围岩不同区域连续性变形实时监测装置的制造方法
【专利摘要】围岩不同区域连续性变形实时监测装置，属于矿井安全领域，以克服现有监测设备不能实时监测围岩不同区域的连续性变形的缺点。包括依次推进或依次收回的阶梯形中空推杆，其中设置有容置导向管及监测基点的容置腔，监测基点附着在导向管外部，探头包括相互连接的信号发射接收装置及监视单元，监视单元用于监测钻孔内监测基点处的连续性变形情况，信号发射接收装置用于接收监视单元发送的监视信号并将信号发送给围岩变形监测器，所述信号发射接收装置设置在导向管外并与导向管前端连接；所述围岩变形监测器包括实时变形监测模块，数据采集器分别与围岩变形监测器及计算机相连。本实用新型适用于矿山开采、土木、隧道施工过程中。
【专利说明】
围岩不同区域连续性变形实时监测装置
技术领域
[0001]本实用新型属于矿井安全技术领域，涉及一种煤矿监测装置，具体是一种实时监测不同围岩层中的不同区域连续性变形的装置。
【背景技术】
[0002]煤炭是我国的主体能源，而煤矿产业也是我国经济发展中其他相关企业发展的基础，在我国一直都有着重要的地位。煤矿产业在为我国经济发展做出贡献的同时，其也是我国生产事故多发产业，因此煤矿安全问题倍受关注。矿井中通常使用锚杆支护的方式支护煤巷顶板，具体是用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱，打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板(亦可不用)，或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的。该方式具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。然而，锚杆支护的煤巷顶板在破坏之前一般没有明显的预兆，一旦发生冒顶，往往具有突发性，且多数情况下垮塌规模较大，危害性强。已有研究成果和工程经验表明，离层是煤巷顶板破坏失稳的基本特征或直接原因。离层是指围岩内不同岩层之间的变形位移，而围岩不同区域连续性变形囊括了围岩内不同岩层之间的变形位移。因此，如果能及时准确地掌握煤巷锚杆支护的顶板离层情况，就可以在冒顶发生之前及早做出预警，避免顶板事故发生。
[0003]目前，运用在隧道、井巷等岩土工程中的离层位移监测装置，包括感应锚固头、探头及离层位移监测主机。进行离层位移监测的过程如下:首先在巷道中钻取合适的上行、下行的钻孔，待钻孔施工完成后，用硬性塑料管伸入孔内，然后将所有监测基点安装到设计的位置，待监测基点安装完成后，用石膏封孔，等石膏凝固后，将探头沿着硬性塑料管伸至管底，进行离层位移监测。该方法存在以下缺点:
[0004]1.每次监测都需要将探头放入钻孔中进行单独测量，不能实时监测围岩不同区域连续性变形。
[0005]2.考虑仪器的安全情况，每次监测完毕都需要将探头、离层位移监测主机一并带回地面，严重影响了工作的效率。
[0006]3.每次监测都是人工将探头放入钻孔内，不仅花费人力，而且还容易人为扰动监测基点，增大监测数据的误差。
[0007]4.由于探头体积大、易折，因此在携带和实验过程中容易损坏，增大了实验成本，影响监测进程，延误整个实验的时间。
[0008]5.探头防水性能差，探头进水后不能正常使用。
[0009]因此，现在亟需一种能够实时监测围岩不同区域的岩层连续性变形、提高实验效率的装置。
【实用新型内容】
[0010]本实用新型所要解决的技术问题是为了克服现有技术的监测设备不能实时监测围岩不同区域的连续性变形情况，且无法将监测到的数据及时反馈给操作人员的缺点，提供一种围岩不同区域连续性变形实时监测装置。
