一种全巷全过程全断面表面变形监测装置及方法

摘要

一种全巷全过程全断面变形监测装置及方法，适用于巷道表面变形监测领域。利用锚索布置测站，通过锚索尾部的螺纹套管连接支撑架和旋转激光测量装置，旋转激光测量装置可以旋转并且可以带动激光测距仪转动，可以实现一个测站可以同时测量多个断面的数据，又通过电脑编程处理，使测量的数据转换成空间坐标系的坐标，实现全巷全过程全断面的数字成像。该监测方法测量精确度高、人工误差小，并且可以直观的观察巷道的变形动态及准确的预警顶板压力情况，为井下工作人员的安全提供了技术保障。

说明书

技术领域

本发明涉及巷道表面变形监测领域，尤其是一种全巷全过程全断面表面变形监测装置及方法。

背景技术

中国是世界上采煤最多的国家，为了开采煤炭资源，就需要在地下掘出大量的巷道，因此对于巷道的维护与监测显得尤为重要。巷道掘进期间，围岩在应力的作用下会产生一定的变形破坏，但在回采期间巷道的变形破坏更大，如果对巷道表面变形不进行监测控制，顶板有时会发生碎石的脱落，甚至整块岩石的跨冒，严重威胁着井下工作人员的生命安全。

传统巷道变形的监测主要是人工布点测量，该方法不仅测量误差大、布置断面多，而且监测断面测量的点较少，不能准确监测该断面变形状况，从而更不能反映巷道围岩变形和破坏规律。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，检测效果好的全巷全过程全断面表面变形监测装置及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的全巷全过程全断面表面变形监测装置，它包括设在巷道中待测点处的锚索尾端外螺纹套管上的连接套管，连接套管下方垂直设有短锚杆，连接套管的一侧通过细线连接有吊锤，锚杆尾部通过上下两个支撑架固定螺母固定支撑架，支撑架上设有旋转激光测量装置。

所述连接套管由上下设置的套管粗段和套管细段两部分构成，套管粗段内由上向下开有与锚索尾端外螺纹套管相匹配的锚索孔，套管细段内由下向上开有与短锚杆连接的锚杆孔，套管粗段侧面分别设有圆柱细杆a和圆柱细杆b，圆柱细杆a和圆柱细杆b结构相同，上下直线布置，圆柱细杆a和圆柱细杆b通过细线连接有吊锤。

所述的连接套管长度200～300mm，所述套管粗段长度为150mm～200mm，内部锚索孔长度比粗端长度短20mm～30mm，锚索孔通过螺纹与外螺纹套管匹配连接；所述的套管细段长度为50mm～100mm，锚杆孔与套管细段长度相同，锚杆孔通过螺纹与短锚杆匹配连接；圆柱细杆a和圆柱细杆b长度为10mm～30mm，直径为10mm，圆柱细杆b距粗端下平台20mm～30mm，圆柱细杆a和圆柱细杆b之间的间距为70mm～90mm。

所述的短锚杆(9)为全螺纹锚杆，长度为1.2m～1.5m。

所述支撑架两侧对称位置分别开有用以安装短锚杆的锚杆孔和用以安装旋转激光测量装置的支柱孔，锚杆孔和支柱孔之间的支撑架上表面上设有吊锤嵌入槽。

所述旋转激光测量装置包括旋转支柱，旋转支柱上设有单向转动手柄a，旋转支柱底部设有紧固螺母，手柄a与紧固螺母之间的旋转支柱设在支撑架的支柱孔中，通过紧固螺母和设在紧固螺母上的销钉固定，旋转支柱顶部设有基座，基座内部设有转轴，转轴一端设有激光测距仪，转轴另一端设有单向转动手柄b。

所述支撑架的支柱孔上方设有与支柱孔同轴的截齿齿轮，所述截齿齿轮包括刻度盘a和多个截齿a，截齿齿轮的截齿a形状为直角形，相邻的两个截齿a最低点之间对应的角度为10～15°；所述基座安装手柄b端设有指向手柄b的同轴的截齿齿轮，所述截齿齿轮包括刻度盘b和设在刻度盘b上的直角形截齿b，相邻的两个截齿最低点之间对应的角度为5～10°。

