CN116772786A - 一种巷道围岩全断面变形监测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巷道围岩全断面变形监测系统及其方法，该系统包括设置在位于巷道中部上方的顶部绝对位移模块，顶部绝对位移模块的上端固设在围岩深部稳定岩层中，多根对称分布在顶部绝对位移模块两侧且沿巷道顶部圆弧面径向间隔布置的短锚杆；每根短锚杆的外露端均设置有卡扣，相邻两个卡扣之间设置用于监测相邻两个监测点的位移变化的可伸缩的位移变化采集模块和固定在位移变化采集模块端部的角度变化采集模块。本发明采用一种配备有采集模块的监测机构，配合相应的软件模块，根据相应的数据处理方法计算出每个监测点在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将变形量在电脑终端显示，可以提高监测效率，降低测量人员劳动强度。
Description
技术领域
本发明涉及隧道、巷道等岩体开挖空间变形全断面监测领域，具体涉及一种巷道围岩全断面变形监测系统及其方法。
技术背景
巷道是矿产资源地下开采工程的重要组成部分，承担着矿山的运输、通风、排水、供电等任务。在巷道掘进过程中，爆破或机械开挖等工艺破坏了岩体的初始应力平衡，引起围岩应力重新分布。同时，受到相邻回采工作面的采动影响，导致巷道围岩出现变形且逐渐增大。巷道变形过大、巷道断面面积减小、顶板垮落等问题会影响其正常使用，无法满足生产需求。因此，巷道变形监测对后期支护、及时维修、预警冒顶事故等有着重要意义。
现有巷道断面表面位移变形监测方法主要有收敛计法、激光扫描法等。
目前，收敛计法常常采用的是巴赛特收敛系统，其是一种高精度、自动化监测系统，整个系统从数据自动采集到计算结果的显示完全实现计算机自动化，广泛应用于隧道施工的断面变形监测工作中。如图1所示，巴赛特收敛系统由多个杆件单元首尾互相铰接安装在待测断面四周，构成一个测量环，杆件单元内置一种特制的高精度电解质倾角传感器，每对长短臂的一个铰接点通过固定件与隧道壁相固定，另一个铰接点是浮动的。当隧道壁发生变形时，必定使变形区内的几个固定点产生位移，也带动相关的长短臂活动，即长短臂产生角度变化。这时分别安装在长、短臂上的倾角传感器就可测出这种微小的角度变化。根据倾角变化和各相应长短臂的长度就可计算出各固定点的位移。但该方法需要定期对每个待测巷道断面的顶底板移进量、两帮移进量进行测量，监测效率低和测量人员劳动强度高。
另外激光扫描法即使用激光发射器定期扫描巷道，通过不同时间的点云数据对比计算出巷道位移变化量。针对长距离巷道点云扫描不能一次完成，数据拼接存在精度丢失等问题，井下可视条件较差等也会影响该方法的精度。目前井下巷道围岩变形监测仍然是以收敛计监测方法为主。
发明内容
本发明提供了一种巷道围岩全断面变形监测系统及其方法，该监测系统采用一种配备有采集模块的监测机构，配合相应的软件模块，根据相应的数据处理方法计算出每个监测点相对顶部绝对位移模块的上端在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将所述变形量在电脑终端显示，可以提高监测效率，降低测量人员劳动强度，实现无人化监测，解决了现有收敛计法当中有效监测点位少、测量基准偏差大的问题和激光扫描法对环境要求较高的问题。
本发明提供了一种巷道围岩全断面变形监测系统，包括设置在位于巷道中部上方的顶部绝对位移模块，所述顶部绝对位移模块的上端固设在围岩深部稳定岩层中，多根对称分布在所述顶部绝对位移模块两侧且沿巷道顶部圆弧面径向间隔布置的短锚杆；
每根所述短锚杆的外露端均设置有卡扣，所述短锚杆与卡扣相交部分的几何中心为监测点，所述相邻两个所述卡扣之间设置用于监测相邻两个监测点的位移变化的可伸缩的位移变化采集模块和固定在所述位移变化采集模块端部的角度变化采集模块，所述角度变化采集模块固定设置在卡扣上；
还包括设置在所述位移变化采集模块和卡扣之间以及所述位移变化采集模块与顶部绝对位移模块之间的金属杆体，所述位移变化采集模块与金属杆体之间通过第一紧固机构进行固定连接；
所述角度变化采集模块用于监测相邻两个监测点的角度变化，相邻两个卡扣之间的位移变化采集模块和金属杆体平行于所述巷道的断面。
