煤礦巷道圍巖內(nèi)部位移感知原理與方法

程博源，趙 陽，謝雨楊，朱孝偉，申 華，于鴻鈺，張洪偉

(中國礦業(yè)大學 能源與礦業(yè)學院，北京 100083)

隨著煤礦開采年限和強度的逐年增加且逐漸由淺部轉(zhuǎn)向深部開采，在深部煤巖、地質(zhì)斷層、高構(gòu)造應力等復雜地質(zhì)條件下的開采和支護問題與日俱增[1-2]。因此，在煤礦開采過程中，研究巷道圍巖變形規(guī)律對礦井災害的預防和巷道支護設(shè)計以及圍巖變形的監(jiān)測起著至關(guān)重要的作用。相較于穩(wěn)定巷道圍巖的變形，復雜地質(zhì)條件下的巷道圍巖的穩(wěn)定性則受多種因素的影響，致使巷道圍巖穩(wěn)定性的維護較為困難[3]，因此掌握巷道圍巖變形狀況，對巷道圍巖變形進行監(jiān)測十分重要[4]，設(shè)計一套礦井巷道圍巖內(nèi)部變形智能感知系統(tǒng)，對煤礦巷道穩(wěn)定性控制和安全智能開采具有重要的現(xiàn)實意義及時代意義。

學界對巷道圍巖變形監(jiān)測開展了大量研究，主要可歸納為3類：第一類是巷道圍巖變形監(jiān)測的傳統(tǒng)方式，主要是基于錨桿及索網(wǎng)支護衍生的各類方法[5-7]。第二類是基于錨固系統(tǒng)衍生的相關(guān)原理及方法，本文歸為常規(guī)監(jiān)測巷道變形方法。比如，孔恒等[8]利用KDW-1機械式多點位移計，選用頂板離層值等5項指標反映煤巷錨桿支護穩(wěn)定性，提出了圍巖動態(tài)監(jiān)測與反饋的基本原理。王建輝等[9]采用十字布點法在巷道斷面上布置4個測點，通過觀測各測點間的距離進行巷道表面位移的監(jiān)測，分析了巷道兩幫及頂?shù)装遄冃闻c位移特點。第三類是運用電子設(shè)備進行監(jiān)測的相關(guān)方法，李術(shù)才等[10]提出采用礦井鉆孔電視進行圍巖內(nèi)部破壞監(jiān)測，得到了4個斷面圍巖的分區(qū)破裂分布圖。蔣邦友等[11]運用探地雷達進行測試，通過分析測試結(jié)果得出了軌道運輸巷道圍巖松動圈的分布規(guī)律。孟慶勇等[12]設(shè)計了煤礦掘進巷道圍巖壓力在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對掘進巷道頂板離層、應力和聲發(fā)射參數(shù)的實時監(jiān)測。周竹峰[13]采用三維激光掃描技術(shù)對巷道圍巖變形進行監(jiān)測，楊化奎等[14]采用雙目視覺進行巷道變形實時監(jiān)測達到了更高的圍巖變形監(jiān)測精度，降低了虛警率。

當前學界已有多種巷道圍巖變形監(jiān)測的方法，但傳統(tǒng)方式與常規(guī)監(jiān)測巷道變形方法存在測量質(zhì)量不佳、數(shù)據(jù)波動較大，人為誤差大，測量精度不高以及不能直觀反映巷道圍巖變形的三維狀態(tài)信息；而運用電子設(shè)備進行巷道變形監(jiān)測的方法存在僅是對巷道圍巖的表面進行變形分析，對巷道圍巖內(nèi)部監(jiān)測的研究尚有匱乏，如當前主要采用的頂板離層儀，監(jiān)測頂板不同層位巖體下沉量，主要表征垂直方向的分層位移，而對于水平方向，尤其是巷道兩幫水平和垂直位移的三維感知，缺少監(jiān)測方法?；诖耍疚睦卯斍暗膫鞲衅骷夹g(shù)設(shè)計了一套成本低，具備穩(wěn)定性、準確性、實時性的巷道圍巖變形智能感知系統(tǒng)，對解決監(jiān)測巷道圍巖內(nèi)部變形尤其是應力集中區(qū)域的監(jiān)測力度不夠及時和準確的情況具有重要作用。