[0011]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:围岩不同区域连续性变形实时监测装置，包括阶梯形中空推杆、导向管、数据采集器、围岩变形监测器、探头、计算机及若干个监测基点，探头分别与围岩变形监测器及监测基点相连，数据采集器分别与围岩变形监测器及计算机相连，监测基点包括内含信号感应芯片的倒棘爪锚头，倒棘爪锚头附着在导向管外部，阶梯形中空推杆能够依次推进延长或依次收回缩短，阶梯形中空推杆中设置有容置导向管及监测基点的容置腔，阶梯形中空推杆用于将监测基点及探头推放待监测围岩的待监测处，导向管用于导向安装监测基点及探头;所述探头包括相互连接的信号发射接收装置及监视单元，所述监视单元用于监测钻孔内监测基点处的连续性变形情况，信号发射接收装置用于接收监视单元发送的监视信号，并将该信号发送给围岩变形监测器，所述信号发射接收装置设置在导向管外并与导向管前端连接;所述围岩变形监测器包括实时变形监测模块，所述实时变形监测模块包括依次相连的变形监测子模块、处理子模块、存储子模块、数据传输子模块，所述存储子模块为容量大于等于ITB的大容量存储单元。
[0012]进一步的，还包括设置于导向管末端的密封部件。
[0013]优选的，所述数据采集器包括无线数据接收模块、数据传输模块及存储模块，围岩变形监测器的数据传输子模块为无线数据传输子模块，数据采集器与围岩变形监测器以无线通信方式传输数据，数据采集器与计算机通过数据线相连。
[0014]优选的，所述信号发射接收装置为圆柱形信号发射接收装置，围绕信号发射接收装置外侧设置有壳体。
[0015]进一步的，所述导向管前端的外径设置有螺纹，所述固定螺母包括相连接的圆锥形前部及圆柱体后部，所述圆锥形前部中设置有小螺纹孔，圆柱体后部设有大螺纹孔，大螺纹孔与导向管前端外径上的螺纹相匹配，壳体上连接有固定螺杆，固定螺杆与小螺纹孔相匹配，通过固定螺母将信号发射接收装置固定在导向管前端。
[0016]具体的，所述实时变形监测模块还包括预警子模块，所述预警子模块与处理子模块相连，所述预警子模块为报警灯和/或声音报警装置。
[0017]优选的，所述处理子模块中设定有一个阈值，当监测到各监测基点处连续性变形大于阈值时，处理子模块发出预警信息，触发预警子模块报警。
[0018]优选的，所述监测基点包括分别设置于围岩不同区域中的至少三个监测基点。
[0019]优选的，所述监视单元由线状的探头材料组成，依靠探头材料的特性，探头中的脉冲电流将影响钻孔中监测基点倒棘爪锚头的场强，同时，场强的变化将在探头材料中产生压力脉冲并沿探头材料以声速传递，通过测量压力脉冲达到探头信号发射接收装置的时间得到围岩不同区域监测基点到孔口的距离。
[0020]本实用新型的有益效果是:结构简单，易于操作，测量精度高，深度大，监测点数目多，末端密封的导向管可以防止探头进水损坏，延长探头使用寿命，大容量存储单元能够存储大量的数据，减少工作量，提高工作效率;通过使用该装置能够实时监测围岩不同区域连续性变形并及时反馈测量数据，以便操作人员能够及时采取相应的支护措施，防止因开采和爆破导致巷道失稳而片帮或冒顶，有效提高煤矿开采的安全性。本实用新型适用于矿山开采、土木、隧道施工过程中。
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型安装监测基点时的阶梯形中空推杆处的结构示意图；
[0022]图2是本实用新型中阶梯形中空推杆的结构示意图；
[0023]图3是本实用新型安装好的结构示意图；
[0024]图4是本实用新型中探头与导向管固定的结构示意图；
[0025]图5是本实用新型中监测基点的监测原理图；
[0026]图6是本实用新型的使用时的现场布置图；
[0027]其中，I为钻孔，2为监测基点，3为阶梯形中空推杆，4为导向管，5为探头，6为固定螺母，7为封孔材料，8为围岩变形监测器，9为数据采集器，10为数据线，11为计算机，12为报警灯。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，详细描述本实用新型的技术方案。
[0029]如图1-3所示，本实用新型的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，包括阶梯形中空推杆3、导向管4、数据采集器9、围岩变形监测器8、探头5、计算机11及若干个监测基点2，探头5分别与围岩变形监测器8及监测基点2相连，此处探头5与监测基点2的相连即探头5能感知监测监测基点2的数据，数据采集器9分别与围岩变形监测器8及计算机11相连，监测基点2包括内含信号感应芯片的倒棘爪锚头，倒棘爪锚头附着在导向管4外部，倒棘爪锚头为现有部件，其中的信号感应芯片是指倒棘爪锚头内部的磁性环，并不是传统意义上的芯片，广义描述为信号感应芯片，其与监视单元相感应，进行变形监测。
