一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法
【专利摘要】一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法，属于岩层变形位移监测安全预警领域。该系统由锚头、钢丝张拉线、位移数据采集仪集中盘、太阳能蓄电池、无线信号发射装置、计算机数据处理终端、预警系统组成。岩层发生沉降时，其位移增量可由位移数据采集仪集中盘上的位移数据采集仪进行数据采集，采集的数据通过无线信号发射装置传输到计算机数据处理终端，数据处理后反馈到预警系统。预警系统可以把预警结果通过无线网络传输发送到手机，达到安全监测预警的目的。本发明用于监测岩体沿钻孔轴向的位移增量，每个钻孔中最多可以安装测点20个，最大钻孔深度可达600m，特别适用于煤矿开采等大型地下开挖工程诱发地表沉降监测预警。
【专利说明】一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩层变形位移监测安全预警领域，提供了一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法。
【背景技术】
[0002]矿山深部开采致使采空区使上覆岩层原始平衡应力遭到破坏，长时间在自重条件下形成断裂弯曲、垮落，岩层产生位移直至地表，造成地表沉降，使地表构(建)筑物损坏及一系列的安全问题。对于这些深部矿产资源的开采引起岩层位移及地表下沉及其所带来的问题，业内尤为关注，地表沉降及坍塌灾害预警关键是掌握岩层位移数据。因此，对于研究解决深部岩层移动诱使地表沉降及坍塌灾害预警问题，获得直观的岩层内部位移数据则显得尤为重要。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了监测岩层及地表沉降位移数据，解决了深部开采上覆岩层移动、地表沉降及坍塌预警难题。
[0004]本发明提供的深孔张拉式多点位移监测预警系统最大监测深度可达600m，整个深孔多点位移监测预警系统包括以下部分:锚头1、钢丝张拉线2、承压弹簧3、位移数据采集仪集中盘4、位移数据采集仪5、无线信号发射装置6、无线信号接收装置7、模数转换器8、计算机9、报警装置10、工业modemll、手机12、GPS定位仪13、太阳能蓄电池14、太阳能电池板15、混凝土铸件16、通讯电缆17、输电电缆18;位移数据采集仪集中盘4上的位移数据采集仪5能实时采集深部岩层及地表沉降位移，采集的位移数据通过无线信号发射装置6无线传输到无线信号接收装置7，经过模数转换器8进行模数转换，数据经计算机9处理之后反馈到报警装置10进行预警，把预警结果通过工业modeml I及时发送到手机12。
[0005]所述锚头I为由三个用弹簧张紧的经过热处理的锚爪组成。锚头I的个数最多可达20个，各个锚头I是根据钻孔深度均匀分布固定于钻孔内的，每个锚头I的重量为300g，通过锚头I自重锤安装到钻孔内指定的锚固点，向上拉钢丝张拉线2，使锚头I锚爪固定在孔壁上，把钢丝张拉线2固定到位移数据采集仪5上。
[0006]所述钢丝张拉线2直径为0.5mm,长度根据钻孔深度要求，最大可达600米，具备重量轻、高强度、变形小、可塑性低等特点，分布在钻孔内指定设计位置，每根钢丝张拉线2 —端连接一个锚头I，另一端连接着位移数据采集仪5，钢丝张拉线2处于绷紧状态，保持一定的常张力。
[0007]所述位移数据采集仪5布置在位移数据采集仪集中盘4上，位移数据采集仪集中盘4是根据锚头I个数确定直径尺寸范围为500mm — 700mm的钢制圆盘，厚度为5mm。位移数据采集仪集中盘4由位移数据采集仪5、GPS定位仪13等组成。位移数据采集仪5与无线信号发射装置6相连，每一个位移数据采集仪5均通过通讯电缆17与无线信号发射装置6相连。位移数据采集仪5采集岩层监测点位移增量数据，采集到的数据经无线信号发射装置6传输至计算机数据处理终端。数据经计算机处理、分析后，达到预警值时，通过无线电把数据以短信息的方式发送到手机12。GPS定位仪13能监测位移数据采集仪集中盘4因岩层移动而发生的位移变化。太阳能蓄电池14保证位移数据采集仪集中盘4、GPS定位仪13及无线信号发射装置6的能量需求。
