一种深部软岩巷道变形量的监测方法与流程

本发明属于矿山安全技术领域，具体涉及一种深部软岩巷道变形量的监测方法。

背景技术：

在矿山深部开采过程中往往会带来高温、高压、高应力的扰动，导致巷道围岩的变形量日益加大，特别是对于地质条件较差的软岩，其变形量更是难以准确估测，导致巷道支护难度更大，而且由于各矿山地质条件不同，即使同一矿山不同中段巷道地质条件存在差异，支护参数无法统一标准。由于软岩支护没有统一的支护标准参数，必须根据现场条件获取关键的支护参数，而软岩支护变形量和变形时间是支护计算的重要基础参数。现有监测手段主要采用巷道收敛计、表面位移计，各传感器之间相互独立，对于软岩变形量大、蠕变时间长，时间效应影响大的情况适用效果差，部分采用固定测点定时激光测量的方法，测量方法简单方便，但是无法做到实时测量，因此，不能准确获取变形发生的时间，难以掌握软岩巷道蠕变时间规律，对支护方式与支护参数的选取无法提供合理的依据，导致支护强度不足多次返修，或支护过度材料浪费造成经济损失。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以实时监测巷道变形量的深部软岩巷道变形量的监测方法，解决目前难以掌握软岩巷道蠕变时间规律的问题。

本发明这种深部软岩巷道变形量的监测方法，包括以下步骤：

1)钻孔：巷道的掘进当头选取监测点，接着在巷道的顶板、两帮进行钻孔施工；

2)安装测斜管：将测斜管放置于钻孔内，测斜管对称的两个槽口应垂直巷道表面放置，另外两个对称槽口平行于巷道表面，接着在测斜管和钻孔围岩壁之间高压注水泥砂浆，使测斜管周围形成混凝土结构，测斜管完全固定在钻孔内，然后测量测斜管方位角及钻孔孔口坐标并记录测量数据；

3)安装滑动式测斜仪：在测斜管内安装滑动式测斜仪，将滑动式测斜仪的探头导轮卡置在测斜管的槽口中，再将探头导轮放置到测斜管最深处，使得测斜仪中最底部的传感器的位于测斜管底部，其中探头导轮垂直巷道表面方向安装，安装完毕后，将测斜仪的数据线引出并封盖好测斜管；

4)连接采集系统：将步骤3)中测斜仪的数据线与相对应的采集系统相连，在采集系统中设置自动采集，每隔设定时间，采集滑动式测斜仪测得的角度值，接着采集系统根据测得的角度值，转换成位移值，实现巷道位移的实时监测。

所述步骤1)中，钻孔的数量为4～6个，钻孔与巷道掘进面夹角为45度，钻孔深度为5m，钻孔直径为90mm。

所述步骤2)中，测斜管的长度为5m，测斜管的直径为70mm。

所述步骤3)中，滑动式测斜仪包括有智能电子芯片组，装配有两组探头导轮不锈钢连接杆，可拆卸式底部缓冲垫，传感器和万向节；不锈钢连接杆为空心管，其内部设置3个传感器；每两个传感器之间通过万向节连接；传感器与智能电子芯片组通过电缆连接；智能电子芯片组装配于不锈钢连接杆的顶部；不锈钢连接杆底部固定连接有可拆卸式底部缓冲垫。

所述的传感器为双轴倾角3dmems传感器，传感器的个数为3个，可测两个方向的位移值；智能电子芯片组为型号jmjl-1021rd；两组探头导轮的间距l为500mm。

所述步骤4)中，采集系统为jmzx-32a/ab数据采集系统，设定时间为1min。

所述步骤4)中，滑动式测斜仪测得两组探头导轮的倾斜角θ1和θ2，则连接杆的部分的水平位移可处理为δi＝l/2*sinθ1+l/2*sinθ2。

本发明的有益效果：1)采用本发明的方法，可以测量临空巷道面的变形量，也可以同时测量垂直巷道临空面的内部位移，可以真实反应巷道围岩内部位移的变化规律，确定合理的支护参数和合适的支护时机。2)本发明的滑动式测斜仪中有若干个传感器，每个传感器准确授时，定时采集数据，数据采集频率可以降低到每分钟测量，达到实时采集的效果，同时，通过准确授时可以获得一个时间点所有传感器回传的位移值，对于巷道围岩蠕变时相互影响关系分析十分重要。3)发明采用滑动式测斜仪传感器和实时采集系统自动采集测量数据，既可以测量临空巷道面的变形量，也可以同时测量垂直巷道临空面的内部位移，可以真实反应巷道围岩内部位移随时间蠕变的变化规律，因此，针对深部开采的软岩巷道支护设计的关键参数实时精准获取，针对不同地质条件下的软岩巷道支护设计提供了关键参数获取的理想方法。

附图说明

图1本实施例中的钻孔布置侧视示意图；

图2本实施例中的钻孔布置主视示意图；

图3本实施例中的安装示意图；

图4本实施例安装示意图的俯视图；

图5本实施例中滑动式测斜仪的结构示意图；

图6滑动式测斜仪位移计算原理图；

图7位移变化曲线示意图；其中正负号代表位移数据的正反方向；

其中：1巷道，2钻孔，3测斜管，4混凝土，5滑动式测斜仪，6数据采集系统，7位移量；8孔口；9孔底；

31槽口，51探头导轮，52、智能电子芯片组，53数据线，54不锈钢连接管，55可拆卸式底部缓冲垫，56传感器，57万向节。

具体实施方式

钻孔：在巷道(1)的掘进当头，待掘进爆破后完成出渣时选监测点，在顶板、两侧帮施工5个钻孔(2)，其钻孔的分布如图1和2所示，在顶板上有3个钻孔(2)，两侧帮各有1个钻孔(2)，钻孔(2)与巷道(1)掘进面夹角为45度，钻孔(2)深度为5m(也可根据围岩条件或松动圈自行选择)，钻孔(2)直径90mm。

