一种激光测量巷道顶板离层装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种巷道顶板离层监测装置及使用方法，具体是一种激光测量巷道顶板离层装置及其使用方法。

背景技术：

在煤矿生产中，顶板离层是巷道顶板事故的主要诱因之一，当巷道顶板离层量超过一定范围，如果不采取二次加固措施，便会发生顶板垮落事故。巷道顶板岩层与岩层之间容易产生离层；巷道围岩存在软弱节理面，当巷道受到拉应力及剪应力，节理面会发生离层。因此，对巷道顶板离层进行监测，以便了解巷道顶板离层发育情况及顶板稳定性，及时采取加固措施，从而有效的防止顶板垮落事故的发生，保障井下人员及财产安全。

目前，国内外最常用的顶板离层监测方式是在顶板内安装机械式顶板离层指示仪，通过离层指示仪所反映不同位置上的岩层位移作为离层量，这种测量方式得到的“离层量”不仅包括顶板的岩层间离层以及弱节理离层，还含有煤层开挖后，顶板岩层的弹塑性变形和遇水膨胀变形等，传统的机械式顶板离层指示仪无法精确测量巷道顶板的离层量。常用的钻孔窥视仪可以实现钻孔内部离层的可视化观测，但钻孔窥视仪只能通过肉眼粗略地观测离层形态，且无法观测离层内部的延伸长度，导致技术人员无法准确判断顶板稳定性，给巷道和采掘工程的安全性和可靠性带来很大的影响。

技术实现要素：

技术问题：为了克服现有技术中的不足，本发明的目的是为了提高巷道顶板离层探测精度，提高离层探测自动化程度，减少人为操作带来的误差，可靠性高，测量精度高，可实现自动探测的一种激光测量巷道顶板离层装置及使用方法。

技术方案：为能达到本发明的目的，通过如下技术方案实现：一种激光测量巷道顶板离层装置，其特征是：它由离层监测探头（1）、可控液压升降系统（2）和数据处理系统（5）构成。所述的离层监测探头由探头保护外壳（7）、发射光学窗口（8）、接收光学窗口（9）、激光发射装置（10）、光电转换装置（11）、数据传输装置（6）组成；所述的可控液压升降系统（2）由液压传动系统（3）、多节升降杆（4）组成；所述的数据处理系统（5）包括可控液压升降机位置控制子系统、离层监测探头控制子系统；所述的数据处理系统（5）通过数据传输装置（6）分别与可控液压升降系统（2）、离层监测探头（1）相连，由数据处理系统（5）处理数据并计算出激光的探测距离。

上述方案的优选方案是，所述的离层监测探头（1）下部有旋转结构，所述的离层监测探头（1）可360°旋转，可对钻孔各个方向进行探测。

上述方案的优选方案是，所述的发射光学窗口（8）及所述的接收光学窗口（9）为高透光率材质，以保护离层监测探头（1）内的电子元器件。

上述方案的优选方案是，所述的光电转换装置（11）与滤波电路相连接，滤波电路连接信号放大器，将接收到的光转换为电信号，并进行电信号增益。

一种激光测量巷道顶板离层装置的使用方法，包括以下内容：

（1）钻孔准备：在锚杆（18）支护巷道断面的顶板中部位置处，用液压钻机垂直于顶板钻出一个直径为40mm至50mm、长度为6m的钻孔（14），清理孔内的泥水与碎石，然后，将可控液压升降系统（2）及其上方的离层监测探头（1）置于钻孔正下方，将可控液压升降系统底座固定于巷道底板，多节升降杆（4）抬升离层监测探头（1）至顶板钻孔（14）初始位置。

（2）参数设置：在数据处理系统（5）内置的可控液压升降系统控制子系统中，设置多节升降杆（4）的最大上升距离为6m，即离层监测探头（1）所需探测的最大高度为6m，同时设置可控液压升降系统（2）的每次抬升的距离为1mm；在数据处理系统（5）内置的离层监测探头控制子系统中，离层监测探头（1）每次探测时间为2秒，重置离层监测探头（1）的初始角度为0°，离层监测探头每结束一次激光探测时，离层监测探头旋转45°。

