一種新型巷道變形監(jiān)測設備的結構及其應用

荊洪迪 李元輝 吳大偉

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧沈陽110819）

隨著中國的隧道、礦山建設的迅猛發(fā)展，人們的工程安全和風險意識不斷提高。工程施工所引起的安全問題，尤其是如何確保工程安全、高效地運轉(zhuǎn)引起了研究人員的廣泛關注。地下工程工作面的收斂變形監(jiān)測歷來受到工程界的高度重視［1-3］。尤其是在干擾活動頻繁的地下礦山巷道中，已經(jīng)成為檢驗工程設計、施工效果，確保安全施工及運行的重要手段。隨著科技飛速發(fā)展，變形監(jiān)測技術手段也隨之更新?lián)Q代［4-6］。收斂計、全站儀等傳統(tǒng)人工觀測技術逐步被機器人、三維激光掃描等自動測量技術取代?，F(xiàn)代變形監(jiān)測正逐步實現(xiàn)多層次、多視角、多技術、自動化的立體監(jiān)測體系［7-8］。但是目前人工測量依然是我國礦山變形監(jiān)測的主體。傳統(tǒng)收斂計監(jiān)測雖然適應地下礦山環(huán)境，但是效率低、精度差、作業(yè)環(huán)境差等亟待改善。

為了解決這些問題，課題組基于巴塞特收斂系統(tǒng)，自主研發(fā)了可以適用于地下礦山巷道的斷面變形實時監(jiān)測系統(tǒng)“MineTCS”。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測巷道的收斂變形，變形數(shù)據(jù)可以即時傳輸?shù)降孛娴挠嬎銠C。地表技術人員可以隨時通過計算機掌握地下巷道變形情況，從而合理地安排和改進施工方案。研究成果在未來地下礦山變形監(jiān)測、危險預警方面有著廣闊的應用前景。

1 巴賽特收斂系統(tǒng)

巴賽特收斂系統(tǒng)是一種的隧道剖面收斂自動測量系統(tǒng)，以它的設計人Dr Richard Bassett的姓氏命名，該系統(tǒng)具有高分辨率、抗干擾、快速高效等優(yōu)點。巴賽特收斂系統(tǒng)是一種高精度、自動化監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)從數(shù)據(jù)自動采集到計算結果的顯示完全實現(xiàn)計算機自動化，廣泛應用于隧道施工的斷面變形監(jiān)測工作中。

1.1 組成及工作原理

巴賽特收斂系統(tǒng)（圖1）由多個桿件單元（一個長的和一個短的組合成為一對桿件單元）首尾互相鉸接安裝在待測斷面四周，構成一個測量環(huán)，桿件單元內(nèi)置一種特制的高精度電解質(zhì)傾角傳感器，每對長短臂的一個鉸接點通過固定件與隧道壁相固定，另一個鉸接點是浮動的。

當隧道壁發(fā)生變形時，必定使變形區(qū)內(nèi)的幾個固定點產(chǎn)生（空間）位移，也帶動相關的長短臂活動，即長短臂產(chǎn)生角度變化。這時分別安裝在長、短臂上的傾角傳感器就可測出這種微小的角度變化。根據(jù)傾角變化和各相應長短臂的長度就可計算出各固定點的位移。

1.2 位移計算原理

（1）在微小轉(zhuǎn)角條件下，受力零桿的一端相對另一端的位移增量δ，等于桿長γ與桿軸轉(zhuǎn)角增量α之乘積：

或表示成坐標分量形式：

（2）受力零桿的一端相對量測系統(tǒng)參照點的位移Δi，等于該桿另一端相對量測系統(tǒng)參照點的位移Δi-1與該桿兩端相對位移增量δi的迭加，即：

或表示成坐標分量形式：

二者關系：

以上式中，α為臂桿轉(zhuǎn)角增量（弧度角，以順時針為正）；γx、γy為桿長γ的坐標投影。

該系統(tǒng)在進行測點位移計算時，首先假設了斷面第1號測點為“不動”參照點，這樣做的結果是把監(jiān)測斷面當成了一個對外獨立的內(nèi)部量測系統(tǒng)。從大地測量系統(tǒng)的角度考慮，就會發(fā)現(xiàn)假設不動的參照點也是一個動點。同一測點的這2種位移之間有一個簡單的轉(zhuǎn)換關系：“測點絕對位移=測點相對位移+參照點絕對位移”。所以在工程監(jiān)測中，需要根據(jù)這一關系把相對位移轉(zhuǎn)換為絕對位移。

隧道工程多為地鐵等百年工程，工程周期長，對穩(wěn)定性要求高且投資大，所以巴塞特收斂系統(tǒng)得以在隧道監(jiān)測中推廣。但地下礦山工程要求卻有所不同，單個水平開采時間較短，且監(jiān)測過程中巷道斷面變形監(jiān)測手段需要成本更低，精度滿足要求，拆卸方便且不影響井下日常生產(chǎn)作業(yè)。所以，地下礦山急需一種高精度、低成本、適應地下礦山復雜條件的自動化巷道斷面收斂監(jiān)測系統(tǒng)。

