CN117367301A - 巷道围岩收敛变形监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种巷道围岩收敛变形监测方法，包括：步骤一，在巷道断面上采用十字布点法设置至少三个标志点，取中心点为基准点构建笛卡尔坐标系，在同一巷道断面上的任意位置处设置激光测点，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度与倾角，得到激光测点的坐标和各个标志点的坐标；步骤二，在巷道断面上设置巷道边缘关键点，计算巷道边缘关键点的坐标，根据多个巷道边缘关键点的坐标绘制巷道图形，得到巷道围岩收敛变形后的断面形状。本发明采用十字布点法配套激光测试装置，能够任意设置测点，快速测量巷道顶板下沉、底鼓、两帮移近量，具有测量数据少、操作难度小、劳动强度低、测量准确率高等优点。

Description

巷道围岩收敛变形监测方法
技术领域
本发明涉及巷道围岩收敛变形监测。更具体地说，本发明涉及一种巷道围岩收敛变形监测方法。
背景技术
巷道围岩收敛测量是工程必测项目。巷道开挖后，在围岩应力作用下周边围岩及支护将产生变形，使用专用测量仪器测得可量测出顶板下沉、底鼓、巷道两帮移近量。采用十字布点法进行巷道围岩收敛变形监测，在巷道顶板、底板中垂线方向和两帮腰线水平方向设置标志点，如图1所示，a、b为两帮腰线的标志点，c、d为顶板、底板的标志点，a、b和c、d连线中点o为基准点，co的变化量是顶板下沉量，od的变化量是底鼓量，ao、bo的变化量分别是两帮移近量。一种方法是采用惯导方法确定每次测量的基准点，然后使用激光测距仪等设备测量基准点到隧道表面距离，计算隧道收敛变形，然而由于巷道表面同时收敛变形，确定每次测量的基准点是一件繁琐、困难的工作。另一种方法是在巷道横截面上埋设反光靶标配套电子全站仪测量测点的三维坐标，计算每两个测点间的三维距离，不同期次测得的三维距离值与第一次测得的三维距离值之差为该两测点之间测线的收敛值，每次测量时需要准确获得电子全站仪测试位置的坐标，对于巷道来说，每次获得全站仪准确坐标也是一件困难的事情。因此，简化测量程序并保持测量精度是本申请亟在解决的技术难题。
发明内容
本发明提供一种巷道围岩收敛变形监测方法，其采用十字布点法配套激光测试装置，能够任意设置测点，快速测量巷道顶板下沉、底鼓、两帮移近量，具有测量数据少、操作难度小、劳动强度低、测量准确率高等优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种巷道围岩收敛变形监测方法，包括：
步骤一，在巷道断面上采用十字布点法设置至少三个标志点，取中心点为基准点构建笛卡尔坐标系，在同一巷道断面上的任意位置处设置激光测点，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度与倾角，得到激光测点的坐标和各个标志点的坐标；
步骤二，在巷道断面上设置巷道边缘关键点，从激光测点向巷道边缘关键点发射激光并测量激光射线的长度与倾角，计算巷道边缘关键点的坐标，根据多个巷道边缘关键点的坐标绘制巷道图形，得到巷道围岩收敛变形后的断面形状。
优选的是，激光测点位于巷道断面的中心或非中心处。
优选的是，标志点的数量为三个时，分别位于巷道的顶板中心、两帮腰线，标志点包括两帮腰线相对设置的第一标志点、第二标志点以及巷道的顶板中心单独设置的第三标志点，基准点为第一标志点、第二标志点的连线与第三标志点的铅垂线的交点。
优选的是，标志点的数量为四个时，分别位于巷道的顶板和底板中心、两帮腰线，标志点包括两帮腰线相对设置的第一标志点、第二标志点以及巷道的顶板和地板中心相对设置的第三标志点、第四标志点，基准点为第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点的十字连线的中心交点。
