巷道围岩矿压检测装置及方法与流程

1.本发明涉及巷道施工技术领域，尤其涉及一种巷道围岩矿压检测装置及方法。


背景技术：

2.巷道是在地表与煤体之间钻凿出的各种通路，以用于进行运矿、通风、排水、行人等工作。巷道在使用过程中难免受到回采工作面的采动影响，由于回采工作面的采动在巷道围岩两侧形成高应力集中区，当巷道围岩两侧所对应的kγh值(其中，k为应力集中系数；γ为顶板岩层容重，kg/m3；h为埋深，m)超过顶板岩层承受极限时，顶板会断裂进而产生冲击振动，高应力集中与冲击振动作用于巷道围岩导致巷道产生严重的变形破坏。
3.巷道围岩的变形破坏是一个动态的渐进变形破坏过程，该过程具有规律可寻。因此，为了对巷道围岩矿压的显现作出预测，同时也是为后续的围岩稳定性控制技术做指导，人们会主动的去观测巷道围岩的应力、冲击振动与位移。
4.对于巷道围岩表面位移的监测，更多的是采用皮尺进行手动监测，通过皮尺进行手动监测因具有方便易用的优点而被广泛使用，但是监测的数据误差往往偏大。
5.对于巷道围岩应力和冲击振动等相关变量的监测，人们往往花费巨大的经济成本制造庞大的数据采集系统，借助于煤矿的生产电源，在巷道围岩上安装大而笨重的设备以进行监测，随着工作的推进，还要实时移动电源箱等各种设备，而且数百米长的数据线裸露在巷道围岩之上，容易被井下的生产施工损坏，不仅影响生产，而且还影响数据采集工作的正常进行。
6.综上可以看出，针对于巷道围岩矿压的显现工作，需要监测的量为巷道围岩位移、冲击振动和围岩应力等，而现有的对巷道围岩位移、冲击振动和围岩应力的监测工作，通常是采用不同的监测设备并以不同的方法进行监测，难以在同一时间点内对这些变量进行统一实时监测，因此，急需一种能够实时对多参数进行统一监测、结构简单、电源自给、价格低廉、轻便易带且能独立监测某一区域巷道围岩的巷道围岩矿压检测装置。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种巷道围岩矿压检测装置及方法，以解决在现有技术中，针对于巷道围岩位移、冲击振动和围岩应力的监测工作，通常是采用不同的监测设备并以不同的方法进行监测，难以在同一时间点内对这些变量进行统一实时监测的问题。
8.本发明的第一方面提供了一种巷道围岩矿压检测装置，包括：
9.连接组件，所述连接组件适于置入巷道围岩内部，且连接有震动传感器、上应力传感器、下应力传感器、前应力传感器和后应力传感器，所述上应力传感器和所述下应力传感器分别连接于所述连接组件的上端和下端，所述前应力传感器和所述后应力传感器的排布方向沿巷道的长度方向，所述前应力传感器和后应力传感器分别位于所述连接组件的相对两侧。
10.进一步地，还包括：
11.数据分析采集仪，所述数据分析采集仪适于连接巷道围岩表面，所述数据分析采集仪与震动传感器、上应力传感器、下应力传感器、前应力传感器及后应力传感器信号连接。
12.进一步地，还包括：
13.测距装置，所述测距装置设置在所述数据分析采集仪上，所述测距装置与所述数据分析采集仪信号连接。
14.进一步地，所述数据分析采集仪设有数据分析采集仪开关、震动按钮、应力按钮和信息显示屏。
15.进一步地，所述数据分析采集仪适于与巷道围岩锚网连接。
16.进一步地，所述数据分析采集仪内置有电源，所述电源用于对所述数据分析采集仪、所述上应力传感器、所述下应力传感器、所述前应力传感器及所述后应力传感器供电。
17.进一步地，还包括：
18.数据导线，所述数据导线的一端与所述数据分析采集仪电连接，所述数据导线的另一端适于与震动传感器、上应力传感器、下应力传感器、前应力传感器及后应力传感器电连接。
19.进一步地，还包括：
20.六通数电接头，所述六通数电接头的六个接头分别适于与所述上应力传感器、所述下应力传感器、所述前应力传感器、所述后应力传感器、所述震动传感器及所述数据导线电连接；
21.所述连接组件设有第一通孔、第二通孔和第三通孔，所述第一通孔、所述第二通孔和所述第三通孔两两垂直交叉，形成中部适于容置所述六通数电接头的空间，所述第一通孔延伸方向沿竖直方向，所述第一通孔的上端和下端分别适于套设所述上应力传感器和所述下应力传感器，所述第二通孔延伸方向沿巷道的长度方向，所述第二通孔的两端分别适于套设所述前应力传感器和后应力传感器，所述第三通孔延伸方向垂直于巷道的长度方向，所述第三通孔靠近所述数据分析采集仪的一端适于连接所述数据导线，所述第三通孔的另一端适于套设所述震动传感器。
