地面塌陷监测装置及监测方法

摘要

一种地面塌陷监测方法，将感应环和磁传感器顺次吊装在监测洞内，当地面塌陷灾害出现后，监测洞被破坏，感应环失去支撑并下落，下落过程中，设置在感应环上的永磁体与磁传感器的探测区域发生重叠，由磁传感器感应到感应环的下落动作后，即可知道地面塌陷灾害已经发生；另外，本发明还提出了一种可实现本发明方法的地面塌陷监测装置；本发明的有益技术效果是：所需的硬件简单，装置布设方便，数据处理简便，监测结果准确可靠。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种地质灾害监测技术，尤其涉及一种地面塌陷监测装置及监测方法。

背景技术

每年在全国各地都会发生多起地面塌陷灾害，特别是在岩溶地区相关塌陷灾害更是频繁发生，给人民生命财产安全造成了严重损失；由于岩溶土洞均在地面以下，且埋深各异，极具隐蔽性，给灾害监测带来了极大的困难。

目前，用于地面塌陷灾害的监测手段主要有地质雷达（GPR）、TDR（BOTDR）技术以及水（气）压力监测，地质雷达和TDR的运行成本很高，不适合大范围推广，水（气）压力监测又难以得出较为准确的结论，并且三种方法还都存在操作便捷性差的缺陷。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种地面塌陷监测方法，其方案为：所涉及的硬件有：支架、垂重体、缆索、处理模块、磁传感器（即霍尔元件）、通信线缆和感应环；其中，支架、垂重体和缆索形成监测装置的支撑结构，支架用于将垂重体垂挂在监测洞中，垂重体用于将缆索张紧，缆索用于设置磁传感器；磁传感器、通信线缆和感应环形成监测装置的传感部分，感应环用于感应地质变化，磁传感器用于感应监测装置的状态，通信线缆用于将磁传感器采集到的信号传输至处理模块中；应用前述多个装置进行监测的具体操作如下：

1）在监测区域钻孔，形成与水平方向垂直的监测洞；

2）支架固定在监测洞的洞口位置处，垂重体和支架之间通过缆索固定连接，垂重体垂挂在监测洞内；磁传感器固定在缆索中部，磁传感器和处理模块之间通过通信线缆电气连接；

正常情况下监测洞为柱状结构，感应环通过弹性机构与监测洞的洞壁卡接，感应环的位置位于磁传感器和支架之间，感应环上设置有永磁体；

3）当土体塌陷后，监测洞的内壁被破坏，弹性机构失去支撑部，感应环向监测洞底部滑落；在感应环滑落过程中，永磁体发出的磁力线与磁传感器的探测区域发生重叠，处理模块通过磁传感器感知到感应环已经滑落，通过对感应环的设置高度进行预先标定，即可知道土体出现塌陷的深度。

前述方法实施简便，且所需的硬件装置均为十分常见的东西，并且感应环对地质变化十分敏感，监测结果准确。

地面塌陷灾害一般是从地表较深位置处向地表方向发展，基于地面塌陷灾害的这种特点，还可将感应环的数量设置为多个，多个感应环沿监测洞轴向依次设置，通过设置多个感应环并对多个感应环的分布深度进行预先标定，当地面塌陷灾害影响到感应环所在位置的监测洞时，感应环开始滑落，处理模块对磁传感器感应到磁场的次数进行计数，即可知道有多少个感应环滑落了，这不仅能够对地面塌陷灾害的发生进行监测，还能对地面塌陷灾害的发展进度进行监测，并可据此制订多级预警机制，即可通过监测感应环滑落的数量来判断地面塌陷的发展深度，如果地面塌陷的深度还不足以威胁地表安全，则仅需密切监视即可，从而进一步提高灾害预警的准确性。

在前述的监测方法基础上，本发明还提出了一种地面塌陷监测装置，其结构为：所述地面塌陷监测装置由支架、垂重体、缆索、处理模块、磁传感器、通信线缆和感应环组成；

缆索上端与支架固定连接，缆索下端与垂重体固定连接；磁传感器固定在缆索中部，磁传感器和处理模块之间通过通信线缆电气连接；感应环设置于缆索上支架和磁传感器之间的位置处，且感应环能沿缆索滑动；

所述感应环由外筒、内筒、永磁体、多个卡臂和多个弹簧组成；所述外筒和内筒均为两端开口的圆筒结构，内筒套接在外筒内，外筒和内筒之间通过连接梁固定；内筒内壁上设置有安装槽，永磁体镶嵌在安装槽内；多个卡臂与外筒外壁转动连接，卡臂能沿外筒轴向转动；每个卡臂均对应一个弹簧，弹簧的一端与卡臂中部连接，弹簧的另一端与外筒外壁连接；自然状态时，卡臂外端在弹簧的拉力作用下向外筒表面靠拢，且多个卡臂的外端朝向相同；布设感应环时，用力转动卡臂，使卡臂外端朝与弹簧收缩方向相反的方向转动，并且使卡臂的外周小于监测洞的直径，然后将卡臂运送到监测洞内对应位置后，松开卡臂，卡臂就在弹簧作用下反向转动并最终被监测洞的洞壁卡住，从而完成感应环的布设。