优选的是，第三标志点的铅垂线与巷道边缘的交点假设为第四标志点，激光测点不在第一标志点、第二标志点的连线以及第三标志点的铅垂线上时，根据激光测点分别至第一标志点、第二标志点的激光射线的长度与倾角，计算激光测点于第一标志点、第二标志点的连线垂足的长度，根据激光测点分别至第三标志点的激光射线的长度与倾角，计算激光测点于第三标志点的铅垂线的垂足的长度，从而计算第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点分别至基准点的距离，得到激光测点的坐标以及第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点的坐标。
优选的是，在非巷道断面上设置激光测点，取激光测点在巷道断面上的投影点，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度与仰角、倾角，计算各个标志点至投影点的距离，进而计算投影点的坐标和各个标志点的坐标；
在巷道断面上设置巷道边缘关键点，从激光测点向巷道边缘关键点发射激光并测量激光射线的长度与仰角、倾角，计算巷道边缘关键点至投影点的距离，根据投影点的坐标，得到巷道边缘关键点的坐标。
优选的是，监测方法基于激光测试装置实现的，所述激光测试装置包括三脚架、支座、轴、手轮、激光测距仪、数据采集装置，通过所述手轮转动所述轴使所述激光测距仪旋转发射激光，数据采集装置记录激光射线的长度与仰角、倾角，计算顶板下沉、底鼓、巷道两帮移近量，根据巷道边缘关键点坐标绘制巷道断面形状。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、本发明采用十字布点法设置标志点，配套激光测试装置，能够任意设置激光测点，测量激光测点和标志点的坐标，并测量巷道边缘关键点的坐标，绘制巷道围岩的断面形状，进行收敛变形前后监测，快速测量巷道顶板下沉、底鼓、两帮移近量，具有测量数据少、操作难度小、劳动强度低、测量准确率高等优点。
第二、本发明无论是设置三个标志点还是四个标志点，无论是在巷道断面或非巷道断面，均可以采用标志点和激光测点(或投影点)的坐标，可最大程度适应各种监测环境，绘制巷道围岩的断面形状，方法简单可行，避免大型设备带来的实验误差，可操作性强，经济效益高，具有广泛的适用性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为现有技术十字布点法的示意图；
图2为本发明的一种技术方案的激光测点在同一巷道断面时位于c的铅垂线上的监测原理图；
图3为本发明的一种技术方案的激光测点在同一巷道断面且偏离线段ab、cd时的监测原理图；
图4为本发明的一种技术方案的激光测点在同一巷道断面且偏离线段ab、c的铅垂线时的监测原理图；
图5为本发明的激光测点在非巷道断面时的监测原理图；
图6为本发明的激光测试装置的正视图；
图7为本发明的激光测试装置的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置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。
本发明提供一种巷道围岩收敛变形监测方法，包括：
步骤一，如图1所示，在巷道断面上采用十字布点法设置至少三个标志点，取中心点为基准点构建笛卡尔坐标系，当标志点数量为三个时，分别位于巷道的顶板中心、两帮腰线，可以选择两帮腰线连线与顶班中心中垂线的交点，当标志点数量为四个时，可以选择顶板和底板中心、两帮腰线十字连线交点，在同一巷道断面上的中心点或非中心点处设置激光测点，中心点处时，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度，可以直接读取各个标志点的坐标，非中心点即激光测点不取决于标志点的位置，为巷道断面的任意点，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度与倾角，根据激光射线的长度与倾角计算得到各线段长度，以基准点坐标为(0,0)，得到激光测点的坐标和各个标志点的坐标；
步骤二，在巷道断面上设置巷道边缘关键点，巷道边缘关键点的数量为一个或多个，根据监测对象的特征和监测需求选择，从激光测点向巷道边缘关键点发射激光并测量激光射线的长度与倾角，根据激光射线的长度与倾角计算得到各线段长度，基于激光测点的坐标计算巷道边缘关键点的坐标，根据多个巷道边缘关键点的坐标绘制巷道图形，得到巷道围岩收敛变形后的断面形状。