进一步地，所述顶部绝对位移模块包括顶板离层仪，所述顶板离层仪上的深部锚爪固定在围岩深部稳定岩层中，所述顶板离层仪下端设置有沿垂直于巷道断面方向设置的第一连接杆，所述第一连接杆和金属杆体之间设置有第二紧固机构，所述第二紧固机构包括设置在金属杆体上的金属环卡接头，所述金属环卡接头上设置有用于套接在第一连接杆上的金属环圆孔，还包括设置在所述金属环圆孔和第一连接杆之间的第一销条。
进一步地，所述卡扣包括沿垂直于巷道断面方向布置且含有开口的U形部和沿平行于巷道断面方向布置的呈长条状的平直部，所述U形部的开口大小与短锚杆的外径尺寸相适配，所述U形部的端部设置有固定所述短锚杆的螺杆紧固机构，所述U形部的开口方向朝向同一侧。
进一步地，所述平直部和金属杆体之间设置有第三紧固机构，所述第三紧固机构包括设置在金属杆体上的金属环卡接头，所述金属环卡接头上设置有用于套接在平直部上的金属环圆孔，还包括设置在所述金属环圆孔和平直部的第二销条。
进一步地，所述角度变化采集模块的形状为圆环形，所述位移变化采集模块上设置有与所述角度变化采集模块外圆大小相匹配的圆孔，所述圆孔的内表面与角度变化采集模块外圆之间设置有用于限制相互转动的第三销条，所述角度变化采集模块的内圆与卡扣的平直部外表面之间设置有第四销条。
进一步地，所述第一紧固机构包括设置在所述位移变化采集模块端部的方形凸起部和设置在金属杆体端部的方形槽，所述方形凸起部插入所述方形槽内部，并在所述方形凸起部和方形槽之间设置有用于防止金属杆体和位移变化采集模块相互转动的销钉。
进一步地，位于巷道断面顶部区域的金属杆体的长度小于位于巷道断面两帮区域的金属杆体的长度。
进一步地，所述监测系统还包括软件模块，所述软件模块与位移变化采集模块和角度变化采集模块电连接，所述软件模块用于接收所述位移变化采集模块和角度变化采集模块的位移变化数据，并根据数据处理方法计算出每个监测点相对在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将所述变形量在电脑终端显示。
本发明还提供一种巷道围岩全断面变形监测方法，包括以下步骤：
S1、在巷道断面顶板中部安装顶板离层仪，所述顶部离层仪上方的深部锚爪固定在围岩深部稳定岩层中，下方连接的第一连接杆沿的垂直于巷道断面方向设置；
S2、沿巷道顶部圆弧面径向间隔布置多根短锚杆；
S3、在所述短锚杆的外露端套接有卡扣，在所述卡扣的U形部拧紧螺栓用以将所述卡扣固定在短锚杆上，并确保所有卡扣平直部朝向同一侧；
S4、从位于巷道断面最下端开始，沿朝靠近巷道断面中部的方向，在卡扣的平直部依次安装角度传感器和套接在所述角度传感器外侧的位移传感器，并利用第三销条对位移变化采集模块与角度变化采集模块之间的连接处进行紧固，再利用所述第四销条对角度变化采集模块与卡扣的平直部之间的连接处进行紧固；
S5、将位移传感器端部的方形凸起部与金属杆体的方形槽进行插接连接，利用销钉对所述第一连接杆和金属杆体之间的连接处进行紧固；
S6、将金属杆体的金属环卡接头与其上部的短锚杆的卡扣的平直部进行连接，利用第二销条对短锚杆与金属杆体之间的连接处进行紧固；
S7、其余部件安装重复S4～S6步骤，直到从巷道断面底部安装至巷道断面顶板；
S8、在巷道断面顶板处顶板离层仪下端的第一连接杆的左右两端分别安装金属杆体的金属环卡接头，利用第一销条对所述第一连接杆和金属杆体之间的连接处进行紧固；
S9、安装与位移变化采集模块和角度变化采集模块电连接的软件模块，根据数据处理方法计算出每个监测点相对顶部绝对位移模块的上端在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将所述变形量在电脑终端显示。
进一步地，所述数据处理方法包括以下步骤：
S91、通过所述顶部离层仪测得其下端点的位移量；
S92、通过所述角度变化采集模块和位移变化采集模块测得巷道断面上各个监测点的角度和相邻两测点之间的位移变化量；
S93、根据所述顶部离层仪下端点的位移量，与其最近的位移变化采集模块采集到的位移变化量和角度变化采集模块采集到的角度，根据所述位移量、位移变化量和角度三者的几何关系计算出最接近所述的顶部离层仪监测点相对于顶部绝对位移模块的上端的水平和竖直位移；