[0030]如图2所示，阶梯形中空推杆3如钓鱼竿那样，能够依次推进延长或依次收回缩短，阶梯形中空推杆3中设置有容置导向管4及监测基点2的容置腔，使用该推杆的时候，导向管4位于阶梯形中空推杆3的内部，阶梯形中空推杆3用于将监测基点2及探头5推放到待监测围岩的待监测处，导向管4用于导向安装监测基点2及探头5。如图1所示，在钻孔I内利用阶梯形中空推杆3将一个监测基点2套在导向管4外部所对应的围岩层的特定位置。
[0031]所述探头5包括相互连接的信号发射接收装置及监视单元，所述监视单元用于监测钻孔内监测基点2所在的区域内连续性变形情况。信号发射接收装置用于接收监视单元发送的监视信号，并将该信号发送给围岩变形监测器8，所述信号发射接收装置设置在导向管外并与导向管前端连接，通过探头采集所有监测基点的数据。为了增强减小信号衰减，提高数据传递效率，所述信号发射接收装置为圆柱形信号发射接收装置。信号发射接收装置和监视单元可以以无线方式传递信号，此外，也可以选择有线方式传递信号。在本领域中使用的探头的监视单元通常由线状的探头材料组成，依靠探头材料的特性，探头中的脉冲电流将影响测孔中监测基点倒棘爪锚头的场强，同时，这个场强的变化将在探头材料中产生压力脉冲并沿探头材料以声速传递，压力脉冲达到探头末端即信号发射接收装置的时间可以测量，通过测量压力脉冲达到探头信号发射接收装置的时间得到围岩不同区域监测基点到孔口的距离，测量监测基点位置的精度高达0.028mm。使用该探头精度高且反应灵敏。变形监测模块自动计算每个监测基点与孔口或孔顶(底)之间的位移和相邻监测基点之间的变形。在使用的时候，监视单元位于导向管内部，在安装过程中，沿着导向管伸入，才不会对已经安装好的倒棘爪锚头造成扰动，提高检测精度。为了增强对探头5的保护力，探头5包括壳体，优选的，所述壳体采用硬质塑料，成本低廉，且不会对数据传输造成信号能量衰减。通过一个探头可以采集所有基点数据，监视单元与所有监测基点2通过磁感应实时监测基点的变形。
[0032]所述围岩变形监测器8包括实时变形监测模块。实时变形监测模块可以用现有的变形监测模块实现，也可以用本技术方案中设计的模块实现，具体如下:所述实时变形监测模块包括依次相连的可控持续性变形监测子模块、处理子模块、存储子模块、数据传输子模块，变形监测子模块为可控持续性变形监测子模块，可实现实时持续性变形监测与自定义持续性变形监测，其可控性能由软件实现，利用可以设定每隔一定单位时间进行一次监测，也可以设定监测的开始时间、持续时间和间隔时间等参数。如此设计，则整个装置的智能化高，能够减少测量误差，提高测量的精度，更全面地体现围岩不同区域连续性变形。所述存储子模块为容量大于等于ITB的大容量存储单元，存储子模块可以存储大量的数据，减少工作量。具体的是围岩变形监测器8中的可控持续性变形监测子模块与探头5相连。为了增强本装置的智能性，所述实时变形监测模块还包括预警子模块，所述预警子模块与处理子模块相连，所述预警子模块为报警灯12和/或声音报警装置，所述处理子模块中设定有一个阈值，当监测到各监测基点处连续性变形大于阈值时，处理子模块发出预警信息，触发预警子模块报警。
[0033]为了延长探头的使用寿命，防止进水损坏探头，本装置还包括设置于导向管4末端的密封部件，如采用密封塞，将导向管截取到合适的长度，末端用密封塞密封，防止进水。将导向管安装到孔底位置。末端密封的导向管可以防止探头进水损坏，进而提高工作效率。此外还可以直接采用密封材料进行密封。从上述内容可知，末端密封的导向管不仅能够导向安装监测基点、探头，还能够保护探头。
[0034]为了增强使用便利性，所述数据采集器9包括无线数据接收模块、数据传输模块及存储模块，围岩变形监测器8的数据传输子模块为无线数据传输子模块，如此设计，数据采集器9与围岩变形监测器8以无线通信方式传输数据，数据采集器9与计算机11通过数据线10相连。