一种全巷全过程全断面表面变形监测方法，其步骤如下：

a.在巷道起点附近选择一个相对平整的断面，布置第1个测站；

b.用钻机在第1个测站所在的断面顶板中部位置施工一个钻孔，所述钻孔穿过巷道顶板的直接顶到达基本顶，在钻孔中放入锚固剂，用锚索顶推锚固剂至钻孔孔底，将托盘套入锚索尾部外螺纹套管并通过螺母固定，再启动锚杆钻机带动锚索对锚固剂进行搅拌，待锚固剂凝固之后用钻机对螺母进行预紧；

c.将连接套管的粗端旋入锚索尾部的外螺纹套管内紧固，将短锚杆旋入连接套管的细端内紧固，将吊锤利用细线固定在圆柱细杆b上，让支撑架的锚杆孔从短锚杆下端旋入使得吊锤正好卡入支撑架的吊锤嵌入槽内，用固定螺母把支撑架固定，再让旋转激光测量装置的旋转支柱穿入支撑架的支柱孔中，用螺母旋紧后插入销钉紧固；

d.先转动旋转激光测量装置手柄a至刻度盘a标示0°的位置，再转动连接激光测距仪的手柄b至刻度盘b标示0°的位置，至此第1测站布置完毕；开始建立空间坐标系：以激光测距仪的中心位置定为空间坐标系的原点，从原点垂直指向煤帮作为X轴，从原点垂直指向顶板作为Y轴，从原点垂直指向掘进工作面作为Z轴；

e.保持旋转激光测量装置的手柄a不动，转动连接激光测距仪的手柄b，每转过一个截齿b(21)就利用激光测距仪测量一次，直到测量完整个断面，记录每一次测量的距离与角度数据；

f.转动旋转激光测量装置的手柄a，分别在10～20°、25～35°、40～50°、55～65°、70～80°、100～110°、115～125°、130～140°、145～155°、160～170°区间中的确定角度停止并重复步骤e采集数据；

g.取55～65°区间中的确定角度γ测量的最远断面点到激光测距仪中心位置之间的Z轴距离为S/2，其中，巷道高度为H，巷道宽度为L，激光测距仪测量的距离l_γ，通过三角形几何关系计算可得S²＝4l_γ²-H²-L²，从而可知两侧站之间的距离S，接下来布置下一测站，然后重复步骤a～f，直至布置完所需要观测的巷道，并收集到所有测站的监测数据；

h.利用计算机将井下收集到的数据点转换成空间坐标系的坐标点，筛选出坐标点的空间坐标Z轴坐标相同或误差在5mm之内的空间点作为一个巷道断面上的成像点，再通过筛选的巷道断面成像点确定一个巷道断面的轮廓图像，处理所有测站的空间坐标点从而得到巷道的整体轮廓图，由此完成了本次巷道变形的监测；

i.当进行下一次巷道变形监测时，在各个测站重复步骤c～f，每次在步骤f中的旋转激光测量装置测量区间的角度相同，并重复步骤h处理数据获得这次监测生成的各断面轮廓图像，将这次收集到的各断面轮廓图像与上一次的轮廓图像重叠对比，从而获得巷道围岩变形情况信息；

所述测量周期为：前3天1次/天，第4天至第11天1次/2天，第12天至33天1次/7天。所述的锚索(4)长度比钻孔孔深多出200mm～300mm，所述的锚索(4)尾部有一个外螺纹套管(5)，套管长度比锚索外露长50mm～100mm，套管直径比锚索直径大4mm-6mm；所述钻孔长度为8m～10m，所述的钻孔直径比锚索(4)直径大4mm-6mm。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)一般情况下，巷道开挖之后的30天之内，深部围岩基本上不变形，即使变形也在误差允许的范围之内，再者8～10m的长锚索可以打到深部基本顶当中，可以确定此处位置为零位移点，再加上用吊锤对测站的位置进行定位，从而之后测量时可以准确地找到该测站的精确位置，测量出巷道的绝对变形量，对巷道的支护起到指导作用；

(2)测站布置在锚索的尾部，测量时把装置安装上，测量完即可把装置卸下，操作方便，即不妨碍施工，锚索又能对顶板有支护作用；

(3)采用激光测距仪对围岩变形进行监测，避免了人工测量产生的比较大的误差；

(4)测量时通过激光测距仪对一个巷道断面多点测量，并且通过旋转圆盘改变激光测距仪的方位，从而可以测量多个断面的变形情况，实现了一个测站可以监测多个断面的变形，减少了测站的数量，节约了监测时间；

(5)激光测距仪测量的距离和角度，可以通过电脑编程把各个测量点转换成空间坐标点，从中提取坐标Z相同或相差在5mm之内的空间点，绘制出一个个测量的断面图像，并且可以将下一次测量得出的断面图像与这次的图像进行融合，从而可以直观的观察巷道的变形动态及准确的预警顶板压力情况，为井下工作人员的安全提供了技术保障。