S94、再沿巷道断面从上到下的顺序依次根据相邻两个监测点的位移变化采集模块采集到的位移变化量和角度变化采集模块采集到的角度，计算下一个监测点相对上一个监测点的水平和竖直位移，并和之间的计算结果进行累加求和，最终得到各个监测点相对于顶部绝对位移模块的上端的水平和竖直位移。
相比与现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明通过采用一种配备有顶板离层仪、角度变化采集模块和位移变化采集模块的监测机构，以及金属杆体和相应的紧固机构，再配合相应的软件模块，根据相应的数据处理方法计算出每个监测点相对顶部绝对位移模块的上端在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将所述变形量在电脑终端显示，可以提高监测效率，降低测量人员劳动强度，实现无人化监测，解决了现有收敛计法当中有效监测点位少、测量基准偏差大的问题和激光扫描法对环境要求较高的问题；
2、本发明通过设置不同长度金属杆体和位移传感器的相互组合，实现有针对性地对断面进行监测，在巷道变形较为明显的区域，如巷道顶部易发生沉降区域、巷道起拱部位或有节理裂隙易发生剪切破坏部位等，适当增加监测单元数量，而对于变形情况不明显的部位，选用较长金属杆体和位移传感器连接；恰当的组合各种规格的杆体和位移传感器，实现监测精度和监测成本的有效控制；
3、本发明通过引入顶板离层仪，其上端固定在深部稳定围岩当中，认为其上部的固定点即为不动点，而顶板离层仪测得数据即为顶板岩层相对上部固定点的绝对位移，顶板的沉降必然引起位移变化采集模块的位移变化和角度变化采集模块的角度变化，通过位移变化采集模块和角度变化采集模块的初始数值和一段时间之后变化的数值，依次计算出每个测点相对顶部绝对位移模块的上端的水平和竖直两个方向的变形量；
4、本发明极大地提高监测效率，监测设备仅需一次安装，即可实现永久使用。尤其针对地下开挖空间掘进头的变形监测，将该设备安装于临时支护锚杆下端，用于巷道的新开挖空间围岩的跟踪监测，对安全掘进和及时预警掘进过程中出现的危险有重要意义，上述监测完成后，该系统还可以继续用于巷道日常变形监测。
附图说明
图1为现有巴赛特收敛系统的布置图；
图2为本发明一种巷道围岩全断面变形监测系统巷道断面的布置图；
图3为图2中A处放大图；
图4为本发明的金属杆体、角度变化采集模块和位移变化采集模块的组合装配示意图；
图5为图4中B处放大图；
图6为图4中C处放大图；
图7为本发明的顶部绝对位移模块的结构示意图；
图8为本发明的卡扣的结构示意图；
图9为本发明监测系统总体框架图；
图10为顶板绝对位移采集模块和安装在其下部的监测单元之间的几何关系示意图；
图11为两监测点同时发生水平和竖直方向的位移时的几何关系示意图；
附图标记：1、顶部绝对位移模块；11、顶板离层仪；111、深部锚爪；112、浅部锚爪；113、钢绞线；12、第一连接杆；2、短锚杆；3、卡扣；31、U形部；32、平直部；33、螺杆紧固机构；4、金属杆体；41、金属环卡接头；411、金属环圆孔；42、方形槽；43、销钉；5、位移变化采集模块；51、方形凸起部；6、角度变化采集模块；71、第一销条；72、第二销条；73、第三销条；74、第四销条；8、顶板。
具体实施方式
以下结合附图1～11和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供一种巷道围岩全断面变形监测系统，包括设置在位于巷道中部上方的顶部绝对位移模块1，顶部绝对位移模块1的上端固设在围岩深部稳定岩层中，多根对称分布在顶部绝对位移模块1两侧且沿巷道顶部圆弧面径向间隔布置的短锚杆2；
每根短锚杆2的外露端均设置有卡扣3，短锚杆2与卡扣3相交部分的几何中心为监测点，相邻两个卡扣3之间设置用于监测相邻两个监测点的位移变化的可伸缩的位移变化采集模块5和固定在位移变化采集模块5端部的角度变化采集模块6，角度变化采集模块6固定设置在卡扣3上；
还包括设置在位移变化采集模块5和卡扣3之间以及位移变化采集模块5与顶部绝对位移模块1之间的金属杆体4，位移变化采集模块5与金属杆体4之间通过第一紧固机构进行固定连接；
