煤礦巷道圍巖內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

(中國礦業大學 能源與礦業學院，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向深部開采，在深部煤巖、地質斷層、高構造應力等復雜地質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律對礦井災害的預防和巷道支護設計以及圍巖變形的監測起著至關重要的作用。相較于穩定巷道圍巖的變形，復雜地質條件下的巷道圍巖的穩定性則受多種因素的影響，致使巷道圍巖穩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測十分重要[4]，設計一套礦井巷道圍巖內部變形智能感知系統，對煤礦巷道穩定性控制和安全智能開采具有重要的現實意義及時代意義。

學界對巷道圍巖變形監測開展了大量研究，主要可歸納為3類：第一類是巷道圍巖變形監測的傳統方式，主要是基于錨桿及索網支護衍生的各類方法[5-7]。第二類是基于錨固系統衍生的相關原理及方法，本文歸為常規監測巷道變形方法。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定性，提出了圍巖動態監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測，分析了巷道兩幫及頂底板變形與位移特點。第三類是運用電子設備進行監測的相關方法，李術才等[10]提出采用礦井鉆孔電視進行圍巖內部破壞監測，得到了4個斷面圍巖的分區破裂分布圖。蔣邦友等[11]運用探地雷達進行測試，通過分析測試結果得出了軌道運輸巷道圍巖松動圈的分布規律。孟慶勇等[12]設計了煤礦掘進巷道圍巖壓力在線監測預警系統，實現了對掘進巷道頂板離層、應力和聲發射參數的實時監測。周竹峰[13]采用三維激光掃描技術對巷道圍巖變形進行監測，楊化奎等[14]采用雙目視覺進行巷道變形實時監測達到了更高的圍巖變形監測精度，降低了虛警率。

當前學界已有多種巷道圍巖變形監測的方法，但傳統方式與常規監測巷道變形方法存在測量質量不佳、數據波動較大，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信息；而運用電子設備進行巷道變形監測的方法存在僅是對巷道圍巖的表面進行變形分析，對巷道圍巖內部監測的研究尚有匱乏，如當前主要采用的頂板離層儀，監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，缺少監測方法。基于此，本文利用當前的傳感器技術設計了一套成本低，具備穩定性、準確性、實時性的巷道圍巖變形智能感知系統，對解決監測巷道圍巖內部變形尤其是應力集中區域的監測力度不夠及時和準確的情況具有重要作用。

煤礦巷道圍巖內部位移感知系統設置了多連桿式結構，結構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，實現巷道圍巖變形的實時數據監測。

1 新型巷道圍巖內部位移監測儀工作原理及安裝結構

1.1 新型巷道圍巖內部位移監測儀的工作原理

新型巷道圍巖內部位移監測儀主要采用角度傳感器作為數據感知裝置。角度傳感器通過內置芯片對規定的直角坐標系中的三個軸線的旋轉角度進行感知，即對角度傳感器環繞各個軸線旋轉的角度進行測量和記錄，如圖1所示。新型巷道圍巖內部位移監測儀為多節連桿結構，每一段結構中均放置1個角度傳感器，不同的角度傳感器間相互連接，彼此進行數據的傳遞和記錄。

數據采集前，需要先對圍巖鉆孔，后將裝置平穩推入鉆孔中，并將數據存儲器與之相連。巷道掘進后，巷道圍巖在礦山壓力的作用下發生形變，巷道圍巖的形變帶動各節桿件產生轉動和位移，桿件間產生相對的角度變化，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化為電信號，經數據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)的轉換規則得出巷道圍巖內部位移監測儀單桿相對于上一節連接處的坐標變化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 單節新型巷道圍巖內部位移監測儀工作原理圖

對于多節巷道圍巖內部位移監測儀，我們采取相對坐標迭代計算來得到后續桿體的坐標位置，由公式(2)的轉換規則得出節數為n的巷道圍巖內部位移監測儀整體形變情況，并通過數據線按照自定義規則將數據按時序連續寫入數據采集存儲器，通過Matlab建立實時圍巖形變模型，同時利用顯示屏實時顯示，監測儀可通過外加軟件編程額外實現自定義時間間隔采集數據等功能。

(2)