附图说明

图1是本发明的全巷全过程全断面表面变形监测的工作示意图。

图2是本发明的连接套管的结构示意图。

图3是本发明的支撑架的主视图。

图4是本发明的支撑架的俯视图。

图5是本发明的旋转激光测量装置的结构示意图。

图6是本发明的巷道矿压观测测站布置俯视图。

图7是本发明的巷道矿压观测测站布置左视图。

图8是本发明的巷道矿压观测数据处理示意图。

图中：1、巷道；2、直接顶；3、基本顶；4、长锚索；5、螺纹套管；6、托盘；7、锚索预紧螺母；8、连接套管；8-1、套管粗段；8-2、套管细段；8-3、锚索孔；8-4、锚杆孔；8-5、圆柱细杆a；8-6、圆柱细杆b；9、短锚杆；10、细线；11、吊锤；12、支撑架；12-1、锚杆孔；12-2、支柱孔；12-3、吊锤嵌入槽；12-4、截齿a；12-5、刻度盘a；13、支撑架固定螺母；14、旋转激光测量装置；15、旋转支柱；16、支柱紧固螺母；17、销钉；18、手柄a；19、手柄b；20、转轴；21、截齿b；22、刻度盘b；23、基座；24、激光测距仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的全巷全过程全断面表面变形监测装置，其特征在于：它包括设在巷道1中待测点处的锚索4尾端外螺纹套管5上的连接套管8，连接套管8下方垂直设有短锚杆9，连接套管8的一侧通过细线10连接有吊锤11，锚杆9尾部通过上下两个支撑架固定螺母13固定支撑架12，支撑架12上设有旋转激光测量装置14。

如图2所示，所述连接套管8由上下设置的套管粗段8-1和套管细段8-2两部分构成，套管粗段8-1内由上向下开有与锚索4尾端外螺纹套管5相匹配的锚索孔8-3，套管细段8-2内由下向上开有与短锚杆9连接的锚杆孔8-4，套管粗段8-1侧面分别设有圆柱细杆a8-5和圆柱细杆b8-6，圆柱细杆a8-5和圆柱细杆b8-6结构相同，上下直线布置，圆柱细杆a8-5和圆柱细杆b8-6通过细线10连接有吊锤11。

所述的连接套管8长度200～300mm，所述套管粗段8-1长度为150mm～200mm，内部锚索孔8-3长度比粗端8-1长度短20mm～30mm，锚索孔8-3通过螺纹与外螺纹套管5匹配连接；所述的套管细段8-2长度为50mm～100mm，锚杆孔8-4与套管细段8-2长度相同，锚杆孔8-4通过螺纹与短锚杆9匹配连接；圆柱细杆a8-5和圆柱细杆b8-6长度为10mm～30mm，直径为10mm，圆柱细杆b距粗端下平台20mm～30mm，圆柱细杆a8-5和圆柱细杆b8-6之间的间距为70mm～90mm。所述的短锚杆9为全螺纹锚杆，长度为1.2m～1.5m。

如图3和图4所示，所述支撑架12两侧对称位置分别开有用以安装短锚杆9的锚杆孔12-1和用以安装旋转激光测量装置14的支柱孔12-2，锚杆孔12-1和支柱孔12-2之间的支撑架12上表面上设有吊锤嵌入槽12-3。

如图5所示，所述旋转激光测量装置14包括旋转支柱15，旋转支柱15上设有单向转动手柄a18，旋转支柱15底部设有紧固螺母16，手柄a18与紧固螺母16之间的旋转支柱15设在支撑架12的支柱孔12-2中，通过紧固螺母16和设在紧固螺母16上的销钉17固定，旋转支柱15顶部设有基座23，基座23内部设有转轴20，转轴20一端设有激光测距仪24，转轴20另一端设有单向转动手柄b19。

所述支撑架12的支柱孔12-2上方设有与支柱孔12-2同轴的截齿齿轮，所述截齿齿轮包括刻度盘a12-5和多个截齿a12-4，截齿齿轮的截齿a12-4形状为直角形，相邻的两个截齿a12-4最低点之间对应的角度为10～15°；所述基座15安装手柄b19端设有指向手柄b19的同轴的截齿齿轮，所述截齿齿轮包括刻度盘b22和设在刻度盘b22上的直角形截齿b21，相邻的两个截齿最低点之间对应的角度为5～10°。