2 MineTCS巷道變形實時監(jiān)測系統(tǒng)

巴塞特收斂系統(tǒng)雖然在隧道變形監(jiān)測中取得了很好的應用效果，但是受制于成本、適應性等各種因素，很難應用到地下礦山巷道斷面收斂變形監(jiān)測中來。為解決這一難題，課題組針對性地研發(fā)了地下礦山巷道變形實時監(jiān)測系統(tǒng)MineTCS。該設備安裝測試簡單，可以適應復雜的現(xiàn)場環(huán)境，能夠自動測量計算巷道斷面各點水平、垂直方向位移，實現(xiàn)24 h無人工值守連續(xù)監(jiān)測，解除了測量工作的安全隱患。收斂儀安裝緊貼巷道壁，且僅占用上部空間，允許大型鏟運設備正常通過，不影響礦山正常生產(chǎn)運營。收斂儀測量精度可達0.01 mm，滿足礦山工程的各種需要。監(jiān)測結果可用于評估巷道圍巖損傷變形情況、優(yōu)化爆破參數(shù)、合理安排工程進度、改進支護方案等用途。

監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和傳輸、存儲部分組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

每個巷道斷面監(jiān)測裝置由2個數(shù)據(jù)采集器、4組保護套管、3個固定端組成，見圖2。

每個采集器由變壓器、分控電路板、2個拉線式位移傳感器和4個傾角傳感器組成。每個拉線式傳感器對應1組保護套管，內(nèi)保護套管一端鉸鏈連接于固定座上，另一端置于外保護套管內(nèi)與其連接。外保護套管另一端固定于數(shù)據(jù)采集器外部。拉線式位移傳感器和傾角傳感器固定在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部，拉繩穿過三防外殼通孔與內(nèi)保護套管連接。

當套管兩端發(fā)生相對位移時，內(nèi)套管與外套管發(fā)生相對滑動，并帶動拉線式傳感器繩索發(fā)生相對滑動。拉線帶動傳感器傳動機構與編碼器同步轉(zhuǎn)動，并在拉線伸收過程中保持其張力不變，從而輸出一個與繩索移動量成正比例的電信號。編碼器根據(jù)拉出來的距離生成相位差90°的A、B 2個方波，根據(jù)方波的個數(shù)計算2點之間位移。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸、儲存部分

MineTCS數(shù)據(jù)傳輸、儲存部分包括通信電纜、控制計算機。其特點是多個分控電路板通過通信電纜和數(shù)據(jù)采集器相連。數(shù)據(jù)采集器測得電信號通過線纜發(fā)送到控制計算機，計算機端通過預裝數(shù)據(jù)處理軟件得到各監(jiān)測點位移。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

3 MineTCS在地下礦山的應用探索

保國鐵礦礦體賦存條件復雜，礦體下盤圍巖受構造和蝕變作用，結構破碎，巖質(zhì)松軟，穩(wěn)定性差。其下盤圍巖具有抗壓強度低、變形大、遇水極易破碎、膨脹從而產(chǎn)生變形破壞等特點。導致巷道的穩(wěn)定性問題十分突出，巷道支護工程施工完畢后不久即開裂變形，進而產(chǎn)生片幫、冒落和頂板沉降等圍巖弱化現(xiàn)象，嚴重影響礦山的正常開采、運輸工作。為了分析保國鐵礦巷道圍巖變形破壞機理，精確監(jiān)控現(xiàn)場巷道圍巖變化，研發(fā)了巷道斷面變形連續(xù)監(jiān)測收斂儀“MineTCS”，并將其應用于該礦地下巷道變形監(jiān)測中。

3.1 變形監(jiān)測方案

在該礦山+20 m分段共布置10個變形監(jiān)測點，如圖3所示。隨著+35 m分段的開采，可以最終得到上部分段開采影響下的+20 m分段巷道完整變形過程，從而掌握下部分段巷道隨著上部進路開采的變形規(guī)律。測線布置方向垂直于礦體走向，主要用來監(jiān)測垂直礦體走向方向的巷道變形情況。+20 m分段2210進路內(nèi)的10組收斂儀測點每隔10 m設1組測孔。

由進路內(nèi)部至下盤沿脈運輸巷道的監(jiān)測點布置（SL1～SL10）方式，縱貫下盤沿脈運輸巷道與回采進路交叉處、下盤礦巖接觸帶以及整個回采進路，既可以完整地監(jiān)測到隨著+35 m水平進路回采對+20 m水平巷道位移場影響的完整過程，還可以同時監(jiān)測到開采擾動對下盤礦巖接觸帶及運輸巷道和回采進路交叉口部分的巷道變形規(guī)律。