22.进一步地，所述连接组件包括：
23.第一半球体，所述第一半球体的平面端设有第一弧形凹槽和第二弧形凹槽，所述第一弧形凹槽和所述第二弧形凹槽垂直交叉，且交叉处位于所述第一半球体的球心位置，所述第一半球体设有第四通孔，所述第四通孔的延伸方向沿所述第一半球体的轴向并与所述第一半球体的平面端垂直；
24.第二半球体，所述第二半球体的平面端设有第三弧形凹槽和第四弧形凹槽，所述第三弧形凹槽和所述第四弧形凹槽垂直交叉，且交叉处位于所述第二半球体的球心位置，所述第二半球体设有第五通孔，所述第五通孔的延伸方向沿所述第二半球体的轴向并与所述第二半球体的平面端垂直；
25.通过使所述第一半球体和所述第二半球体对合，以使：所述第一弧形凹槽和所述第三弧形凹槽对合形成所述第一通孔，所述第二弧形凹槽和所述第四弧形凹槽对合形成所述第二通孔，所述第四通孔和所述第五通孔对接形成第三通孔。
26.本发明的第二方面提供了一种巷道围岩矿压检测方法，包括：
27.利用本发明第一方面提供的所述巷道围岩矿压检测装置进行巷道围岩矿压检测。
28.本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的有益效果为：
29.在巷道围岩上，上、下、前、后四个方向的围岩应力会直接影响巷道围岩的变形情况，连接组件置入于巷道围岩的内部，通过在连接组件上连接上应力传感器、下应力传感器、前应力传感器和后应力传感器，以分别对巷道围岩的上应力、下应力及沿巷道长度方向上的前应力和后应力进行监测，进而实时对能影响巷道围岩变形的围岩应力进行监测，此外，通过在连接组件上设置震动传感器，以对巷道围岩所承受的冲击振动情况进行实时监测，在一个装置上同时实现了对围岩应力和冲击振动的监测，避免了现有的监测方式难以在同一时间点内对围岩应力和冲击振动等多个变量进行统一实时监测的问题。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是回采巷道围岩在受动载荷与静载荷作用下的示意图；
32.图2是本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的整体结构示意图；
33.图3是本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的第一半球体的结构示意图之一；
34.图4是本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的第一半球体的结构示意图之二；
35.图5是本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的第二半球体的结构示意图；
36.图6本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的数据分析采集仪的结构示意图；
37.图7本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的数据导线的结构示意图；
38.图8是本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的六通数电接头的结构示意图；
39.图9是本发明提供的巷道围岩矿压检测装置的现场安装使用示意图。
40.1、连接组件；11、第一半球体；111、第一弧形凹槽；112、第二弧形凹槽；113、第四通孔；12、第二半球体；121、第三弧形凹槽；122、第四弧形凹槽；123、第五通孔；2、震动传感器；31、上应力传感器；32、下应力传感器；33、前应力传感器；34、后应力传感器；4、数据分析采集仪；41、数据分析采集仪开关；42、震动按钮；43、应力按钮；44、信息显示屏；45、数据分析仪接头；46、位移按钮；5、测距装置；6、数据导线；61、第一接头；62、第二接头；7、六通数电接头；71、数据导线接头；81、第一通孔；82、第二通孔；83、第三通孔。
具体实施方式
41.为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
42.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而