[0008]所述计算机数据处理终端包括无线信号接收装置7、模数转换器8、计算机9，能对接收到的相关位移数据进行处理后直接反馈到预警系统。
[0009]所述预警系统为数据处理预警软件、报警装置10、工业modemll、手机12，预警系统接收到来自计算机数据处理终端的位移增量数据，该数据若超出所设定的预警值，则发生预警，并把预警信息发送到手机12。在报警装置10产生报警信息之后，工作人员能够及时对所监测位置岩层产生的过大的位移做出相应的处理措施。
[0010]本发明提供的一种深孔张拉式多点位移监测预警系统施工方法包括如下步骤:
[0011](I)确定监测区域及地面硬化:确定所要监测岩层移动变形的区域，根据地形条件确定钻孔的位置，然后在指定的钻孔位置进行地面硬化以便于安装位移数据采集仪集中盘4、太阳能蓄电池14等；
[0012](2)钻孔开挖:根据监测区域的深度确定钻孔的深度，从而确定锚头I数量；根据锚头I数量确定钻孔的直径和位移数据采集仪集中盘4的直径；钻孔的深度和直径确定后，用钻机在指定的位置打钻孔；打钻时钻孔深度最大值不超过600m，钻孔倾斜度不能超过1% ；
[0013](3)洗孔:打好钻孔后，因孔内留有岩硝和泥杂质，用清水进行洗孔，将孔内的杂质清洗干净，使下放锚头I时能顺利到达指定位置；
[0014](4)安装锚头I和钢丝张拉线2:根据现场钻孔所揭示的地层条件确定锚固点位置；按照设计开始安装锚头1，锚头I由三个用弹簧张紧的经过热处理的锚爪所组成，锚头I下部连接一个重约2Kg的自重锤，锚头I上部连接到标有刻度的钢丝张拉线2上；通过自重锤和钢丝张拉线向下放，然后拉紧钢丝张拉线2使锚爪上的弹簧张开，锚爪锚固到指定位置；待锚头I锚固到指定位置后，将钢丝张拉线2临时固定，所有锚头固定好后，依次将钢丝张拉线2连接到位移数据采集仪5上；安装深孔锚头时，钻孔深度要比最深处的锚头深Im ；
[0015](5)位移数据采集仪集中盘4安装及固定:位移数据采集仪集中盘4是根据锚头I的个数确定直径尺寸D范围为500mm—700mm的钢制圆盘,厚度为5mm ;位移数据采集仪集中盘4通过混凝土铸件16和承压弹簧3固定在已硬化的地面上；承压弹簧3具有重量轻、高强度、变形小、可塑性低的特点，提供常张力，可以保证位移数据采集仪集中盘4不发生大的变形；根据锚头I个数安装位移数据采集仪5，使每个锚头I对应的位移数据采集仪5全固定于位移数据采集仪集中盘4上，并将每个锚头I所对应的钢丝张拉线2铰接到对应的位移数据采集仪5上；
[0016](6)安装GPS定位仪13、无线信号发射装置6及太阳能蓄电池14:将GPS定位仪13安装在位移数据采集仪集中盘4上，并安装无线信号发射装置6和太阳能蓄电池14 ;无线信号数据发射装置6通过通讯电缆17与位移数据采集仪5连接，使得数据能被无线信号发射装置6读取并以无线信号的方式发射至计算机数据处理终端；同时，通过输电电缆18连接所有的位移数据采集仪5、GPS定位仪13和无线信号发射装置6，并进行调试，保证位移数采集仪5、无线信号发射装置6及GPS定位仪13能正常工作；GPS定位仪13主要是实时监测位移数据采集仪集中盘因地层移动而产生的位移；
[0017](7)计算机数据处理终端安装及调试:安装无线信号接收装置7，为确保无线信号接收装置7能接收到无线信号发射装置6发射的信号，须保证无线信号接收装置7与无线信号发射装置6间隔的距离不超过2km ;通过通讯电缆17依次将无线信号接收装置7、模数转换器8、计算机9连接，安装好之后进行调试；