安装测斜管：在钻孔内安装测斜管(3)，如图3所示，测斜管(3)底部为圆锥状，安装时，测斜管(3)对称的两个槽口应垂直巷道(1)表面放置，将测斜管放置好之后，在测斜管(3)和钻孔(2)围岩壁之间高压注水泥砂浆，使测斜管(3)周围形成混凝土结构(4)，测斜管(3)完全固定在钻孔(2)内，接着测量测斜管方位角及钻孔孔口坐标并记录测量数据。

组装滑动式测斜仪：本实施例中的滑动式测斜仪(5)的结构如图4所示，包括有智能电子芯片组(52)，装配有两组探头导轮(51)不锈钢连接杆(54)，可拆卸式底部缓冲垫(55)，3个传感器(56)和2个万向节(57)；不锈钢连接杆(54)为空心管，其内部设置有3个传感器(56)；每两个传感器(56)之间通过万向节(57)连接；传感器(56)与智能电子芯片组(52)通过电缆连接；智能电子芯片组(52)装配于不锈钢连接杆(54)的顶部；不锈钢连接杆底部固定连接有可拆卸式底部缓冲垫(5-5)。3个传感器(56)与万向节(57)的总长为700mm，两组探头导轮的间距l为500mm。所述的传感器(56)为3dmems传感器，该传感器内有3d-mems倾角芯片，其内部倾角芯片的硅电容感应元件由3层硅片构成，形成立体结构，当传感器发生倾斜时，中间质量片会倾向某一侧，从而使两侧的电容发生变化，通过电压值可反映相应的加速度值，通过测量静态重力加速度的变化，将其转换成倾角变化，进而计算角度值。

安装滑动式测斜仪：滑动式测斜仪(5)的安装如图3和图5所示，将滑动式测斜仪(5)的探头导轮(51)卡置在测斜管(3)的槽口(31)中，再将探头导轮(51)放置到测斜管最深处，使得滑动式测斜仪中最底部的传感器(56)的位于测斜管底部，其中探头导轮(51)垂直巷道表面方向安装，安装完毕后，将滑动式测斜仪(5)数据线(53)引出并封盖好测斜管。

连接采集系统：本实施例中采集系统(6)的型号为jmzx-32a/ab数据采集系统，滑动式测斜仪(5)型号为jmqj-7415的数据线(53)共有4条，其中红线为电源正极线，黑线为电源负极线；白线为通讯线a极，绿线为通讯线b极。将滑动式测斜仪(5)的红、黑线接到采集系统(6)的电源输出端，白、绿线接到数据采集系统(6)的rs485输出端。采集系统(6)的的电源输入端接12v直流电源，rs485输入端直接连接采集系统接出的rs485转换器，设置总线采集系统实现无人值守后台自动采集数据，系统设置每1分钟采集数据一次。

当巷道发生变形通过测斜管和测斜仪的探头组件传递给测斜仪的传感器，然后通过智能电子芯片组输出给数据采集系统，从而实现变形量的实时监测。

监测角度数据计算位移量：滑动式测斜仪采用自动数据采集系统，当支护岩体达到稳定期时可以回收测斜仪，继续在巷道掘进断面当头循环利用，也可以设置多个断面同时采集数据，提高监测数据的可靠性，根据实际测量的变形值修改局部的支护参数和合适的支护时机。从图6中可见：δi＝l·sinθ其中δi为水平位移量，l为测头的导轮标准间距500mm，采集仪可直接读取水平位移量δi。即可知任一处的总水平位移量为δ＝σδi。本实施例中两探头导轮有连接杆连接，之间的连接杆长为l，两探头导轮测得的倾角为θ1,θ2,则连接杆的部分的水平位移可处理为δi＝l/2*sinθ1+l/2*sinθ2，采用此计算原理将监测角度值转化计算为位移值。

监测数据分析：通过双轴倾角3dmems传感器采集x、y方向位移，双轴倾角3dmems传感器在平面范围可以测出两个方向的位移量，一般使用是合成一个位移量了，本次使用通过安装传感器的方向直接使用测量出的两个方向位移，更加真实反应巷道两个方向的位移变化即沿巷道走向方向的位移数据和沿巷道临空巷道的位移数据，位移数据结合测斜传感器的安装位置及数据采集时间，监测的测斜管观测数据，与原始的观测数据相比较，就可以求出测斜量的变化，可以求出测斜管深度内每一段的位移量，这些偏移与最初的观测偏移相比较所累积的偏差形成一条随时间的偏移曲线如图7，分别为对应巷道围岩沿巷道走向方向的位移量和临空巷道的位移量与钻孔深度在每一时间内的曲线关系图。判断爆破后第一时间软岩巷道随时间的变形量，反应软岩掘进后及支护过程巷道的实时变形规律；确定软岩巷道围岩塑性破坏、围岩变形量、变形时间，信息更加准确及时。本发明的方法可实现巷道支护参数的精准设计、支护时机的准确把握，对深部软岩巷道支护具有重要的价值。