角度变化采集模块6用于监测相邻两个监测点的角度变化，相邻两个卡扣3之间的位移变化采集模块5和金属杆体4平行于巷道的断面。
本发明通过引入顶板离层仪，其上端固定在深部稳定围岩当中，认为其上部的固定点即为不动点，而顶板离层仪测得数据即为顶板岩层相对上部固定点的绝对位移，顶板的沉降必然引起位移变化采集模块的位移变化和角度变化采集模块的角度变化，通过位移变化采集模块和角度变化采集模块的初始数值和一段时间之后变化的数值，依次计算出每个测点相对顶部绝对位移模块的上端的水平和竖直两个方向的变形量。
本实施例中，位移变化采集模块包括位移传感器，角度变化采集模块包括角度传感器，段锚爪的个数为14个，沿巷道端面顶部左右对称布置。同时中间采用金属杆体4的连接可实现减小位移变化采集模块5行程的目的，降低监测单元整体的成本。
本实施例中，如图7所示，顶部绝对位移模块1包括顶板离层仪11，顶板离层仪11上的深部锚爪111固定在围岩深部稳定岩层中，顶板离层仪11下端设置有沿垂直于巷道断面方向设置的第一连接杆12，第一连接杆12和金属杆体4之间设置有第二紧固机构，第二紧固机构包括设置在金属杆体4上的金属环卡接头41，金属环卡接头41上设置有用于套接在第一连接杆12上的金属环圆孔411，还包括设置在金属环圆孔411和第一连接杆12之间的第一销条71。
本实施例中，如图7所示，顶板离层仪11还包括位于深部锚爪111下方的浅部锚爪112，以及用于连接两者的钢绞线。本实施例中，巷道断面的宽度为4m，深部锚爪111上端固定点为巷道断面顶板往上10m以上，保证深部锚爪111牢固地固定在稳定岩层中。
本实施例的顶板离层仪11的安装包括以下步骤：
1)、用锚杆钻机端部的20mm钻头往巷道断面顶端打7m～8m的开孔；
2)、用安装杆将深部锚爪111推入上述开孔中，直至孔底，抽出安装杆后，手拉一下钢绞线113，确认深部锚爪111已卡住，深部锚爪111应固定在顶板以上8～12m；
3)、用安装杆推入浅部锚爪112至顶板以上2～3米处，抽出安装杆后用手拉一下钢绞线113，确认浅部锚爪112已固定住；
4)、对准刻度：记下浅部锚爪112和深部锚爪111的初始读数，用绳卡卡死。
本实施例中，如图8所示，卡扣3包括沿垂直于巷道断面方向布置且含有开口的U形部31和沿平行于巷道断面方向布置的呈长条状的平直部32，U形部31的开口大小与短锚杆2的外径尺寸相适配，U形部31的端部设置有固定短锚杆的螺杆紧固机构33，U形部31的开口方向朝向同一侧。螺杆紧固机构33包括螺杆和螺母，U形部31上开设有供螺杆穿过的开孔。
如图3～4所示，本实施例中，平直部32和金属杆体4之间设置有第三紧固机构，第三紧固机构包括设置在金属杆体4上的金属环卡接头41，金属环卡接头41上设置有用于套接在平直部32上的金属环圆孔411，还包括设置在金属环圆孔411和平直部32的第二销条72。其中第二销条72用于限制金属杆体4和卡扣3之间的转动。
本实施例中，如图6所示，角度变化采集模块6的形状为圆环形，位移变化采集模块5上设置有与角度变化采集模块6外圆大小相匹配的圆孔，圆孔的内表面与角度变化采集模块6外圆之间设置有用于限制相互转动的第三销条73，角度变化采集模块6的内圆与卡扣3的平直部32外表面之间设置有第四销条74。如图2所示，安装上位移变化采集模块5后，先将其转动至水平方向，记录初始角度，待监测系统安装完成后，再记录角度，两角度值之差即是初始角度值θ。
本实施例中，如图4～6所示，第一紧固机构包括设置在位移变化采集模块5端部的方形凸起部51和设置在金属杆体4端部的方形槽42，方形凸起部51插入方形槽42内部。本实施例也可以采用位移变化采集模块5端部采用方形槽，金属杆体4端部采用凸起部的形式。在方形凸起部51和方形槽42之间设置有用于防止金属杆体4和位移变化采集模块5相互转动的销钉43。本实施例的金属杆体4和位移变化采集模块5始终呈一条直线，在监测点下移过程中，通过短锚杆2带动左右两边的位移变化采集模块5和金属杆体4一起向下运动，并通过位移采集模块5自身的伸长和缩短的变化来记录位移采集模块5的变化量。