[0018](8)预警系统的安装及调试:将短信报警软件安装在计算机9上，设置报警规则和相关参数，报警装置10直接与计算机9连接，工业modeml I连接到报警装置10，安装在计算机9上的短信报警软件能对实时采集的监测数据处理、分析，在计算机9上显示并绘制数据曲线；若位移数据达到软件设置的位移预警值，报警装置10将启动，工业modemll将报警信息发送到管理人员的手机12上，方便管理人员及时了解和处理报警情况。
[0019]本发明能够准确的自动监测出深层岩体沿钻孔轴向的位移变化，特别是大型地下采空区上覆岩层位移变化及地表沉降数据，并达到监测、收集数据、反馈信息自动化的程度精确可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明深孔张拉式多点位移监测系统图。
[0021]图2为本发明深孔张拉式多点位移监测预警系统网络结构图。
[0022]图3为本发明位移数据采集仪集中盘图。
[0023]图中:1一锚头；2—钢丝张拉线；3—承压弹簧；4一位移数据米集仪集中盘；5—位移数据采集仪；6—无线信号发射装置；7—无线信号接收装置；8—模数转换器；9一计算机；10—报警装置；11—工业modem; 12—手机；13—GPS定位仪；14一太阳能蓄电池；15—太阳能电池板；16—混凝土铸件；17—通讯电缆；18—输电电缆。
【具体实施方式】
[0024]为进一步描述本发明，以下结合附图对本发明深孔张拉式多点位移预警系统结构做进一步说明。结合图示，以下是完成该深孔张拉式多点位移预警系统安装的具体流程:
[0025](I)确定监测区域及地面硬化:确定所要监测岩层移动变形的区域，根据地形条件确定钻孔的位置，然后在指定的钻孔位置进行地面硬化以便于安装位移数据采集仪集中盘
4、太阳能蓄电池14等；
[0026](2)钻孔开挖:如图1、3所示，根据监测区域的深度确定钻孔的深度L，从而确定锚头I数量N ;根据锚头I数量N确定钻孔的直径d和位移数据采集仪集中盘4的直径D ;钻孔的深度L和直径d确定后，用钻机在指定的位置打钻孔；打钻时钻孔深度L最大值不超过600m，钻孔倾斜度不能超过1% ；
[0027](3)洗孔:打好钻孔后，因孔内留有岩硝和泥杂质，用清水进行洗孔，将孔内的杂质清洗干净，使下放锚头I时能顺利到达指定位置；
[0028](4)安装锚头I和钢丝张拉线2:根据现场钻孔所揭示的地层条件确定锚固点位置；按照设计开始安装锚头1，锚头I由三个用弹簧张紧的经过热处理的锚爪所组成，锚头I下部连接一个重约2Kg的自重锤，锚头I上部连接到标有刻度的钢丝张拉线2上；通过自重锤和钢丝张拉线向下放，然后拉紧钢丝张拉线2使锚爪上的弹簧张开，锚爪锚固到指定位置；待锚头I锚固到指定位置后，将钢丝张拉线2临时固定，所有锚头固定好后，依次将钢丝张拉线2连接到位移数据采集仪5上；安装深孔锚头时，钻孔深度要比最深处的锚头深Im ；
[0029](5)位移数据采集仪集中盘4安装及固定:如图3所示，位移数据采集仪集中盘4是根据锚头I个数确定直径尺寸D范围为500mm — 700mm的钢制圆盘，厚度为5mm ;位移数据采集仪集中盘4通过混凝土铸件16和承压弹簧3固定在已硬化的地面上；承压弹簧3具有重量轻、高强度、变形小、可塑性低的特点，提供常张力，可以保证位移数据采集仪集中盘4不发生大的变形；根据锚头I个数安装位移数据采集仪5，使每个锚头I对应的位移数据采集仪5全固定于位移数据采集仪集中盘4上，并将每个锚头I所对应的钢丝张拉线2铰接到对应的位移数据采集仪5上；
[0030](6)安装GPS定位仪13、无线信号发射装置6及太阳能蓄电池14:将GPS定位仪13安装在位移数据采集仪集中盘4上，并安装无线信号发射装置6和太阳能蓄电池14 ;无线信号数据发射装置6通过通讯电缆17与位移数据采集仪5连接，使得数据能被无线信号发射装置6读取并以无线信号的方式发射至计算机数据处理终端；同时，通过输电电缆18连接所有的位移数据采集仪5、GPS定位仪13和无线信号发射装置6，并进行调试，保证位移数采集仪5、无线信号发射装置6及GPS定位仪13能正常工作；GPS定位仪13主要是实时监测位移数据采集仪集中盘因地层移动而产生的位移；