煤礦巷道圍巖內(nèi)部位移感知系統(tǒng)設(shè)置了多連桿式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可隨著圍巖變形而自由移動，利用角度傳感元件，通過一定的算法，對桿體位移進行反算，實現(xiàn)巷道圍巖變形的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1 新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀工作原理及安裝結(jié)構(gòu)

1.1 新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀的工作原理

新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀主要采用角度傳感器作為數(shù)據(jù)感知裝置。角度傳感器通過內(nèi)置芯片對規(guī)定的直角坐標系中的三個軸線的旋轉(zhuǎn)角度進行感知，即對角度傳感器環(huán)繞各個軸線旋轉(zhuǎn)的角度進行測量和記錄，如圖1所示。新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀為多節(jié)連桿結(jié)構(gòu)，每一段結(jié)構(gòu)中均放置1個角度傳感器，不同的角度傳感器間相互連接，彼此進行數(shù)據(jù)的傳遞和記錄。

數(shù)據(jù)采集前，需要先對圍巖鉆孔，后將裝置平穩(wěn)推入鉆孔中，并將數(shù)據(jù)存儲器與之相連。巷道掘進后，巷道圍巖在礦山壓力的作用下發(fā)生形變，巷道圍巖的形變帶動各節(jié)桿件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和位移，桿件間產(chǎn)生相對的角度變化，通過角度傳感器可以測得角度αz、αx.在球坐標體系中，αx為桿體在yoz平面的投影與y軸的夾角，αz為桿體xoy平面與y軸的夾角，傳感器將測得的角度變化轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器收集所有桿件的角度變化后輸送至上位機進行處理，按照公式(1)的轉(zhuǎn)換規(guī)則得出巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀單桿相對于上一節(jié)連接處的坐標變化Xi、Yi、Zi，如圖2所示。

圖1 角度傳感儀器的工作原理示意

(1)

Zi=lsinαzcosαx

圖2 單節(jié)新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀工作原理圖

對于多節(jié)巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀，我們采取相對坐標迭代計算來得到后續(xù)桿體的坐標位置，由公式(2)的轉(zhuǎn)換規(guī)則得出節(jié)數(shù)為n的巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀整體形變情況，并通過數(shù)據(jù)線按照自定義規(guī)則將數(shù)據(jù)按時序連續(xù)寫入數(shù)據(jù)采集存儲器，通過Matlab建立實時圍巖形變模型，同時利用顯示屏實時顯示，監(jiān)測儀可通過外加軟件編程額外實現(xiàn)自定義時間間隔采集數(shù)據(jù)等功能。

(2)

本監(jiān)測儀具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低的特點，在現(xiàn)場測試中，僅需將其放入鉆孔中，數(shù)據(jù)直接顯示在PC端，操作簡單易上手，具有廣泛應用的潛能。

1.2 新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀的組成及結(jié)構(gòu)

新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀主要由角度傳感器、承載桿體、連接彎頭、顯示屏及數(shù)據(jù)采集存儲器等組成，其結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)為多節(jié)桿件連接形式，由金屬桿件作為監(jiān)測儀的承載部分，角度傳感器安裝在桿件的中央位置，各桿件間采用鎧裝軟管作為連接結(jié)構(gòu)，各傳感器通過XH2.54反向頭4P排線相互連接，傳感器將數(shù)據(jù)采集結(jié)果傳輸至電腦，裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 圍巖內(nèi)部分段監(jiān)測結(jié)構(gòu)示意(嵌入型)

1.3 新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在巷道圍巖表面向內(nèi)部鉆直徑為70 mm的鉆孔，間排距為1 200 mm×1 600 mm.由于傳感器是多節(jié)組成，可通過多節(jié)串聯(lián)實現(xiàn)不同長度鉆孔位移監(jiān)測，所以鉆孔長度根據(jù)所需要監(jiān)測的深度設(shè)置。