如图6～图7所示，一种全巷全过程全断面表面变形监测方法，其步骤如下：

a.在巷道1起点附近选择一个相对平整的断面，布置第1个测站；

b.用钻机在第1个测站所在的断面顶板中部位置施工一个钻孔，所述钻孔穿过巷道1顶板的直接顶2到达基本顶3，在钻孔中放入锚固剂，用锚索4顶推锚固剂至钻孔孔底，将托盘6套入锚索4尾部外螺纹套管5并通过螺母7固定，再启动锚杆钻机带动锚索4对锚固剂进行搅拌，待锚固剂凝固之后用钻机对螺母7进行预紧；

c.将连接套管8的粗端8-1旋入锚索4尾部的外螺纹套管5内紧固，将短锚杆9旋入连接套管8的细端8-2内紧固，将吊锤11利用细线10固定在圆柱细杆b8-6上，让支撑架12的锚杆孔12-1从短锚杆9下端旋入使得吊锤11正好卡入支撑架12的吊锤嵌入槽12-3内，用固定螺母13把支撑架12固定，再让旋转激光测量装置14的旋转支柱15穿入支撑架12的支柱孔12-2中，用螺母16旋紧后插入销钉17紧固；

d.先转动旋转激光测量装置手柄a18至刻度盘a12-5标示0°的位置，再转动连接激光测距仪24的手柄b19至刻度盘b22标示0°的位置，至此第1测站布置完毕；开始建立空间坐标系：以激光测距仪24的中心位置定为空间坐标系的原点，从原点垂直指向煤帮作为X轴，从原点垂直指向顶板作为Y轴，从原点垂直指向掘进工作面作为Z轴；

e.保持旋转激光测量装置的手柄a18不动，转动连接激光测距仪24的手柄b19，每转过一个截齿b(21)就利用激光测距仪24测量一次，直到测量完整个断面，记录每一次测量的距离与角度数据；

f.转动旋转激光测量装置的手柄a18，分别在10～20°、25～35°、40～50°、55～65°、70～80°、100～110°、115～125°、130～140°、145～155°、160～170°区间中的确定角度停止并重复步骤e采集数据；

g.取55～65°区间中的确定角度γ测量的最远断面点到激光测距仪24中心位置之间的Z轴距离为S/2，其中，巷道高度为H，巷道宽度为L，激光测距仪测量的距离l_γ，通过三角形几何关系计算可得S²＝4l_γ²-H²-L²，从而可知两侧站之间的距离S，接下来布置下一测站，然后重复步骤a～f，直至布置完所需要观测的巷道，并收集到所有测站的监测数据；

h.利用计算机将井下收集到的数据点转换成空间坐标系的坐标点，筛选出坐标点的空间坐标Z轴坐标相同或误差在5mm之内的空间点作为一个巷道断面上的成像点，再通过筛选的巷道断面成像点确定一个巷道断面的轮廓图像，处理所有测站的空间坐标点从而得到巷道的整体轮廓图，由此完成了本次巷道变形的监测；

i.当进行下一次巷道变形监测时，在各个测站重复步骤c～f，每次在步骤f中的旋转激光测量装置测量区间的角度相同，并重复步骤h处理数据获得这次监测生成的各断面轮廓图像，将这次收集到的各断面轮廓图像与上一次的轮廓图像重叠对比，从而获得巷道围岩变形情况信息；

所述的锚索4长度比钻孔孔深多出200mm～300mm，所述的锚索4尾部有一个外螺纹套管5，套管长度比锚索外露长50mm～100mm，套管直径比锚索直径大4mm-6mm；所述钻孔长度为8m～10m，所述的钻孔直径比锚索4直径大4mm-6mm。所述测量周期为：前3天1次/天，第4天至第11天1次/2天，第12天至33天1次/7天。

图8为本发明的巷道矿压观测数据处理示意图，将测量的数据通过计算和编程转换成空间坐标系的坐标，从而可绘制出巷道断面的轮廓。通过以下两个实例介绍一下数据处理的过程：

m点和n点分别代表第M个测站和第N个测站。第M个测站是测量的其中刻度盘a为α_p＝0°和刻度盘b为β_p的巷道截面，测点M(0，0，M·S)，设该断面上一点为P(x_p，y_p，z_p)，巷道宽度为L，巷道高度为H，通过激光测距仪可测出距离l_p，可直接求得，x_p＝L/2，z_p＝M·S，y_p＝l_p·sinβ_p。第M个测站是测量的其中刻度盘a为α_q和刻度盘b为β_q的巷道截面，测点N(0，0，N·S)，设该断面上一点为Q(x_q，y_q，z_q)、肩角A₁(x₁，y₁，z₁)和肩角A₂(x₂，y₂，z₂)，要得出点Q的空间坐标得先求出Q所在的直线方程，因此通过肩角A₁和A₂即可得出直线方程，由激光测距仪可测出距离l_q、l_A1和l_A2，通过几何知识，可求出A₁A₂的直线方程，进而可求得Q的空间坐标。再用软件对直线方程进行编程，可以得出断面中所有监测点的坐标，将Z轴的坐标相同或误差在5mm之内的空间点作为一个巷道断面上的点，从而可以确定一个巷道断面的图像，处理所有的空间点使得变成巷道的整体轮廓图。