地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法
【专利摘要】地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法，其特征在于：包括非金属超声波检测仪（1）、换能器（11）、耦合固定装置（4）、主控计算机（5）以及声光报警装置（6），换能器（11）通过耦合固定装置（4）固定在围岩（7）表面，换能器（11）通过电缆与非金属超声波检测仪（1）相连，非金属超声波检测仪（1）与主控计算机（5）相连，主控计算机（5）连接有声光报警装置（6），本发明采用超声脉冲反射回波法对围岩内部进行监测，无需对围岩进行钻孔，耦合过程也非常简单，同时还具有检测灵敏度高、可对缺陷定位精确、操作方便、适用范围广等优点。
【专利说明】地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法
【技术领域】
[0001]地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法，属于矿业和岩土工程安全检测与监控【技术领域】。具体涉及一种采用超声脉冲反射回波法对围岩内部进行监测，同时在布置监测探头时，无需对围岩进行破坏即可实现探头固定的地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法。
【背景技术】
[0002]地下工程和矿山井下存在围岩片帮、底鼓、顶板冒落及岩爆动力灾害等危险，其中尤以冒顶或顶板事故最突出，其对工作人员和设备构成了直接威胁，而且影响工程进度，还能造成支护失效，甚至地震。仅从2012年初到2013年11月底，粗略统计冒顶或顶板事故就发生了 30余起，死亡110多人，因此，围岩安全问题亟待解决。
[0003]要保证安全必须针对上述问题的发生进行事先预防和预警，需要对围岩状态进行监测监控。目前关于围岩监测主要有围岩变形监测(可细分为表面位移监测、顶板离层和松动范围监测)、巷道支架载荷监测、巷道围岩的应力监测以及针对以上监测开发的实时动态监测的仪器设备比如有顶板动态监测系统、顶板在线监测系统等，单纯的围岩位移监测、支架压力监测和应力监测难以真正反映围岩内部的变化情况即损伤演化情况，因此监测监控及预警效果不理想，围岩顶板事故依然占事故较大比重，针对围岩的声发射监测，其安装监测过程相对繁琐复杂而且费用高，对整个安装质量的要求也较高，监测数据的后期分析复杂和不方便，实际使用效果并不理想，有必要探寻新的有效监测与预警技术。
[0004]超声波透射法对岩体内部密度的变化、内部缺陷、裂缝均有很灵敏的反应，其能反映围岩内部的变化情况即损伤演化情况，目前常用于矿井围岩松动圈的测试中，但此种方法必须对围岩钻孔，然后在孔内进行超声波测试并且需要用水做耦合剂，安装测试过程麻烦且不宜用于长期监测，同时，钻孔过程也会对围岩造成损伤影响测试结果。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种采用超声脉冲反射回波法对围岩内部进行监测，无需对围岩进行钻孔，可实现无损伤监测同时具有极高监测精度的地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法，其特征在于:包括非金属超声波检测仪、换能器、耦合固定装置、主控计算机以及声光报警装置，换能器通过耦合固定装置固定在围岩表面，换能器通过电缆与非金属超声波检测仪相连，非金属超声波检测仪与主控计算机相连，主控计算机连接有声光报警装置，
具体检测步骤如下:
步骤1001，通过电缆将非金属超声波检测仪与换能器相连；
将非金属超声波检测仪的发射和接收接口通过电缆与换能器实现连接； 步骤1002，通过耦合固定装置将换能器与监测区围岩紧密结合；
将耦合剂均匀涂抹在换能器的表面，通过耦合固定装置使换能器与围岩紧密结合并固定在监测区围岩的表面；
步骤1003，非金属超声波检测仪与主控计算机及声光报警装置相互通讯；
开机并启动软件，将非金属超声波检测仪与主控计算机连接并实现相互通信，将主控计算机与声光报警装置连接并相互通信；
步骤1004，主控计算机与非金属超声波检测仪对围岩实施监测和分析；
实施测试，由非金属超声波检测仪与主控计算机对监测到的围岩的声波波形进行实时记录和分析；
步骤1005，主控计算机与非金属超声波检测仪判断是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式；
主控计算机通过对由非金属超声波检测仪监测到的围岩声波波形的实时分析，得到声波波幅及频谱特征的变化规律，判断其是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，执行步骤1006，同时返回步骤1004 ;如果未超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤1004 ；
步骤1006，主控计算机以及声光报警装置进行报警；
主控计算机报警并启动声光报警装置发出预警。
[0007]所述的换能器包括用于发射超声波的磁致伸缩发射换能器和用于接收超声波的回波接收换能器。