鉆孔后將新型巷道圍巖內(nèi)部位移感知儀桿體結(jié)構(gòu)，平行于鉆孔進行放置，放置前,應清除鉆孔內(nèi)堆積鉆屑，以保證儀器的安裝及精度。將儀器安置到位后，打入粘結(jié)劑，通過粘結(jié)劑與巖體固定并提供一定預緊力，從而使桿件固定在鉆孔中，不產(chǎn)生滑動及滾動摩擦，以保證儀器與接觸的圍巖保持相對靜止，以提高儀器的監(jiān)測精度。

將監(jiān)測儀安裝結(jié)束后，應先將監(jiān)測儀與上位機系統(tǒng)進行連接，對監(jiān)測儀進行置零，并根據(jù)開采或研究的需要，對監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)收取的頻率及精度進行調(diào)整，在按規(guī)劃將感知系統(tǒng)中的所有監(jiān)測儀安裝并調(diào)試完成后，新型巷道圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測儀的系統(tǒng)初步完成。

2 儀器試驗模擬測量及精度分析

2.1 測量方式及測量真值選取

1) 測量方式的選取。本次精度試驗將選取高精度角度測量儀(分辨率為0.01°，精度為0.005°)作為參照，與模型儀器監(jiān)測系統(tǒng)形成對比。

2) 真值的選取。真值分為理論真值與約定真值，約定真值的不確定度(或誤差)可以忽略不計。就給定目的而言，確定角度測量儀的測量值為約定真值，因此絕對誤差可定義為公式(3)所示。

△u=u-U

(3)

式中：△u為絕對誤差；u為測量值；U為被測量的真值。

2.2 單節(jié)儀器巷道圍巖位移變化試驗

試驗將模擬單節(jié)儀器在巷道圍巖中的運動及位移變化，用角度測量儀來規(guī)定試驗中監(jiān)測器模型角度變化的真值作為理論真值，并對不同角度的進行多次試驗，以減少人為操作的誤差，具體試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單節(jié)儀器巷道圍巖位移變化試驗數(shù)據(jù)

2.3 多節(jié)儀器巷道圍巖位移變化試驗

試驗將模擬三節(jié)儀器在巷道圍巖中的運動及位移變化，用角度測量儀來規(guī)定試驗中監(jiān)測器模型角度變化的真值作為理論真值，并對不同角度的進行多次試驗，以減少人為操作的誤差。

由于多節(jié)模型中每節(jié)模型的旋轉(zhuǎn)角度相互獨立，為減小人為測量誤差，用多個角度測量儀同時測量。并為試驗儀器的重復測量穩(wěn)定性，對此進行兩組重復試驗，每組試驗的單一數(shù)據(jù)進行兩次重復測量，試驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

2.4 儀器試驗測量結(jié)果的精度分析與討論

2.4.1 單次試驗測量結(jié)果的精度分析與討論

由試驗可知,該模型的模型精度較高，可以精確到0.000 1°，與之前的監(jiān)測儀器相比，本儀器的精度大大提高，更有利于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和科研試驗的進行。試驗過程中產(chǎn)生了一些誤差，誤差主要來源于人為的測量和模型的組裝，但誤差浮動范圍都在1°以內(nèi)，完全符合煤礦開采過程中對巷道圍巖變形的監(jiān)控需要。

表2 多節(jié)儀器巷道圍巖位移變化試驗數(shù)據(jù)(一次測量)

表3 多節(jié)儀器巷道圍巖位移變化試驗數(shù)據(jù)(重復測量)

2.4.2 重復試驗測量結(jié)果的精度分析與討論

為檢測該儀器的穩(wěn)定性和重復多次監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力，通過對同一角度的多次試驗，及儀器的重新布置與再測量，將所得的試驗數(shù)據(jù)進行綜合處理，可以看出多次試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，基本試驗數(shù)據(jù)浮動最大差值在1～2°之內(nèi)，試驗誤差多來自于人工操作誤差，且誤差對于儀器反映巷道圍巖變形的具體情況基本沒有影響，能夠正常反映巷道圍巖的變形情況和特征。