缆索从感应环的内筒内孔中穿过，缆索与内筒之间留有间隙。

前述结构中所涉及的部件结构简单，安装设置操作简便，测试结果准确可靠。

优选地，所述外筒和内筒同轴设置；所述连接梁的数量为3个或4个，各个连接梁沿外筒周向均匀分布。另外，外筒和内筒在本感应环中所起的作用为支撑卡臂和永磁体，这主要是考虑节省成本和降低感应环自重以及减小卡臂的长度（也即提高卡臂的灵活性）；再次，本发明的感应环之所以采用由外筒和内筒组成的环形结构体的另一个原因是：环状结构可以与卡挡结构（即可以将垂重体的内径设置得较大，当感应环滑落后可以被垂重体接住）配合，避免感应环滑落至监测洞底后难以取出。

与前述监测方法中设置多个感应环的理由相同，具体应用时，也可设置多个感应环，多个感应环沿缆索轴向顺次排列。

优选地，所述卡臂的数量为8个；其中4个卡臂记为第一卡臂组，第一卡臂组内的4个卡臂在外筒轴向上等高设置，另外4个卡臂记为第二卡臂组，第二卡臂组内的4个卡臂在外筒轴向上等高设置，第一卡臂组和第二卡臂组的设置高度不同。

优选地，第一卡臂组内的4个卡臂的周向位置沿外筒周向均匀分布；第二卡臂组内的4个卡臂的周向位置沿外筒周向均匀分布。

优选地，第一卡臂组内的4个卡臂的周向位置与第二卡臂组内的4个卡臂的周向位置一一对应。

优选地，所述支架采用带中孔的圆盘形结构体。采用圆盘形的支架时，可以使支架的外径大于监测洞直径，从而使支架卡接在洞口处，同时还能将洞口全部封闭，避免异物掉入监测洞内。

优选地，所述垂重体外径大于内筒内径。采用此改进后，垂重体就能将滑落的感应环接住，便于取出感应环，以重复利用。

本发明的有益技术效果是：所需的硬件简单，装置布设方便，数据处理简便，监测结果准确可靠。

附图说明

图1、本发明的使用状态示意图；

图2、感应环横截面示意图；

图3、感应环轴截面示意图；

图中各个标记所对应的部件分别为：支架A、垂重体B、缆索C、处理模块D、磁传感器E、感应环F、外筒1、内筒2、永磁体3、卡臂5、弹簧6。

具体实施方式

一种地面塌陷监测装置，其结构为：所述地面塌陷监测装置由支架A、垂重体B、缆索C、处理模块D、磁传感器E、通信线缆和感应环F组成；

缆索C上端与支架A固定连接，缆索C下端与垂重体B固定连接；磁传感器E固定在缆索C中部，磁传感器E和处理模块D之间通过通信线缆电气连接；感应环F设置于缆索C上支架A和磁传感器E之间的位置处，且感应环F能沿缆索C滑动；

所述感应环F由外筒1、内筒2、永磁体3、多个卡臂5和多个弹簧6组成；所述外筒1和内筒2均为两端开口的圆筒结构，内筒2套接在外筒1内，外筒1和内筒2之间通过连接梁固定；内筒2内壁上设置有安装槽，永磁体3镶嵌在安装槽内；多个卡臂5与外筒1外壁转动连接，卡臂5能沿外筒1轴向转动；每个卡臂5均对应一个弹簧6，弹簧6的一端与卡臂5中部连接，弹簧6的另一端与外筒1外壁连接；自然状态时，卡臂5外端在弹簧6的拉力作用下向外筒1表面靠拢，且多个卡臂5的外端朝向相同；

缆索C从感应环F的内筒2内孔中穿过，缆索C与内筒2之间留有间隙。

进一步地，所述外筒1和内筒2同轴设置；所述连接梁的数量为3个或4个，各个连接梁沿外筒1周向均匀分布。

进一步地，所述感应环F的数量为多个，多个感应环F沿缆索C轴向顺次排列。

进一步地，所述卡臂5的数量为8个；其中4个卡臂5记为第一卡臂组，第一卡臂组内的4个卡臂5在外筒1轴向上等高设置，另外4个卡臂5记为第二卡臂组，第二卡臂组内的4个卡臂5在外筒1轴向上等高设置，第一卡臂组和第二卡臂组的设置高度不同。

进一步地，第一卡臂组内的4个卡臂5的周向位置沿外筒1周向均匀分布；第二卡臂组内的4个卡臂5的周向位置沿外筒1周向均匀分布。

进一步地，第一卡臂组内的4个卡臂5的周向位置与第二卡臂组内的4个卡臂5的周向位置一一对应。

进一步地，所述支架A采用带中孔的圆盘形结构体。

进一步地，所述垂重体B外径大于内筒2内径。

一种地面塌陷监测方法，所涉及的硬件有：支架A、垂重体B、缆索C、处理模块D、磁传感器E、通信线缆和感应环F；

所述地面塌陷监测方法的操作为：

1）在监测区域钻孔，形成与水平方向垂直的监测洞；

2）支架A固定在监测洞的洞口位置处，垂重体B和支架A之间通过缆索C固定连接，垂重体B垂挂在监测洞内；磁传感器E固定在缆索C中部，磁传感器E和处理模块D之间通过通信线缆电气连接；

正常情况下监测洞为柱状结构，感应环F通过弹性机构与监测洞的洞壁卡接，感应环F的位置位于磁传感器E和支架A之间，感应环F上设置有永磁体3；

3）当土体塌陷后，监测洞的内壁被破坏，弹性机构失去支撑部，感应环F向监测洞底部滑落；在感应环F滑落过程中，永磁体3发出的磁力线与磁传感器E的探测区域发生重叠，处理模块D通过磁传感器E感知到感应环F已经滑落，通过对感应环F的设置高度进行预先标定，即可知道土体出现塌陷的深度。

进一步地，所述感应环F的数量为多个，多个感应环F沿监测洞轴向依次设置。