3.2 監(jiān)測結果與數(shù)據(jù)分析

長時間的自動化連續(xù)變形收斂監(jiān)測，得到了大量保國鐵礦地下巷道工程變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過變形數(shù)據(jù)可以得到巷道每個監(jiān)測斷面三心拱內(nèi)5個監(jiān)測點的水平、豎直位移，進而有助于判斷巷道圍巖的破壞模式以及對危險區(qū)域進行有效預警。

圖4為SL-2監(jiān)測點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，分水平方向和豎直方向兩部分來分析其變形規(guī)律：拱肩部SL-2-2、SL-2-4水平方向向內(nèi)收斂了3.192 mm，拱底部SL-2-1、SL-2-5水平方向向內(nèi)收斂了0.297 mm，拱頂部測點SL-2-3水平方向位移只有0.186 mm；由收斂儀監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，水平位移值最高點為拱中部SL-2-2、SL-2-4。拱頂測點SL-2-3向下沉降1.531 mm，中部測點SL-2-2、SL-2-4向上移動3.256 mm和3.346 mm，底部測點SL-2-1和SL-2-5分別向上移動了0.382 mm和0.405 mm；可見中部測點SL-2-2和SL-2-4變形幅度依然是SL-2斷面中最大的。從變形幅度及位移方向上判斷巷道的變形破壞較容易出現(xiàn)在SL-2-2和SL-2-4附近。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

通過整體分析水平位移（X）和豎直位移（Y），發(fā)現(xiàn)SL-2-2與SL-2-3之間會產(chǎn)生較大的水平方向的壓力和豎直方向的剪切力，SL-2-3與SL-2-4之間同樣會產(chǎn)生較大水平方向的壓應力和豎直方向的剪切力。所以可以判斷測點SL-2-3兩側極易產(chǎn)生由壓力和剪切力共同主導的破壞。

由于SL-2-2與SL-2-4之間的3個測點的縱向變形差值明顯大于橫向變形值，而且?guī)r體能夠承受的壓應力大于剪切力，所以可以判斷該巷道斷面三心拱上半部支護破壞主要是由剪切力造成的。而三心拱下半部SL-2、SL-4點與SL-1、SL-5點間遠離趨勢明顯，所以極易產(chǎn)生拉剪力破壞。圖5為SL-2監(jiān)測斷面附近巷道破壞現(xiàn)場情況。

圖6為該礦+20 m水平監(jiān)測巷道的變形監(jiān)測圖，可以看出沉降位移和兩幫位移均隨時間發(fā)展逐漸增加。除SL-9測點外的其他測點兩幫收斂變形情況和頂板沉降情況類似。對兩幫收斂變形圖和頂板沉降變形圖進行比較分析可以發(fā)現(xiàn)，兩幫的收斂變形幅度明顯大于頂板沉降幅度，說明水平應力對該巷道變形的影響較大。

SL-9測點的兩幫收斂變形幅度明顯大于其他監(jiān)測點，可以推測，整條進路的水平應力集中區(qū)位于礦巖接觸帶的SL-9監(jiān)測點。圖7為SL-9監(jiān)測點附近發(fā)生較大圍巖破壞，由于提前監(jiān)測到該測點的位移異常情況，及時進行了預警，避免了不必要的人員、設備損失。

地下礦山軟巖巷道的圍巖收斂變形監(jiān)測對掌握巷道穩(wěn)定性情況有著至關重要的作用。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)ο锏榔茐倪M行有效預警，而長期監(jiān)測結果則可以輔助研究特定工況條件下的巷道圍巖收斂變形趨勢，有助于合理安排施工進度計劃并對巷道圍巖支護工程進行及時的修補。圖8為巷道開拓完畢后在一次噴射混凝土條件下SL-2-3監(jiān)測點（隨機選取）位移隨時間變化曲線?？梢悦黠@看出巷道圍巖位移變化分為3個階段：初始穩(wěn)定階段、加速變形階段、二次穩(wěn)定階段。通過位移曲線可以選擇最佳支護時機，釋放巖石初始塑性變形、獲得最大圍巖自承能力。礦山技術人員亦可以根據(jù)收斂變形數(shù)據(jù)曲線合理安排井下回采工作施工進度。比如在加速變形階段可以減少爆破量、降低爆破頻次，而在變形穩(wěn)定階段可以適當增加生產(chǎn)強度等等措施。

4 結論

研究針對傳統(tǒng)礦山變形監(jiān)測手段落后的問題，結合巴塞特收斂儀的工作原理，設計出了適用于礦山巷道連續(xù)變形監(jiān)測設備MineTCS。通過該設備在保國鐵礦地下巷道的成功應用，解決了諸多實際問題并取得如下成果：

（1）為地下礦山變形監(jiān)測、危險預警提供了新的技術手段，并獲得了成功應用案例；

（2）地下礦山現(xiàn)場實際應用結果證明了設備的可靠性，可用于評估巷道圍巖損傷變形等情況；

（3）與傳統(tǒng)收斂計測量相比，有精度高、成本低、自動化、信息化等特點，相較于隧道監(jiān)測設備又有著適應地下礦山復雜情況的優(yōu)勢。