[0008]所述的耦合固定装置包括固定钉、固定架以及橡胶垫，固定架为中部弯折形成矩形凹槽的板状部件，矩形凹槽的两侧边的顶端均向外设置有一个水平的固定边，矩形凹槽的底部托住换能器的下端使涂有耦合剂的换能器的顶端紧贴在围岩的下表面后通过固定钉将固定架固定在围岩表面，橡胶垫放置在固定架与换能器的底部之间。
[0009]所述的耦合剂为黄油、甘油或粗糙表面耦合剂。
[0010]与现有技术相比，本发明的所具有的有益效果是:
1、非钻孔无损伤监测、自动化程度高:通过超声波脉冲回波法监测，无需对围岩进行钻孔，实现了对围岩的无损监测，由主控计算机程序及声波检测仪实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，自动化程度进一步增强，节省了人力、物力；
2、监测数据实时、可靠、应用范围广:超声波监测受外界的干扰影响小，使得监测到的数据更真实可靠；主控计算机程序及声波检测仪可实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，实现了对围岩的全程控实时监测；对围岩的超声波脉冲回波实时监测适用于所有的围岩灾害领域预测预报；
3、安装、操作与后期分析简单:通过超声波脉冲回波法监测无需钻孔，只需将换能器与监测区围岩表面通过耦合剂耦合并固定，其工序简单，实施方便，整个监测过程具有简单、易于操作的特点，不影响工程的正常进行。超声波监测的后期分析包括声波幅及频谱特征等的变化规律，后期分析相对简单，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式即发出预警，进一步确保工作人员和设备的安全。
[0011]4、脉冲反射法与透射法比较，换能器布置在围岩表面，无需对围岩钻孔，耦合过程也非常简单，同时还具有检测灵敏度高、可对缺陷定位精确、操作方便、适用范围广等优点。【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法结构示意图。
[0013]图2为固定耦合装置结构示意图。
[0014]图3为地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法监测流程图。
[0015]其中:1、非金属超声波检测仪2、磁致伸缩发射换能器3、回波接收换能器4、耦合固定装置5、主控计算机6、声光报警装置7、围岩8、固定钉9、固定架10、耦合剂11、换能器12、橡胶垫13、液压支柱。
【具体实施方式】
[0016]图f 3是本发明的最佳实施例，下面结合附图f 3对本发明做进一步说明。
[0017]本发明的地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法采用超声脉冲反射回波法对围岩内部进行监测。超声脉冲反射回波法是由超声探头发射脉冲波到围岩内部，通过观察来自内部缺陷反射波的情况来对围岩内部进行检测的方法。如图1所示，包括非金属超声波检测仪1、磁致伸缩发射换能器2、回波接收换能器3、耦合固定装置4、主控计算机5以及声光报警装置6。磁致伸缩发射换能器2和回波接收换能器3分别通过耦合固定装置4固定在围岩7表面。磁致伸缩发射换能器2回波接收换能器3通过电缆与非金属超声波检测仪I相连，非金属超声波检测仪I与主控计算机5相连，主控计算机5连接有声光报警装置6，非金属超声波检测仪I与主控计算机5及声光报警装置6相互通信。磁致伸缩发射换能器2向围岩7内发射脉冲超声波，回波接收换能器3接收返回的超声波信号并将接收到的超声波信号返回至非金属超声波检测仪I内，非金属超声波检测仪I与主控计算
机5对监测到的围岩7的声波波形进行实时记录和分析，并可控制声光报警装置6进行报
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[0018]如图2所示，耦合固定装置4包括固定钉8、固定架9以及橡胶垫12。固定架9为中部弯折形成矩形凹槽的板状部件，矩形凹槽的两侧边的顶端均向外设置有一个水平的固定边。固定架9中部的矩形凹槽的底部托住换能器11的下端使换能器11的顶端紧贴在围岩7的下表面，在固定架9与换能器11的底部之间设置有起到缓冲和保护的作用的橡胶垫12。在换能器11的顶部与围岩7之间均匀涂有耦合剂10，通过耦合剂10将换能器11与围岩7之间的空隙填满，保证换能器11与被监测围岩表面之间有良好的耦合，同时通过固定架9向上给予换能器11 一定的压力，将换能器11和围岩7之间多余的耦合剂10排出，在换能器11和围岩7之间形成较薄的耦合层，减少声波通过耦合层的时间，提高测量精度。通过固定架9将换能器11固定完成之后，使用固定钉8将固定架9两端水平的固定边固定在围岩7表面。当围岩7的表面与地面距离较大时，可同时采用液压支柱13将固定架9固定在围岩7的表面。换能器11包括上述的磁致伸缩发射换能器2和回波接收换能器3。
[0019]如图3所示，本发明的地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法包括如下步骤:
步骤1001，通过电缆将非金属超声波检测仪I与换能器11相连；
将非金属超声波检测仪I的发射接口通过电缆与磁致伸缩发射换能器2实现连接，将非金属超声波检测仪I的接收接口通过电缆与回波接收换能器3实现连接； 步骤1002，通过耦合固定装置4将换能器11与监测区围岩7紧密结合；