本实施例中，如图2所示，位于巷道断面顶部区域的金属杆体4的长度小于位于巷道断面两帮区域的金属杆体4的长度。其中位于巷道断面上部的长度为0.2m，位于巷道断面下部的长度为0.8m，中间还依次设置有0.4m和0.6m两种尺寸。在监测机构安装过程中需注意位移变化采集模块5的初始读数，避免位移变化采集模块5的量程处于最大或最小，使其读数最好处于量程中部。这就需要选择上述合适尺寸的金属杆体4，避免安装时位移变化采集模块5出现拉伸和压缩的情况，对传感器造成损坏。
本发明通过设置不同长度金属杆体和位移传感器的相互组合，实现有针对性地对断面进行监测，在巷道变形较为明显的区域，如巷道顶部易发生沉降区域、巷道起拱部位或有节理裂隙易发生剪切破坏部位等，适当增加监测单元数量，而对于变形情况不明显的部位，选用较长金属杆体和位移传感器连接。
在本实例中，如图9所示，监测系统还包括软件模块，软件模块与位移变化采集模块5和角度变化采集模块6电连接，软件模块用于接收位移变化采集模块5和角度变化采集模块6的位移变化数据，并根据数据处理方法计算出每个监测点相对在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将变形量在电脑终端显示，同时本发明可实现无人化的在线监测，该监测系统内置有数据接口，可实现上述采集模块的数据采集、传输、处理、下载等功能。监测机构作为硬件系统部分，其接有数据线，数据采集仪，实现监测数据的采集和传输，软件系统部分有数据接口，数据存储、数据处理以及展示和数据下载功能，硬件软件的结合使用，可实现无人化的在线监测，大幅度提高监测效率和降低监测成本。
本实施例还公开一种巷道围岩全断面变形监测方法，包括以下步骤：
S1、在巷道断面顶板8中部安装顶板离层仪11，顶部离层仪上方的深部锚爪111固定在围岩深部稳定岩层中，下方连接的第一连接杆12沿的垂直于巷道断面方向设置；
S2、沿巷道顶部圆弧面径向间隔布置多根短锚杆2；
S3、在短锚杆2的外露端套接有卡扣3，在卡扣3的U形部31拧紧螺栓用以将卡扣3固定在短锚杆2上，并确保所有卡扣3平直部32朝向同一侧；
S4、从位于巷道断面最下端开始，沿朝靠近巷道断面中部的方向，在卡扣3的平直部32依次安装角度传感器和套接在角度传感器外侧的位移传感器，并利用第三销条73对位移变化采集模块5与角度变化采集模块6之间的连接处进行紧固，再利用第四销条74对角度变化采集模块6与卡扣3的平直部32之间的连接处进行紧固；
S5、将位移传感器端部的方形凸起部51与金属杆体4的方形槽42进行插接连接，利用销钉43对第一连接杆12和金属杆体4之间的连接处进行紧固；
S6、将金属杆体4的金属环卡接头41与其上部的短锚杆2的卡扣3的平直部32进行连接，利用第二销条72对短锚杆2与金属杆体4之间的连接处进行紧固；
S7、其余部件安装重复S4～S6步骤，直到从巷道断面底部安装至巷道断面顶板8；
S8、在巷道断面顶板8处顶板离层仪11下端的第一连接杆12的左右两端分别安装金属杆体4的金属环卡接头41，利用第一销条71对第一连接杆12和金属杆体4之间的连接处进行紧固；
S9、安装与位移变化采集模块5和角度变化采集模块6电连接的软件模块，根据数据处理方法计算出每个监测点相对顶部绝对位移模块1的上端在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将变形量在电脑终端显示。
本发明通过采用一种配备有顶板离层仪、角度变化采集模块和位移变化采集模块的监测机构，以及金属杆体和相应的紧固机构，再配合相应的软件模块，根据相应的数据处理方法计算出每个监测点相对顶部绝对位移模块的上端在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将变形量在电脑终端显示，可以提高监测效率，降低测量人员劳动强度，实现无人化监测，解决了现有收敛计法当中有效监测点位少、测量基准偏差大的问题和激光扫描法对环境要求较高的问题。
本发明监测单元的安装方向由巷道断面两帮向顶板中部延伸，直到顶板绝对位移采集模块1下端，这样可以缩短安装时间，由待测断面两帮同时向顶板中部安装，提升安装效率。
本实施例中，如图10～11所示，数据处理方法包括以下步骤：
S91、通过顶部离层仪测得其下端点的位移量；
S92、通过角度变化采集模块6和位移变化采集模块5测得巷道断面上各个监测点的角度和相邻两测点之间的位移变化量；