在上述技术方案中，本发明采用十字布点法设置标志点，配套激光测试装置，能够任意设置激光测点，测量激光测点和标志点的坐标，并测量巷道边缘关键点的坐标，绘制巷道围岩的断面形状，进行收敛变形前后监测，快速测量巷道顶板下沉、底鼓、两帮移近量，具有测量数据少、操作难度小、劳动强度低、测量准确率高等优点。
在另一种技术方案中，标志点的数量为三个时，分别位于巷道的顶板中心、两帮腰线，标志点包括两帮腰线相对设置的第一标志点、第二标志点以及巷道的顶板中心单独设置的第三标志点，基准点为第一标志点、第二标志点的连线与第三标志点的铅垂线的交点。如果不能在巷道(隧道)底板直接设置标志点，可在巷道(隧道)顶板设置标志点竖直向下模拟设置铅锤标志点，并不影响测量精度。
在另一种技术方案中，标志点的数量为四个时，分别位于巷道的顶板和底板中心、两帮腰线，包括相对设置的第一标志点、第二标志点以及相对设置的第三标志点、第四标志点，基准点为第一标志点、第二标志点以及第三标志点、第四标志点的十字连线交点。在底板上也设置标志点时，能够简化激光射线与铅垂线的检查步骤。
无论是否设置第四标志点都不影响测量方法。当标志点的数量为三个时，第三标志点的铅垂线与巷道边缘的交点假设为第四标志点。
(1)激光测点在第一标志点、第二标志点的连线上时，直接读取激光测点的坐标。
(2)激光测点在第三标志点的铅垂线上时，以三个标志点为例，如图2所示，激光测距仪10初始位置的激光发射线和标志点c的铅垂线重合，即激光测距仪10垂直放置时激光线和标志点c的铅垂线重合。激光测点g和标志点a、b、c分布同一个巷道断面内，激光测点g位于标志点c的铅垂线上，a、b和标志点c的铅垂线交点o的坐标为(0,0)，可在巷道(隧道)顶板设置标志点c竖直向下模拟设置铅垂标志点d，依次测量线段ga长度(g点到a点距离)和ga角度(激光测距仪10激光射线的倾角)，线段gb长度和gb角度，线段gc长度。在⊿ago中，根据直角三角形的函数公式分别计算得ao、go的长度；同理，在⊿bgo中，得bo长度。假设o的坐标为(0,0)，直线ab、c的铅垂线相交为笛卡尔坐标系，得g点坐标，激光测距仪10继续测试巷道(隧道)表面h点，得gh的长度和角度，已知g点坐标、gh的长度和角度，计算得h点坐标，同理可以获得p点坐标，依次类推，可以得到巷道(隧道)边缘关键点得坐标，根据关键点坐标可以绘制巷道(隧道)图形，得收敛变形后的断面形状。)
(3)激光测点不在第一标志点、第二标志点的连线以及第三标志点的铅垂线上时，根据激光测点分别至第一标志点、第二标志点的激光射线的长度与倾角，计算激光测点于第一标志点、第二标志点的连线垂足的长度，根据激光测点分别至第三标志点的激光射线的长度与倾角，计算激光测点于第三标志点的铅垂线的垂足的长度，从而计算第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点分别至基准点的距离，得到激光测点的坐标以及第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点的坐标。
情形一：如图3所示，标志点为四个时，激光测点g和标志点a、b、c、d分布同一个巷道断面内，激光测点g位于线段ab、cd之外，a、b和c、d交点o的坐标为(0,0)，依次测量线段ga长度(g点到a点距离)和ga角度(激光测距仪10激光射线的倾角)，线段gb长度和gb角度，线段gc长度和gc角度，线段gd长度和gd角度。在△agb中，已知ga、gb的长度和角度，过g作ab边的垂线ge，e为垂足，则在⊿age中，根据直角三角形的函数公式分别计算得ae和ge的长度；同理，在⊿bge中，得be长度；在△cgd中，已知gc、gd的长度和角度，过g做cd边的垂线gf，f为垂足，在⊿cgf中，得cf和gf的长度，在⊿dgf得df长度。ao＝ae+gf；bo＝ab-ao；co＝cf-ge，do＝cd-co；假设o的坐标为(0,0)，直线ab、cd相交为笛卡尔坐标系，得g点坐标，激光测距仪10继续测试巷道(隧道)表面h点，得gh的长度和角度，已知g点坐标、gh的长度和角度，计算得h点坐标，同理可以获得p点坐标，依次类推，可以得到巷道(隧道)边缘关键点得坐标，根据关键点坐标可以绘制巷道(隧道)图形，得收敛变形后的断面形状。