将耦合剂10均匀涂抹在磁致伸缩发射换能器2和回波接收换能器3的表面，通过耦合固定装置4使磁致伸缩发射换能器2和回波接收换能器3与围岩紧密结合并固定在监测区围岩7的表面，磁致伸缩发射换能器2和回波接收换能器3二者间距尽可能小呈紧密布置；步骤1003，非金属超声波检测仪I与主控计算机5及声光报警装置6相互通讯；
开机并启动软件，将非金属超声波检测仪I与主控计算机5连接并实现相互通信，将主控计算机5与声光报警装置6连接并相互通信；
步骤1004，主控计算机5与非金属超声波检测仪I对围岩7实施监测和分析；
实施测试，由非金属超声波检测仪I与主控计算机5对监测到的围岩7的声波波形进行实时记录和分析；
步骤1005，主控计算机5与非金属超声波检测仪I判断是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式；
主控计算机5通过对由非金属超声波检测仪I监测到的围岩7声波波形的实时分析，得到声波波幅及频谱特征的变化规律，判断其是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，执行步骤1006，同时返回步骤1004 ;如果未超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤1004 ；
步骤1006，主控计算机5以及声光报警装置6进行报警；
主控计算机5报警并启动声光报警装置6发出预警。
[0020]在本发明中，耦合剂10可通过黄油、甘油或粗糙表面耦合剂实现。
[0021]每组磁致伸缩发射换能器2和回波接收换能器3设置间距应尽量小，同时可根据需要设置多组，通过主控计算机5或非金属超声波检测仪I对多组监测结果进行实时监测和分析。
[0022]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法，其特征在于:包括非金属超声波检测仪(I)、换能器(11)、耦合固定装置(4)、主控计算机(5)以及声光报警装置(6)，换能器(11)通过稱合固定装置(4)固定在围岩(7)表面,换能器(11)通过电缆与非金属超声波检测仪(I)相连，非金属超声波检测仪(I)与主控计算机(5)相连，主控计算机(5)连接有声光报警装置(6)， 具体检测步骤如下: 步骤1001，通过电缆将非金属超声波检测仪(I)与换能器(11)相连； 将非金属超声波检测仪(I)的发射和接收接口通过电缆与换能器(11)实现连接； 步骤1002，通过耦合固定装置(4)将换能器(11)与监测区围岩(7)紧密结合； 将耦合剂(10)均匀涂抹在换能器(11)的表面，通过耦合固定装置(4)使换能器(11)与围岩(7)紧密结合并固定在监测区围岩(7)的表面； 步骤1003，非金属超声波检测仪(I)与主控计算机(5 )及声光报警装置(6 )相互通讯；开机并启动软件，将非金属超声波检测仪(I)与主控计算机(5)连接并实现相互通信，将主控计算机(5)与声光报警装置(6)连接并相互通信； 步骤1004，主控计算机(5)与非金属超声波检测仪(I)对围岩(7)实施监测和分析； 实施测试，由非金属超声波检测仪(I)与主控计算机(5)对监测到的围岩(7)的声波波形进行实时记录和分析； 步骤1005，主控计算机(5)与非金属超声波检测仪(I)判断是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式； 主控计算机(5)通过对由非金属超声波检测仪(I)监测到的围岩(7)声波波形的实时分析，得到声波波幅及频谱特征的变化规律，判断其是否超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，执行步骤1006，同时返回步骤1004 ；如果未超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤1004 ； 步骤1006，主控计算机(5)以及声光报警装置(6)进行报警； 主控计算机(5 )报警并启动声光报警装置(6 )发出预警。
2.根据权利要求1所述的地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法，其特征在于:所述的换能器(11)包括用于发射超声波的磁致伸缩发射换能器(2)和用于接收超声波的回波接收换能器(3 )。
3.根据权利要求1所述的地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法，其特征在于:所述的耦合固定装置(4)包括固定钉(8)、固定架(9)以及橡胶垫(12)，固定架(9)为中部弯折形成矩形凹槽的板状部件，矩形凹槽的两侧边的顶端均向外设置有一个水平的固定边，矩形凹槽的底部托住换能器的下端使涂有耦合剂(10)的换能器的顶端紧贴在围岩(7)的下表面后通过固定钉(8)将固定架(9)固定在围岩(7)表面，橡胶垫(12)放置在固定架(9)与换能器(11)的底部之间。
4.根据权利要求1或3所述的地下工程围岩灾害非钻孔超声波无损实时监测方法，其特征在于:所述的耦合剂(10)为黄油、甘油或粗糙表面耦合剂。
【文档编号】G01N29/04GK103728374SQ201410007087
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】张晓君, 张春旺 申请人:山东理工大学