[0031](7)计算机数据处理终端的安装及调试:安装无线信号接收装置7，为确保无线信号接收装置7能接收到无线信号发射装置6发射的信号，须保证无线信号接收装置7与无线信号发射装置6间隔的距离不超过2km ;通过通讯电缆17依次将无线信号接收装置7、模数转换器8、计算机9连接，安装好之后进行调试；
[0032](8)预警系统的安装及调试:将短信报警软件安装在计算机9上，设置报警规则和相关参数，报警装置10直接与计算机9连接，工业modeml I连接到报警装置10，安装在计算机9上的短信报警软件能对实时采集的监测数据处理、分析，在计算机9上显示并绘制数据曲线；若位移数据达到软件设置的位移预警值，报警装置10将启动，工业modemll将报警信息发送到管理人员的手机12上，方便管理人员及时了解和处理报警情况。
【权利要求】
1.一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法，其特征在于:包括以下部分:锚头(I)、钢丝张拉线(2)、承压弹簧(3)、位移数据采集仪集中盘(4)、位移数据采集仪(5)、无线信号发射装置(6)、无线信号接收装置(7)、模数转换器(8)、计算机(9)、报警装置(10)、工业modem (11)、手机(12)、GPS定位仪(13)、太阳能蓄电池(14)、太阳能电池板(15)、混凝土铸件(16)、通讯电缆(17)、输电电缆(18);锚头(I)均匀锚固在钻孔内，锚头(I)经钢丝张拉线(2)连接到测点位移数据采集仪集中盘(4)中的位移数据采集仪(5)上，位移增量由位移数据采集仪(5)通过无线信号发射装置(6)无线传输到无线信号接收装置(7),经过模数转换器(8)进行模数转换，数据经计算机(9)处理之后反馈到报警装置(10)进行预警，把预警结果通过工业modem (11)及时发送到手机(12)。
2.如权利要求1所述的一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法，其特征在于:锚头(I)由三个用弹簧张紧的经过热处理的锚爪组成，连接到钢丝张拉线(2)上，在地表把钢丝张拉线(2)铰接在位移数据采集仪(5)上。
3.如权利要求1所述的一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法，其特征在于:深孔张拉式多点位移监测预警系统其量程分为三个等级，分别为O— 2m、0— 5m、0—IOm ;分辨率为0.5mm,安装深度为O~600m，锚头数为I~20个；根据锚头个数可确定的钻孔直径范围为100—300mm，锚头长度110_330mm，锚头重量300g ;根据锚头个数可确定的位移数据采集仪集中盘(4)直径的范围为500— 700mm，重量为20kg，钢丝张拉线直径0.5mm,长度根据钻孔长度为10-600米。
4.如权利要求1所述的一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法，其特征在于:位移数据采集仪(5)固定在位移数据采集仪集中盘(4)上，位移数据采集仪集中盘(4)由位移数据采集仪(5)和GPS定位仪(13)组成。
5.如权利要求1所述的一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法，其特征在于:计算机数据处理终端包括无线信号接收装置(7)、模数转换器(8)、计算机(9)，预警系统包括数据处理预警软件、报警装置(10 )、工业modem (11)、手机(12 )。