S93、根据顶部离层仪下端点的位移量，与其最近的位移变化采集模块5采集到的位移变化量和角度变化采集模块6采集到的角度，根据位移量、位移变化量和角度三者的几何关系计算出最接近的顶部离层仪监测点相对于顶部绝对位移模块1的上端的水平和竖直位移；
S94、再沿巷道断面从上到下的顺序依次根据相邻两个监测点的位移变化采集模块5采集到的位移变化量和角度变化采集模块6采集到的角度，计算下一个监测点相对上一个监测点的水平和竖直位移，并和之间的计算结果进行累加求和，最终得到各个监测点相对于顶部绝对位移模块1的上端的水平和竖直位移。
本实施例中，通过顶板绝对位移采集模块1测得围岩顶板下沉量ΔY0，且该值为绝对位移，再通过顶板绝对位移采集模块和安装在其下部的第一监测单元之间的几何关系，计算出相邻两个监测点的位移。本实施例第一监测单元包括位于顶板绝对位移采集模块1与其邻近短锚杆2之间的金属杆体4和位移变化采集模块5，第二监测单元包括位于巷道断面同一侧且离顶板绝对位移采集模块1最近的两个短锚杆2之间的金属杆体4和位移变化采集模块5。短锚杆2左右两侧的位移变化采集模块5和金属杆体与卡扣3上平直部32连接的地方分别依次错开，保证第一监测单元和第二监测单元均平行于巷道断面，接下来第三监测单元与第一监测单元在一个平面，第四监测单元与第二监测单元在一个平面，这样依次交错设置直至巷道断面两帮底端，完成所有监测单元的安装。
如图2和10所示，顶板下沉量用ΔY1表示，其数值可根据顶板离层仪测得，第一监测单元下端点水平和竖直方向位移分别用ΔX1、ΔY1表示，其表达式如下所示：
ΔX1＝D0cosθ0-D1cosθ1
ΔY1＝D0sinθ0-D1sinθ1+ΔY0
其中D0表示第一监测单元初始长度，D1表示围岩表面经历变形之后监测单元的长度，θ0表示第一角度变化采集模块的初始角度，θ1表示围岩经历变形后第一角度变化采集模块的角度，ΔX1表示变形后水平方向发生的位移，ΔY1表示竖直方向的变形位移。其中，D0、D1、θ0、θ1为以已知量，ΔX1、ΔY1是需要求解的未知量。就数据处理方法而言，以顶板绝对位移采集模块下端的点为起始点，分别向断面两侧进行计算，针对单测点和多测点可能出现的各种变形情况，提出相应的计算方法。其中ΔY0通过顶板绝对位移采集模块测得，可求得计算出ΔX1、ΔY1。
如图11所示，第二监测单元下端测点水平方向位移变化量ΔX2和竖直方向位移变化量ΔY2的表达式分别如下所示：
ΔX2＝D2cosθ2-D3cosθ3+ΔX1
ΔY2＝D2sinθ2-D3sinθ3+ΔY1
其中，D2为第二监测单元初始长度，D3为围岩经历变形之后第二监测单元的长度，θ2表示第二角度变化采集模块的初始角度，θ3表示围岩经历变形后第二角度变化采集模块的角度。
由上式可知ΔX、ΔY计算出的数值有正负之分。针对断面监测单元，若ΔX＞0，认为监测点的位移相对初始位置发生沿X轴负方向的位移；ΔX＜0，则认为其发生沿X轴正方向的位移；若ΔY＞0，认为监测点的位移相对初始位置发生沿Y轴正方向的位移；ΔY＜0，则其发生沿Y轴负方向的位移。
根据上述方法再依次算出各个监测点相对于顶部绝对位移模块1的上端(上端固定点)的水平和竖直位移，并以图表的形式将变形量在电脑终端显示。同时为保证各个监测点的监测数据的准确性，可由巷道断面两帮向顶板再进行一次验算，以验证该算法的正确性。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明实施例的保护范围。
Claims (10)
1.一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：包括设置在位于巷道中部上方的顶部绝对位移模块(1)，所述顶部绝对位移模块(1)的上端固设在围岩深部稳定岩层中，多根对称分布在所述顶部绝对位移模块(1)两侧且沿巷道顶部圆弧面径向间隔布置的短锚杆(2)；
每根所述短锚杆(2)的外露端均设置有卡扣(3)，所述短锚杆(2)与卡扣(3)相交部分的几何中心为监测点，所述相邻两个所述卡扣(3)之间设置用于监测相邻两个监测点的位移变化的可伸缩的位移变化采集模块(5)和固定在所述位移变化采集模块(5)端部的角度变化采集模块(6)，所述角度变化采集模块(6)固定设置在卡扣(3)上；