（3）离层探测：

a、多节升降杆（4）抬升1mm，数据处理系统记录离层监测探头（1）位置及初始角度，多节升降杆（4）及微型电动机（12）保持静止2秒，这期间离层监测探头（1）向水平方向发出激光光束，并接收反射回来的激光光束，由数据处理系统（5）根据光在空气中的传播时间计算出探测距离。

b、保持多节升降杆（4）位置不变，通过微型电动机（12）带动离层监测探头（1）旋转45°，数据处理系统（5）记录离层监测探头（1）位置及所处角度，多节升降杆（4）及微型电动机（12）保持静止2秒，这期间再次进行激光的探测工作，并计算出此次探测距离。

c、重复b步骤直至离层监测探头（1）旋转一周，即完成了内某一竖直位置处，钻孔四周的离层测量；重复a、b步骤直至多节升降杆（4）的抬升距离达到所设置的探测最大值x，此时完成了对该钻孔的全部离层测量工作。

d、在靠近两帮位置处分别打第一离层检验钻孔（16）、第二离层检验钻孔（17），并完成两个钻孔的离层探测工作，用检验钻孔的测量结果与顶板中部钻孔的测量结果进行对比，保证离层探测结果的准确性。

（4）离层判别及计算

激光监测探头（1）所处顶板位置x0，离层监测探头（1）未进入顶板离层（13）区域时，激光的探测距离为发射光学窗口（8）至钻孔孔壁的长度l，在非离层区域内该长度理论上是一个定值。但考虑到现场实际情况，钻孔孔壁上存在破碎的岩块，导致孔壁表面凹凸不平，非离层区域内的激光探测距离会有小幅度波动，该探测距离的变化范围很小。离层监测探头（1）进入离层（13）区域，任意位置时的探测长度为l0。激光探测的距离会持续增大，增大到其最大值l1后，会快速减小至l，达到稳定，且激光探测的离层区域内距离远远大于发射光学窗口（8）至钻孔孔壁的长度l。激光探测的距离开始发生突然变化且探测距离持续增大的位置即为离层初始位置，此位置处的多节升降杆（4）抬升高度为x1；激光探测的距离由最大值逐渐减小到l时的位置即为离层终止位置，此位置处的多节升降杆（4）抬升高度为x2，由此可得到离层量y=x2-x1，离层的延伸半径即为激光探测的最大距离l1。

本发明具有以下有益效果：

（1）采用可控液压升降系统及监测探头旋转装置，可以探测出顶板离层的所处层位，顶板离层在竖直方向上的离层量，水平方向上的顶板离层延伸范围，实现了顶板钻孔范围内的顶板离层全方位精确测量。

（2）采用激光测量顶板离层量时，激光探测具有精度高、操作简单、可靠性高的特点，能够适应煤矿这种恶劣条件下的顶板离层测量。

（3）通过数据处理系统实现顶板离层的自动探测，减少人工操作工序，可以有效减小测量误差。

附图说明

图1为本发明的离层探测整体布置结构图；

图2为本发明的离层监测探头内部结构图；

图3为本发明的巷道顶板非离层区域探测初始位置示意图；

图4为本发明的巷道顶板离层区域探测进入离层区示意图；

图5为本发明的巷道顶板离层区域探测离开离层区示意图。

图中：1、离层监测探头；2、可控液压升降系统；3、液压传动系统；4、多节升降杆；5、数据处理系统；6、数据传输装置；7、探头保护外壳；8、发射光学窗口；9、接收光学窗口；10、激光发射装置；11、光电转换装置；12、微型电动机；13、顶板离层；14、钻孔；15、顶板岩层；16、第一离层检验钻孔；17、第二离层检验钻孔；18、锚杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

如图1所示，根据本发明的一种激光测量巷道顶板离层装置，它由离层监测探头（1）、可控液压升降系统（3）和数据处理系统（5）构成。

具体而言，离层监测探头（1）通过其底部的微型电动机（12），固定在多节升降杆（4）的上端头，多节升降杆（4）下端与液压传动系统（3）相连，由液压传动系统（3）驱动多节升降杆（4），从而实现离层监测探头（1）在竖直方向上的移动；沿着多节升降杆（4）内部含有数据传输装置（6），离层监测探头（1）通过该数据传输装置（6）与数据处理系统（5）进行信息交换，液压传动系统（3）通过数据传输装置（6）与数据处理系统（5）相连，数据处理系统（5）内部含有可控液压升降系统控制子系统，由该系统进行液压传动系统（3）的动作控制。

如图2所示，离层监测探头（1）主要包括探头保护外壳（7）、发射光学窗口（8）、接收光学窗口（9）、激光发射装置（10）、光电转换装置（11）、微型电动机（12）。

具体而言，发射光学窗口（8）与激光发射装置（10）前端相连接，激光发射装置（10）通过数据传输装置（6）与数据处理系统（5）连接，由数据处理系统（5）内置的离层监测探头控制子系统控制激光光束的发射，激光发射装置发出的激光光束穿过发射光学窗口（8），沿水平方向照射至离层（13）位置；接收光学窗口（9）与光电转换装置（11）前端相连，光电转换装置（11）与滤波电路前端相连，滤波电路与信号放大器前端连接，信号放大器通过数据传输装置（4）与数据处理系统（5）连接，由离层位置反射的激光光束穿过接收光学窗口（9），经光电转换装置（11）转换为电信号，电信号经过滤波电路的整流与信号放大器的放大，输入至数据处理系统（5），并根据激光传播时间，计算出激光的探测距离。