6.如权利要求1所述的一种深孔张拉式多点位移监测预警系统及施工方法，其特征在于:所述施工方法包括如下步骤: (1)确定监测区域及地面硬化:确定所要监测岩层移动变形的区域，根据地形条件确定钻孔的位置，然后在指定的钻孔位置进行地面硬化以便于安装位移数据采集仪集中盘(4)和太阳能蓄电池(14)； (2)钻孔开挖:根据监测区域的深度确定钻孔的深度，从而确定锚头(I)数量；根据锚头(I)数量确定钻孔的直径和位移数据采集仪集中盘(4)的直径；钻孔的深度和直径确定后，用钻机在指定的位 置打钻孔；打钻时钻孔深度最大值不超过600m，钻孔倾斜度不能超过1% ； (3)洗孔:打好钻孔后，因孔内留有岩硝和泥杂质，用清水进行洗孔，将孔内的杂质清洗干净，使下放锚头(I)时能顺利到达指定位置； (4)安装锚头(I)和钢丝张拉线(2):根据现场钻孔所揭示的地层条件确定锚固点位置；按照设计开始安装锚头(1)，锚头(I)由三个用弹簧张紧的经过热处理的锚爪所组成，锚头Cl)下部连接一个重约2Kg的自重锤，锚头(I)上部连接到标有刻度的钢丝张拉线(2)上；通过自重锤和钢丝张拉线向下放，然后拉紧钢丝张拉线(2)使锚爪上的弹簧张开，锚爪锚固到指定位置；待锚头(I)锚固到指定位置后，将钢丝张拉线(2)临时固定，所有锚头固定好后，依次将钢丝张拉线(2)连接到位移数据采集仪(5)上；安装深孔锚头时，钻孔深度要比最深处的锚头深Im ； (5)位移数据采集仪集中盘(4)安装及固定:位移数据采集仪集中盘(4)是根据锚头(O的个数确定直径尺寸范围为500_—700mm的钢制圆盘,厚度为5mm ;位移数据采集仪集中盘(4)通过混凝土铸件(16)和承压弹簧(3)固定在已硬化的地面上；承压弹簧(3)具有重量轻、高强度、变形小、可塑性低的特点，提供常张力，可以保证位移数据采集仪集中盘(4)不发生大的变形；根据锚头(I)个数安装位移数据采集仪(5)，使每个锚头(I)对应的位移数据采集仪(5)全固定于位移数据采集仪集中盘(4)上，并将每个锚头(I)所对应的钢丝张拉线(2)铰接到对应的位移数据采集仪(5)上； (6)安装GPS定位仪(13)、无线信号发射装置(6)及太阳能蓄电池(14):将GPS定位仪(13)安装在位移数据采集仪集中盘(4)上，并安装无线信号发射装置(6)和太阳能蓄电池(14);无线信号数据发射装置(6)通过通讯电缆(17 )与位移数据采集仪(5 )连接，使得数据能被无线信号发射装置(6)读取并以无线信号的方式发射，至计算机数据处理终端；同时，通过输电电缆(18 )连接所有的位移数据采集仪(5 )、GPS定位仪(13 )和无线信号发射装置(6)，并进行调试，保证位移数采集仪(5)、无线信号发射装置(6)及GPS定位仪(13)能正常工作； (7)计算机数据处理终端安装及调试:安装无线信号接收装置(7)，为确保无线信号接收装置(7 )能接收到无线信号发射装置(6 )发射的信号，须保证无线信号接收装置(7 )与无线信号发射装置(6)间隔的距离不超过2km;通过通讯电缆(17)依次将无线信号接收装置CO、模数转换器(8)、计算机(9·)连接，安装好之后进行调试； (8)预警系统的安装及调试:将短信报警软件安装在计算机(9)上，设置报警规则和相关参数，报警装置(10)直接与计算机(9)连接，工业modem (11)连接到报警装置(10)，安装在计算机(9)上的短信报警软件能对实时采集的监测数据处理、分析，在计算机(9)上显示并绘制数据曲线；若位移数据达到软件设置的位移预警值，报警装置(10)将启动，工业modem (11)将报警信息发送到管理人员的手机(12)上，方便管理人员及时了解和处理报警情况。
【文档编号】G01B21/02GK103591915SQ201310606728
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】王春来, 王福利, 卢辉, 张光晨, 李炜强, 刘超, 刘畅, 李长江, 邵永珍 申请人:中国矿业大学(北京)