还包括设置在所述位移变化采集模块(5)和卡扣(3)之间以及所述位移变化采集模块(5)与顶部绝对位移模块(1)之间的金属杆体(4)，所述位移变化采集模块(5)与金属杆体(4)之间通过第一紧固机构进行固定连接；
所述角度变化采集模块(6)用于监测相邻两个监测点的角度变化，相邻两个卡扣(3)之间的位移变化采集模块(5)和金属杆体(4)平行于所述巷道的断面。
2.根据权利要求1所述的一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：所述顶部绝对位移模块(1)包括顶板离层仪(11)，所述顶板离层仪(11)上的深部锚爪(111)固定在围岩深部稳定岩层中，所述顶板离层仪(11)下端设置有沿垂直于巷道断面方向设置的第一连接杆(12)，所述第一连接杆(12)和金属杆体(4)之间设置有第二紧固机构，所述第二紧固机构包括设置在金属杆体(4)上的金属环卡接头(41)，所述金属环卡接头(41)上设置有用于套接在第一连接杆(12)上的金属环圆孔(411)，还包括设置在所述金属环圆孔(411)和第一连接杆(12)之间的第一销条(71)。
3.根据权利要求1所述的一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：所述卡扣(3)包括沿垂直于巷道断面方向布置且含有开口的U形部(31)和沿平行于巷道断面方向布置的呈长条状的平直部(32)，所述U形部(31)的开口大小与短锚杆(2)的外径尺寸相适配，所述U形部(31)的端部设置有固定所述短锚杆的螺杆紧固机构(33)，所述U形部(31)的开口方向朝向同一侧。
4.根据权利要求3所述的一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：所述平直部(32)和金属杆体(4)之间设置有第三紧固机构，所述第三紧固机构包括设置在金属杆体(4)上的金属环卡接头(41)，所述金属环卡接头(41)上设置有用于套接在平直部(32)上的金属环圆孔(411)，还包括设置在所述金属环圆孔(411)和平直部(32)的第二销条(72)。
5.根据权利要求3所述的一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：所述角度变化采集模块(6)的形状为圆环形，所述位移变化采集模块(5)上设置有与所述角度变化采集模块(6)外圆大小相匹配的圆孔，所述圆孔的内表面与角度变化采集模块(6)外圆之间设置有用于限制相互转动的第三销条(73)，所述角度变化采集模块(6)的内圆与卡扣(3)的平直部(32)外表面之间设置有第四销条(74)。
6.根据权利要求1所述的一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：所述第一紧固机构包括设置在所述位移变化采集模块(5)端部的方形凸起部(51)和设置在金属杆体(4)端部的方形槽(42)，所述方形凸起部(51)插入所述方形槽(42)内部，并在所述方形凸起部(51)和方形槽(42)之间设置有用于防止金属杆体(4)和位移变化采集模块(5)相互转动的销钉(43)。
7.根据权利要求1所述的一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：位于巷道断面顶部区域的金属杆体(4)的长度小于位于巷道断面两帮区域的金属杆体(4)的长度。
8.根据权利要求1所述的一种巷道围岩全断面变形监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括软件模块，所述软件模块与位移变化采集模块(5)和角度变化采集模块(6)电连接，所述软件模块用于接收所述位移变化采集模块(5)和角度变化采集模块(6)的位移变化数据，并根据数据处理方法计算出每个监测点相对在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将所述变形量在电脑终端显示。