本監測儀具有體積小、結構簡單、生產成本低的特點，在現場測試中，僅需將其放入鉆孔中，數據直接顯示在PC端，操作簡單易上手，具有廣泛應用的潛能。

1.2 新型巷道圍巖內部位移監測儀的組成及結構

新型巷道圍巖內部位移監測儀主要由角度傳感器、承載桿體、連接彎頭、顯示屏及數據采集存儲器等組成，其結構主要呈現為多節桿件連接形式，由金屬桿件作為監測儀的承載部分，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構，各傳感器通過XH2.54反向頭4P排線相互連接，傳感器將數據采集結果傳輸至電腦，裝置的結構示意如圖3所示。

圖3 圍巖內部分段監測結構示意(嵌入型)

1.3 新型巷道圍巖內部位移監測儀的系統結構

在巷道圍巖表面向內部鉆直徑為70 mm的鉆孔，間排距為1 200 mm×1 600 mm.由于傳感器是多節組成，可通過多節串聯實現不同長度鉆孔位移監測，所以鉆孔長度根據所需要監測的深度設置。

鉆孔后將新型巷道圍巖內部位移感知儀桿體結構，平行于鉆孔進行放置，放置前,應清除鉆孔內堆積鉆屑，以保證儀器的安裝及精度。將儀器安置到位后，打入粘結劑，通過粘結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，以提高儀器的監測精度。

將監測儀安裝結束后，應先將監測儀與上位機系統進行連接，對監測儀進行置零，并根據開采或研究的需要，對監測儀的數據收取的頻率及精度進行調整，在按規劃將感知系統中的所有監測儀安裝并調試完成后，新型巷道圍巖內部位移監測儀的系統初步完成。

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，與模型儀器監測系統形成對比。

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 單節儀器巷道圍巖位移變化試驗

試驗將模擬單節儀器在巷道圍巖中的運動及位移變化，用角度測量儀來規定試驗中監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，具體試驗數據如表1所示。

表1 單節儀器巷道圍巖位移變化試驗數據

2.3 多節儀器巷道圍巖位移變化試驗

試驗將模擬三節儀器在巷道圍巖中的運動及位移變化，用角度測量儀來規定試驗中監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。

由于多節模型中每節模型的旋轉角度相互獨立，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定性，對此進行兩組重復試驗，每組試驗的單一數據進行兩次重復測量，試驗數據如表2和表3所示。

2.4 儀器試驗測量結果的精度分析與討論

2.4.1 單次試驗測量結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°，與之前的監測儀器相比，本儀器的精度大大提高，更有利于相關數據的采集和科研試驗的進行。試驗過程中產生了一些誤差，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，完全符合煤礦開采過程中對巷道圍巖變形的監控需要。

表2 多節儀器巷道圍巖位移變化試驗數據(一次測量)

表3 多節儀器巷道圍巖位移變化試驗數據(重復測量)

2.4.2 重復試驗測量結果的精度分析與討論

為檢測該儀器的穩定性和重復多次監測數據的能力，通過對同一角度的多次試驗，及儀器的重新布置與再測量，將所得的試驗數據進行綜合處理，可以看出多次試驗結果的數據較為穩定，基本試驗數據浮動最大差值在1～2°之內，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，對儀器所得數據進行指定的公式計算，得到模型監測儀所反映的位置空間數據，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。對于反映結果進行分析，可以看出模型的測量數據所推出的結果，對于0.5 m范圍內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部的圍巖變形情況，滿足礦井巷道圍巖的變形監測的需求。

2.4.4 儀器優勢分析

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

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

圍巖變形陣列式感知系統利用現有監測傳感器及上位機等技術，不需要人為進行實施測量，而是結合現有的軟件分析技術，達到對巷道圍巖變形的監測目的；監測范圍廣，圍巖變形陣列式感知裝置可通過增加節桿數量的方式來不斷提高監測范圍，對圍巖內部較深處也能夠實現監測目的，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合的優點，可在巷道中大規模安裝，實現對整個巷道的全面監測；環境適應性強，圍巖變形陣列式測量方法能夠適應各種較差環境，真正實現對巷道圍巖變形的精準監測；造價低，制作較簡單，監測儀所需的結構件較少，能夠在煤礦大規模的應用，且監測效果好。

3 結 語

本文提出的巷道圍巖內部位移感知系統，利用了基于現代傳感技術的新型圍巖位移監測儀，作為一種新型的圍巖位移監測方式，突破了傳統儀器的檢測方式，避免了人力的過多消耗，實現了圍巖位移變形監控的實時性。通過該圍巖位移監測儀，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測儀的監測精度較高，可以達到萬分位，與之前的監測儀器相比，本儀器的精度大大提高，更有利于相關數據的采集，可以為后續相關科研活動打下基礎，并在一定程度上有利于煤礦開采的智能化推進。