩层赋存情况及巷道1布置，在FLAC3D软件建立采动巷道1三维数值模型。将顶底板岩石及煤层的物理力学参数输入模型中并进行计算，结果表明，巷道1顶板、底板、左帮和右帮的最大塑性区深度分别为2.0m、1.8m、2.8m、2.8m，在无支护条件下的最大变形量分别为0.22m、0.16m、0.34m、0.34m。
步骤S2:制定巷道1围岩变形监测方案。
考虑到巷道1断面为4.5m×3.6m的矩形，以及巷道1围岩在数值模拟中的变形情况，选用十字形布置的监测钻孔3布置方式。
定位传感器5布置于右帮实体煤中的监测钻孔3中，其安装深度LD计算为：
考虑到安装的便利性，取LD=6.0m。
根据数值模拟结果中巷道1顶底及两帮部位处围岩的变形破坏特征以及实际监测需求，确定顶板的监测钻孔3内布置3个测量传感器4，分别距巷道1表面0.1m、1.2m、2.4m位置处；巷道1底板的监测钻孔3内布置3个测量传感器4，分别距巷道1表面0.1m、1.0m、2.0m位置处；巷道1两帮的监测钻孔3内均布置3个测量传感器4，分别距巷道1表面0.1m、1.5m、3.0m位置处。
步骤S3：井下安装测量传感器4和定位传感器5。
在掘进工作面迎头位置，选择一处较完整的巷道1断面，利用井下钻机向巷道1围岩指定位置打监测钻孔3并用水冲洗干净后，将定位传感器5和相应数量的测量传感器4依次固定于孔内指定位置，并记录安装信息。
步骤S4：利用顶板在线监测系统进行巷道1围岩变形监测、分析。
利用信号分站将定位传感器5和测量传感器4接入到KJ216矿井顶板在线监测系统中，系统自动接收传感器的三维坐标信息；
利用顶板在线监测系统对定位传感器5和测量传感器4进行编号，定位传感器5编号为D001，巷道1右帮测量传感器4编号为CY001、CY002、CY003，巷道1左帮测量传感器4编号为CZ001、CZ002、CZ003，巷道1顶板测量传感器4编号为CD001、CD002、CD003，巷道1底板测量传感器4编号为CF001、CF002、CF003。
将定位传感器5D001设置为固定基点，并作为本测量方法中三维相对坐标系的原点，当巷道1变形时，测量传感器4三维相对坐标发生相应变化。
利用顶板在线监测系统的地面监测主机设置巷道1顶板、底板、左帮和右帮的变形量预警值分别为100mm、100mm、200mm、200mm，并进行长时间的连续、动态监测。以巷道1顶板和底板变形监测为例，巷道1掘进后30d内顶板下沉量和底鼓量变化如图3所示，巷道1顶板在掘进后的第20d基本稳定，最大下沉量为89mm，巷道1底板在掘进后的第15d基本稳定，最大下沉量为68mm。
以上实施例说明了本发明的基本结构和特点，但上述仅仅说明了本发明的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤S1：利用FLAC3D软件进行巷道围岩变形破坏数值进行模拟；
步骤S2：制定巷道围岩变形监测方案；
步骤S3：在巷道围岩内部安装测量传感器和定位传感器；
步骤S4：将测量传感器和定位传感器连接顶板在线监测系统，利用顶板在线监测系统对巷道围岩变形进行监控和分析；
步骤S1包含以下两个步骤：
步骤101：根据矿井岩层分布及巷道布置，在FLAC3D软件建立采动巷道三维数值模型；
步骤102：为三维数值模型赋予相应的煤岩物理力学参数并进行计算，观察三维数值模型中巷道围岩受采动前后的塑性区变化及应力分布，获得巷道围岩破坏模式及变形特征；
步骤S2包括以下三个步骤：
步骤201：在步骤S1基础上，根据巷道形状、尺寸及获得巷道围岩破坏模式及变形特征，选择合适的监测钻孔布置方式；
步骤202：根据巷道三维数值模型的数值模拟结果中巷道实体煤帮最大塑性区深度LS，确定定位传感器在监测钻孔内的安装深度LD；
步骤203：根据巷道三维数值模型的数值模拟结果中巷道顶板、底板及两帮部位处围岩的变形破坏特征，确定测量传感器布置在监测钻孔内的数量和位置。
2.根据权利要求1所述的一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，其特征在于：步骤201中监测钻孔布置方式选用沿巷道断面呈十字形布置或米字形布置；十字形布置为沿巷道顶板、底板垂直钻孔以及沿两帮水平钻孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，其特征在于：步骤S3具体操作过程如下：在掘进工作面迎头位置，选择一处较完整的巷道断面，利用井下钻机向巷道围岩指定位置打监测钻孔并用水冲洗干净后，将一个定位传感器和相应数量的测量传感器依次固定于钻孔内指定位置，并记录安装信息。
4.根据权利要求3所述的一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，其特征在于：步骤S4包以下四个步骤：
步骤401：利用巷道内设置的无线监测分站将定位传感器和测量传感器接入到矿井顶板在线监测系统中，顶板在线监测系统自动接收传感器的三维坐标信息；
步骤402：利用顶板在线监测系统对定位传感器和测量传感器进行编号，将定位传感器设置为固定基点，并作为本测量方法中三维相对坐标系的原点，当巷道变形时，测量传感器三维相对坐标发生相应变化；
步骤403：利用顶板在线监测系统的地面监测主机设置巷道变形量预警值，当测量传感器的三维相对坐标变化量达到巷道变形预警值时，顶板在线监测系统将发出报警提示；
步骤404：根据顶板在线监测系统报警提示，监控人员在线查看测区内巷道围岩变形量和变形曲线，并通知技术人员下井查看该处巷道变形破坏情况，必要时采取补强支护、设立危险警示牌安全技术措施。
5.根据权利要求1或2所述的一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，其特征在于：步骤S2中定位传感器安装于巷道实体煤一帮的监测钻孔内，其安装深度应至少大于1.5倍的巷道实体煤帮最大塑性区深度LS，以保证定位传感器位于巷道围岩塑性区之外。
6.根据权利要求3所述的一种巷道围岩绝对变形量动态监测方法，其特征在于：步骤S3中监测钻孔打孔位置应尽量避开巷道围岩表面的锚杆和锚索，以免影响安装质量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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