优选的，根据本发明的一个实施例，如图2所示，离层监测探头（1）底部安装有微型电动机（12），该微型电动机（12）使离层监测探头（1）以竖直中心线为轴，可旋转360°探测钻孔（14）一周。

根据本发明实施例的一种激光测量巷道顶板离层装置的使用方法，具体包括以下内容：

（1）钻孔准备：在锚杆支护巷道断面的顶板中部位置处，用液压钻机垂直于顶板钻出一个直径为40mm至50mm、长度为6m的钻孔（14），清理孔内的泥水与碎石，然后，将可控液压升降系统（2）及其上方的离层监测探头（1）置于钻孔正下方，将可控液压升降系统底座固定于巷道底板，多节升降杆（4）抬升离层监测探头（1）至顶板钻孔（14）初始位置。

（2）参数设置：在数据处理系统（5）内置的可控液压升降控制子系统中，输入多节升降杆（4）的最大上升距离6m，即离层监测探头（1）所需探测的最大高度6m，同时设置多节升降杆（4）的每次抬升的距离1mm；在数据处理系统（5）内置的离层监测探头控制子系统中，离层监测探头（1）每次探测时间为2秒，重置离层监测探头（1）的初始角度为0°，每结束一次激光探测时，离层监测探头（1）旋转45°。

（3）离层探测：

a、多节升降杆（4）抬升1mm，数据处理系统（5）记录离层监测探头（1）位置及初始角度，多节升降杆（4）及微型电动机（12）保持静止2秒，这期间离层监测探头（1）向水平方向发出激光光束，并接收反射回来的激光光束，由数据处理系统（5）根据光在空气中的传播时间计算出探测距离。

b、保持多节升降杆（4）位置不变，通过微型电动机（12）带动离层监测探头（1）旋转45°，数据处理系统（5）记录离层监测探头（1）位置及所处角度，多节升降杆（4）及微型电动机（12）保持静止2秒，这期间再次进行激光的，探测工作，并计算出此次探测距离。

c、重复b步骤直至离层监测探头（1）旋转一周，即完成了内某一竖直位置处，钻孔四周的离层测量；重复a、b步骤直至多节升降杆（4）的抬升距离达到所设置的探测最大值x，此时完成了对该钻孔的全部离层测量工作。

d、在靠近两帮位置处分别打第一离层检验钻孔（16）、第二离层检验钻孔（17），并完成两个钻孔的离层探测工作，用检验钻孔的测量结果与顶板中部钻孔的测量结果进行对比，保证离层探测结果的准确性。

（4）离层判别及计算

如图3所示，激光监测探头（1）所处顶板位置x0，离层监测探头（1）未进入离层区域时，激光的探测距离为发射光学窗口（8）至钻孔孔壁的长度l，在非离层区域内该长度理论上是一个定值。但考虑到现场实际情况，钻孔孔壁上存在破碎的岩块，导致孔壁表面凹凸不平，非离层区域内的激光探测距离会有小幅度波动，该探测距离的变化范围很小。

如图4所示，离层监测探头（1）进入离层（13）区域任意位置时的探测长度为l0。激光探测的距离会持续增大，增大到其最大值l1后，会快速减小至l，达到稳定，且激光探测的离层区域内距离远远大于发射光学窗口（8）至钻孔孔壁的长度l。激光探测的距离开始发生突然变化且探测距离持续增大的位置即为离层初始位置，此位置处的多节升降杆（4）抬升高度为x1；激光探测的距离由最大值逐渐减小到l时的位置即为离层终止位置，此位置处的多节升降杆（4）抬升高度为x2，由此可得到离层量y=x2-x1，离层的延伸范围即为激光探测的最大距离l1。

通过以上的具体实施，本发明提供了一种激光测量巷道顶板离层装置及使用方法，采用的激光测具有高精度，高可靠性，同时井下测量安全、方便，可以探测出顶板离层所处的具体位置、离层量以及离层在水平方向上的延伸长度，真正实现巷道顶板离层的精确测量。本发明能够准确快速的获得顶板岩层变形情况，为围岩条件复杂多变的巷道顶板维护及二次加固施工提供依据，在锚网支护巷道的安全施工、顶板围岩变形机理研究等方面具有重要意义。