[0035]如图4所示，所述导向管4前端的外径设置有螺纹，所述固定螺母6包括相连接的圆锥形前部及圆柱体后部，所述圆锥形前部中设置有小螺纹孔，圆柱体后部设有大螺纹孔，大螺纹孔与导向管4前端外径上的螺纹相匹配，所述信号发射接收装置外侧的壳体上连接有固定螺杆，固定螺杆与小螺纹孔相匹配，通过固定螺母6将探头的信号发射接收装置固定在导向管前端，如此设计能够提高连接的紧固力，增强固定效果。在将探头安装到指定位置后，利用固定螺母6将其前端与探头的信号发射接收装置连接，其后端与导向管4连接，从而实现将探头5和导向管4固定在一起的操作。
[0036]监测原理如图5所示:底部直线表示孔口，从下到上依次是围岩不同区域监测基点1、2、3-1-11(1<1<11，11<60)，第一次测量围岩不同区域监测基点到孔口距离分别为:11、
12、13...?Γ..1η，第二次测量围岩不同区域监测基点到孔口距离分别为
，监测基点I到孔口变形量A I1 = I1-1/，监测基点2到孔口变形量Δ l2 = l2-lY，监测基点3到孔口变形量Δ I3 = I3-1/，监测基点i到孔口变形量Δ Ii=I1-1i7，监测基点η到孔口变形量A In=In-1n7。监测基点I到监测基点2的变形量Δ Si= Δ I2-A Ii，监测基点2到监测基点3的变形量Δ S2= A I3-Δ 12，监测基点i到监测基点η的变形量Δ Si= Δ In-Δ h。
[0037]如图6所示，使用时阶梯形中空推杆3、导向管4及监测基点2放置于钻孔I内部。无需在对每个监测基点进行测量后将探头、导向管及阶梯型中空推杆从钻孔中拿出来而后观测完数据再将其放入，因此，能够避免探头等设备的损坏。图中巷道上方依次为岩层1、煤层、岩层2，因此在钻孔内的监测基点包括分别设置于围岩不同区域中的至少三个监测基点，即分别位于岩层1、煤层、岩层2。本实用新型的使用方法及原理如下:
[0038]1.根据实验要求，在待测量巷道内合适位置钻取上行钻孔。
[0039]2.待成孔后，将导向管截取到合适的长度，末端用密封塞密封，防止进水。将导向管安装到孔底位置。
[0040]3.对监测基点编号，实验选用若干个倒棘爪锚头。将倒棘爪锚头放置在阶梯形中空推杆的末端，将阶梯形中空推杆沿着导向管向孔内推进，将倒棘爪锚头安装在预设位置。
[0041]4.重复3步骤，直至将所有测量用的倒棘爪锚头安装好，形成监测基点1、2、3。
[0042]5.用如石膏等的封孔材料7对钻孔进行封孔，此外也可以采用特定的封孔部件封孔，同时将导向管居中固定。
[0043]6.将探头沿着导向管安装到钻孔底部，用孔口的固定螺母将探头与导向管固定一起，具体而言，是将探头的信号发射接收装置与导向管端部固定在一起，而将探头的监视单元放置在导向管内部，对监测基点进行监测。
[0044]7.将围岩变形监测器与安装好的探头相连，开启围岩变形监测器，通过探头与监测基点倒棘爪锚头感应监测基点的位置，检验监测基点个数;实时监测围岩不同区域连续性变形;孔内安装的围岩不同区域监测基点1、2、3，第一次测量围岩不同区域监测基点孔口距离分别为山、12、13，第二次测量围岩不同区域监测基点孔口距离分别为:1/、1/、1/，监测基点I到孔口变形量Δ Ii = I1-1i7，监测基点2到孔口变形量Δ I2 = I2-1/，监测基点3到孔口变形量Δ 13 = 13-137。监测基点I到监测基点2的变形量Δ Si= Δ I2-A li，监测基点2到监测基点3的变形量Δ S2= Δ I3- Δ I2o
[0045]8.将报警灯12与实时变形监测模块的处理子模块相连，在处理子模块中设定有一个阈值，当监测到各监测基点处连续性变形大于阈值时，处理子模块发出预警信息，触发预警子模块报警，报警灯12就会发出预警而闪烁。
[0046]9.围岩变形监测器采用红外线无线传输方式将数据传输到数据采集器，数据采集器采集器通过有线传输，实现将测量数据值上载到计算机。
[0047]通过围岩变形监测器能够利用软件自动整理采集的数据，得到围岩不同区域连续性变形，实时监测不同区域岩层连续性变形，其预警子模块能够预防事故发生。整个围岩不同区域变形智能监测装置智能化高，能够减少测量误差，提高测量的精度，更全面地体现围岩不同区域连续性变形。本实用新型能够用于监测巷道顶底板不同区域的连续性变形，为巷道支护、井巷工程设计提供依据。
【主权项】