2.4.3 隨機模擬圍巖變形儀器測量變形結(jié)果分析

為檢測該儀器對于巷道圍巖變形情況的反映程度，對儀器進行了巷道圍巖定量形變和巷道圍巖隨機形變的模擬試驗，對儀器所得數(shù)據(jù)進行指定的公式計算，得到模型監(jiān)測儀所反映的位置空間數(shù)據(jù)，并進行圖像定位模擬后，可以得到儀器所反映的巷道圍巖變形情況。對于反映結(jié)果進行分析，可以看出模型的測量數(shù)據(jù)所推出的結(jié)果，對于0.5 m范圍內(nèi)的小范圍巷道圍巖的細致變形和破碎情況反映不夠清晰，但對于大范圍巷道圍巖的變形情況反映較為清晰，可以正確地反映巷道內(nèi)部的圍巖變形情況，滿足礦井巷道圍巖的變形監(jiān)測的需求。

2.4.4 儀器優(yōu)勢分析

巷道圍巖內(nèi)部位移感知系統(tǒng)利用其內(nèi)部核心監(jiān)測儀器即角度傳感器對巷道圍巖內(nèi)部變形情況進行跟蹤，實時傳輸其變化過程，并利用現(xiàn)有的軟件分析技術(shù)對巷道變形進行動態(tài)分析，初步實現(xiàn)變形監(jiān)測的智能化。

巷道圍巖內(nèi)部位移感知系統(tǒng)，測量方法操作方便、快速，而就傳統(tǒng)和常規(guī)測量方法而言，受人為因素影響較大，導致測量結(jié)果誤差偏多，無法實現(xiàn)精準測量，且無法實現(xiàn)實時監(jiān)測效果。與運用電子設(shè)備進行巷道變形監(jiān)測的方法相比，巷道圍巖內(nèi)部位移感知系統(tǒng)能夠監(jiān)測巷道圍巖內(nèi)部深處的位移變化。

圍巖變形陣列式感知系統(tǒng)利用現(xiàn)有監(jiān)測傳感器及上位機等技術(shù)，不需要人為進行實施測量，而是結(jié)合現(xiàn)有的軟件分析技術(shù)，達到對巷道圍巖變形的監(jiān)測目的；監(jiān)測范圍廣，圍巖變形陣列式感知裝置可通過增加節(jié)桿數(shù)量的方式來不斷提高監(jiān)測范圍，對圍巖內(nèi)部較深處也能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測目的，同時，利用其體積小、輕便、靈活以及能夠與錨桿錨索在一定程度上結(jié)合的優(yōu)點，可在巷道中大規(guī)模安裝，實現(xiàn)對整個巷道的全面監(jiān)測；環(huán)境適應性強，圍巖變形陣列式測量方法能夠適應各種較差環(huán)境，真正實現(xiàn)對巷道圍巖變形的精準監(jiān)測；造價低，制作較簡單，監(jiān)測儀所需的結(jié)構(gòu)件較少，能夠在煤礦大規(guī)模的應用，且監(jiān)測效果好。

3 結(jié) 語

本文提出的巷道圍巖內(nèi)部位移感知系統(tǒng)，利用了基于現(xiàn)代傳感技術(shù)的新型圍巖位移監(jiān)測儀，作為一種新型的圍巖位移監(jiān)測方式，突破了傳統(tǒng)儀器的檢測方式，避免了人力的過多消耗，實現(xiàn)了圍巖位移變形監(jiān)控的實時性。通過該圍巖位移監(jiān)測儀，可實時讀取分析巷道圍巖的變形情況，并進行及時分析與判斷，做出相應的問題解決措施，在一定程度上保障了巷道推進的高效性及安全性。

同時，本儀器通過試驗分析，得出該新型圍巖位移監(jiān)測儀的監(jiān)測精度較高，可以達到萬分位，與之前的監(jiān)測儀器相比，本儀器的精度大大提高，更有利于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，可以為后續(xù)相關(guān)科研活動打下基礎(chǔ)，并在一定程度上有利于煤礦開采的智能化推進。