9.一种巷道围岩全断面变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在巷道断面顶板(8)中部安装顶板离层仪(11)，所述顶部离层仪上方的深部锚爪(111)固定在围岩深部稳定岩层中，下方连接的第一连接杆(12)沿的垂直于巷道断面方向设置；
S2、沿巷道顶部圆弧面径向间隔布置多根短锚杆(2)；
S3、在所述短锚杆(2)的外露端套接有卡扣(3)，在所述卡扣(3)的U形部(31)拧紧螺栓用以将所述卡扣(3)固定在短锚杆(2)上，并确保所有卡扣(3)平直部(32)朝向同一侧；
S4、从位于巷道断面最下端开始，沿朝靠近巷道断面中部的方向，在卡扣(3)的平直部(32)依次安装角度传感器和套接在所述角度传感器外侧的位移传感器，并利用第三销条(73)对位移变化采集模块(5)与角度变化采集模块(6)之间的连接处进行紧固，再利用所述第四销条(74)对角度变化采集模块(6)与卡扣(3)的平直部(32)之间的连接处进行紧固；
S5、将位移传感器端部的方形凸起部(51)与金属杆体(4)的方形槽(42)进行插接连接，利用销钉(43)对所述第一连接杆(12)和金属杆体(4)之间的连接处进行紧固；
S6、将金属杆体(4)的金属环卡接头(41)与其上部的短锚杆(2)的卡扣(3)的平直部(32)进行连接，利用第二销条(72)对短锚杆(2)与金属杆体(4)之间的连接处进行紧固；
S7、其余部件安装重复S4～S6步骤，直到从巷道断面底部安装至巷道断面顶板(8)；
S8、在巷道断面顶板(8)处顶板离层仪(11)下端的第一连接杆(12)的左右两端分别安装金属杆体(4)的金属环卡接头(41)，利用第一销条(71)对所述第一连接杆(12)和金属杆体(4)之间的连接处进行紧固；
S9、安装与位移变化采集模块(5)和角度变化采集模块(6)电连接的软件模块，根据数据处理方法计算出每个监测点相对顶部绝对位移模块(1)的上端在水平和竖直方向的变形量，并以图表的形式将所述变形量在电脑终端显示。
10.根据权利要求9所述的一种巷道围岩全断面变形监测方法，其特征在于，所述数据处理方法包括以下步骤：
S91、通过所述顶部离层仪测得其下端点的位移量；
S92、通过所述角度变化采集模块(6)和位移变化采集模块(5)测得巷道断面上各个监测点的角度和相邻两测点之间的位移变化量；
S93、根据所述顶部离层仪下端点的位移量，与其最近的位移变化采集模块(5)采集到的位移变化量和角度变化采集模块(6)采集到的角度，根据所述位移量、位移变化量和角度三者的几何关系计算出最接近所述的顶部离层仪监测点相对于顶部绝对位移模块(1)的上端的水平和竖直位移；
S94、再沿巷道断面从上到下的顺序依次根据相邻两个监测点的位移变化采集模块(5)采集到的位移变化量和角度变化采集模块(6)采集到的角度，计算下一个监测点相对上一个监测点的水平和竖直位移，并和之间的计算结果进行累加求和，最终得到各个监测点相对于顶部绝对位移模块(1)的上端的水平和竖直位移。
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|---|---|---|---|
| CN202310577583.3A CN116772786A (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 一种巷道围岩全断面变形监测系统及其方法 |
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| CN202310577583.3A CN116772786A (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 一种巷道围岩全断面变形监测系统及其方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2023
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| CN117194868B (zh) * | 2023-11-06 | 2024-02-27 | 中国矿业大学(北京) | 围岩变形监测方法、装置、电子设备及存储介质 |
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