1.围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，包括阶梯形中空推杆(3)、导向管(4)、数据采集器(9)、围岩变形监测器(8)、探头(5)、计算机(11)及若干个监测基点(2)，探头(5)分别与围岩变形监测器(8)及监测基点(2)相连，数据采集器(9)分别与围岩变形监测器(8)及计算机(11)相连，监测基点(2)包括内含信号感应芯片的倒棘爪锚头，倒棘爪锚头附着在导向管(4)外部，阶梯形中空推杆(3)能够依次推进延长或依次收回缩短，阶梯形中空推杆(3)中设置有容置导向管(4)及监测基点(2)的容置腔，阶梯形中空推杆(3)用于将监测基点(2)及探头(5)推放到待监测围岩的待监测处，导向管(4)用于导向安装监测基点(2)及探头(5);所述探头(5)包括相互连接的信号发射接收装置及监视单元，所述监视单元用于监测钻孔内监测基点(2)处的连续性变形情况，信号发射接收装置用于接收监视单元发送的监视信号，并将该信号发送给围岩变形监测器(8)，所述信号发射接收装置设置在导向管外并与导向管前端连接;所述围岩变形监测器(8)包括实时变形监测模块，所述实时变形监测模块包括依次相连的变形监测子模块、处理子模块、存储子模块、数据传输子模块，所述存储子模块为容量大于等于ITB的大容量存储单元。2.如权利要求1所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，还包括设置于导向管(4)末端的密封部件。3.如权利要求1或2所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，所述数据采集器(9)包括无线数据接收模块、数据传输模块及存储模块，围岩变形监测器(8)的数据传输子模块为无线数据传输子模块，数据采集器(9)与围岩变形监测器(8)以无线通信方式传输数据，数据采集器(9)与计算机(11)通过数据线(1)相连。4.如权利要求1所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，所述信号发射接收装置为圆柱形信号发射接收装置，围绕信号发射接收装置外侧设置有壳体。5.如权利要求4所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，还包括固定螺母(6)，所述导向管(4)前端的外径设置有螺纹，所述固定螺母(6)包括相连接的圆锥形前部及圆柱体后部，所述圆锥形前部中设置有小螺纹孔，圆柱体后部设有大螺纹孔，大螺纹孔与导向管(4)前端外径上的螺纹相匹配，所述壳体上连接有固定螺杆，固定螺杆与小螺纹孔相匹配，通过固定螺母(6)将信号发射接收装置固定在导向管前端。6.如权利要求1所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，所述实时变形监测模块还包括预警子模块，所述预警子模块与处理子模块相连，所述预警子模块为报警灯(12)和/或声音报警装置。7.如权利要求6所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，所述处理子模块中设定有一个阈值，当监测到各监测基点处连续性变形大于阈值时，处理子模块发出预警信息，触发预警子模块报警。8.如权利要求1所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，所述监测基点包括分别设置于围岩不同区域中的至少三个监测基点。9.如权利要求1所述的围岩不同区域连续性变形实时监测装置，其特征在于，所述监视单元由线状的探头材料组成，依靠探头材料的特性，探头中的脉冲电流将影响钻孔中监测基点倒棘爪锚头的场强，同时，场强的变化将在探头材料中产生压力脉冲并沿探头材料以声速传递，通过测量压力脉冲达到探头信号发射接收装置的时间得到围岩不同区域监测基点到孔口的距离。
【文档编号】G01B17/04GK205426097SQ201620180220
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】李安强, 高明忠, 张茹, 徐晓炼, 谢晶, 谭强, 邱治强, 汪文勇
【申请人】四川大学