情形二：如图4所示，标志点为三个时，激光测点g和标志点a、b、c分布同一个巷道断面内，激光测点g位于线段ab、c的铅垂线之外，a、b和c点铅垂线交点o的坐标为(0,0)，可在巷道(隧道)顶板设置标志点c竖直向下模拟设置铅垂标志点d，依次测量线段ga长度(g点到a点距离)和ga角度(激光测距仪10激光射线的倾角)，线段gb长度和gb角度，线段gc长度和gc角度。在△agb中，已知ga、gb的长度和角度，过g作ab边的垂线ge，e为垂足，则在⊿age中，根据直角三角形的函数公式分别计算得ae和ge的长度；同理，在⊿bge中，得be长度；过g做cd边的垂线gf，f为垂足，在⊿cgf中，已知gc的长度和角度，得cf和gf的长度。ao＝ae+gf；bo＝ab-ao；co＝cf-ge，do＝cd-co；假设o的坐标为(0,0)，直线ab、cd相交为笛卡尔坐标系，得g点坐标，激光测距仪10继续测试巷道(隧道)表面h点，得gh的长度和角度，已知g点坐标、gh的长度和角度，计算得h点坐标，同理可以获得p点坐标，依次类推，可以得到巷道(隧道)边缘关键点得坐标，根据关键点坐标可以绘制巷道(隧道)图形，得收敛变形后的断面形状。
在另一种技术方案中，在非巷道断面上设置激光测点，取激光测点在巷道断面上的投影点，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度与仰角、倾角，计算各个标志点至投影点的距离，进而计算投影点的坐标和各个标志点的坐标；
在巷道断面上设置巷道边缘关键点，从激光测点向巷道边缘关键点发射激光并测量激光射线的长度与仰角、倾角，计算巷道边缘关键点至投影点的距离，根据投影点的坐标，得到巷道边缘关键点的坐标。
在上述技术方案中，如图5所示，当标志点的数量为四个时，分别位于巷道的顶板、底板、两帮，如果激光测点g和标志点a、b、c、d不能分布同一个巷道断面内，在非巷道断面上设置激光测点g测，根据空间几何关系，g测在abcd平面投影为g点，g点位于线段ab、cd之外，依次测量线段g测a长度(g测到a点距离)和g测a角度(激光测距仪10激光射线的仰角)，线段g测b长度和g测b角度，线段g测c长度和g测c角度，线段g测d长度和g测d角度，可以得到线段ga，gb，gc，gd长度。根据ga角度(激光测距仪10激光射线的倾角)，gb角度，gc角度，gd角度，可以依据上述方法得到g点坐标。同理可以得到h和p点的坐标。计算顶板下沉、底鼓、巷道两帮移近量和巷道(隧道)关键点坐标，绘制断面形状。
同理，当标志点的数量为三个时，分别位于巷道的顶板中点、两帮腰线，如果激光测点g和标志点a、b、c不能分布同一个巷道断面内，在非巷道断面上设置激光测点g测，根据空间几何关系，g测在abc平面投影为g点，g点位于标志点c的铅垂线上，依次测量线段g测a长度(g测到a点距离)和g测a角度(激光测距仪10激光射线的仰角)，线段g测b长度和g测b角度，线段g测c长度和g测c角度，可以得到线段ga，gb，gc长度。根据ga角度(激光测距仪10激光射线的倾角)，gb角度，gc角度，可以依据上述方法得到g点坐标。同理可以得到h和p点的坐标。计算顶板下沉、底鼓、巷道两帮移近量和巷道(隧道)关键点坐标，绘制断面形状。
在上述技术方案中，无论是设置三个标志点还是四个标志点，无论是在巷道断面或非巷道断面，均可以采用标志点和激光测点(或投影点)的坐标，可最大程度适应各种监测环境，绘制巷道围岩的断面形状，方法简单可行，避免大型设备带来的实验误差，可操作性强，经济效益高，具有广泛的适用性。
在另一种技术方案中，监测方法基于激光测试装置实现的，所述激光测试装置包括三脚架9、支座4、轴5、手轮2、激光测距仪10、数据采集装置，通过所述手轮2转动所述轴5使所述激光测距仪10旋转发射激光，数据采集装置记录激光射线的长度与仰角、倾角，计算顶板下沉、底鼓、巷道两帮移近量，根据巷道边缘关键点坐标绘制巷道断面形状。如图6-7所示，主要包括三脚架9、激光测距仪10、支座4、测距仪座1、轴5、手轮2、滚花螺母3、螺母6、激光测距仪10、托盘7、数据采集装置，手轮2通过紧定螺钉固定在轴5上，滚花螺母3螺纹连接轴5，固定轴5的旋转角度，测距仪座1螺纹连接轴5，螺母6拧紧固定测距仪座1和轴5的相对位置，激光测距仪10放在测距仪座1的凹槽内，锁紧螺钉8锁紧激光测距仪10，防止激光测距仪10脱落。手轮2转动轴5，轴5带动360度旋转激光测距仪10，测量巷道(隧道)关键点的距离和倾角，计算坐标。数据采集装置记录激光测距仪10每次的测量距离、倾角、仰角等数据，然后计算顶板下沉、底鼓、巷道两帮移近量和巷道(隧道)关键点坐标，绘制断面形状。设备结构简单，方法行之有效，数据准确。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.巷道围岩收敛变形监测方法，其特征在于，包括：
步骤一，在巷道断面上采用十字布点法设置至少三个标志点，取中心点为基准点构建笛卡尔坐标系，在同一巷道断面上的任意位置处设置激光测点，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度与倾角，得到激光测点的坐标和各个标志点的坐标；
步骤二，在巷道断面上设置巷道边缘关键点，从激光测点向巷道边缘关键点发射激光并测量激光射线的长度与倾角，计算巷道边缘关键点的坐标，根据多个巷道边缘关键点的坐标绘制巷道图形，得到巷道围岩收敛变形后的断面形状。
2.如权利要求1所述的巷道围岩收敛变形监测方法，其特征在于，激光测点位于巷道断面的中心或非中心处。
3.如权利要求1所述的巷道围岩收敛变形监测方法，其特征在于，标志点的数量为三个时，分别位于巷道的顶板中心、两帮腰线，标志点包括两帮腰线相对设置的第一标志点、第二标志点以及巷道的顶板中心单独设置的第三标志点，基准点为第一标志点、第二标志点的连线与第三标志点的铅垂线的交点。
4.如权利要求1所述的巷道围岩收敛变形监测方法，其特征在于，标志点的数量为四个时，分别位于巷道的顶板和底板中心、两帮腰线，标志点包括两帮腰线相对设置的第一标志点、第二标志点以及巷道的顶板和地板中心相对设置的第三标志点、第四标志点，基准点为第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点的十字连线的中心交点。
5.如权利要求3所述的巷道围岩收敛变形监测方法，其特征在于，第三标志点的铅垂线与巷道边缘的交点假设为第四标志点，激光测点不在第一标志点、第二标志点的连线以及第三标志点的铅垂线上时，根据激光测点分别至第一标志点、第二标志点的激光射线的长度与倾角，计算激光测点于第一标志点、第二标志点的连线垂足的长度，根据激光测点分别至第三标志点的激光射线的长度与倾角，计算激光测点于第三标志点的铅垂线的垂足的长度，从而计算第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点分别至基准点的距离，得到激光测点的坐标以及第一标志点、第二标志点、第三标志点、第四标志点的坐标。
6.如权利要求1～5任一项所述的巷道围岩收敛变形监测方法，其特征在于，在非巷道断面上设置激光测点，取激光测点在巷道断面上的投影点，从激光测点向各个标志点发射激光并测量激光射线的长度与仰角、倾角，计算各个标志点至投影点的距离，进而计算投影点的坐标和各个标志点的坐标；
在巷道断面上设置巷道边缘关键点，从激光测点向巷道边缘关键点发射激光并测量激光射线的长度与仰角、倾角，计算巷道边缘关键点至投影点的距离，根据投影点的坐标，得到巷道边缘关键点的坐标。
7.如权利要求6所述的巷道围岩收敛变形监测方法，其特征在于，监测方法基于激光测试装置实现的，所述激光测试装置包括三脚架、支座、轴、手轮、激光测距仪、数据采集装置，通过所述手轮转动所述轴使所述激光测距仪旋转发射激光，数据采集装置记录激光射线的长度与仰角、倾角，计算顶板下沉、底鼓、巷道两帮移近量，根据巷道边缘关键点坐标绘制巷道断面形状。
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