不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
44.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，特征在第二特征“上”或“下”可以是和第二特征直接接触，或和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示特征水平高度高于第二特征。特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示特征水平高度小于第二特征。
45.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“方面实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
46.巷道是在地表与煤体之间钻凿出的各种通路，以用于进行运矿、通风、排水、行人等工作。巷道在使用过程中难免受到回采工作面的采动影响，请参照图1，由于回采工作面的采动在巷道围岩两侧形成高应力集中区，两侧高应力集中区分别对应k1γh值和k2γh值(其中，k1和k2为应力集中系数；γ为顶板岩层容重，kg/m3；h为埋深，m)，当k1γh值和k2γh值超过顶板岩层承受极限时，顶板会断裂进而产生冲击振动，高应力集中与冲击振动作用于巷道围岩导致巷道产生严重的变形破坏。
47.巷道围岩的变形破坏是一个动态的渐进变形破坏过程，该过程具有规律可寻。因此，为了对巷道围岩矿压的显现作出预测，同时也是为后续的围岩稳定性控制技术做指导，人们会主动的去观测巷道围岩的应力、冲击振动与位移。
48.对于巷道围岩表面位移的监测，更多的是采用皮尺进行手动监测，通过皮尺进行手动监测的方式因具有方便易用的优点而被广泛使用，但是监测的数据误差往往偏大。
49.此外，对于巷道围岩应力和冲击振动等相关变量的监测，人们往往花费巨大的经济成本制造庞大的数据采集系统，借助于煤矿的生产电源，在巷道围岩上安装大而笨重的设备以进行监测，随着工作的推进，还要实时移动电源箱等各种设备，而且数百米长的数据线裸露在巷道围岩之上，容易被井下的生产施工损坏，不仅影响生产，而且还影响数据采集工作的正常进行。
50.综上可以看出，针对于巷道围岩矿压的显现工作，需要监测的量为巷道围岩位移、冲击振动和围岩应力等，而现有的对巷道围岩位移、冲击振动和围岩应力的监测工作，通常是采用不同的监测设备并以不同的方法进行监测，难以在同一时间点内对这些变量进行统一实时监测，因此，急需一种能够实时对多参数进行统一监测、结构简单、电源自给、价格低
廉、轻便易带且能独立监测某一区域巷道围岩的巷道围岩矿压检测装置，为此：
51.第一方面，本发明提供了一种巷道围岩矿压检测装置，主要包括连接组件1、震动传感器2、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33和后应力传感器34：
52.结合2至图9所示，连接组件1适于置入巷道围岩内部，震动传感器2、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33和后应力传感器34连接在连接组件1上，上应力传感器31和下应力传感器32分别连接于连接组件1的上端和下端，前应力传感器33和后应力传感器34的排布方向沿巷道的长度方向，前应力传感器33和后应力传感器34分别位于连接组件1的相对两侧。
53.在本实施例中，在巷道围岩上，上、下、前、后四个方向的围岩应力会直接影响巷道围岩的变形情况，可理解地，此处所述的前、后两个方向是沿巷道长度方向而言，本实施例基于该实际情况，通过将连接组件1置入于巷道围岩的内部，并通过在连接组件1上连接上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33和后应力传感器34，以分别对巷道围岩的上应力、下应力及沿巷道长度方向上的前应力和后应力进行监测，进而实时对能影响巷道围岩变形的围岩应力进行监测，此外，通过在连接组件1上设置震动传感器2，以对巷道围岩所承受的冲击振动情况进行实时监测，在一个装置上同时实现了对围岩应力和冲击振动的监测，避免了现有的监测方式难以在同一时间点内对围岩应力和冲击振动等多个变量进行统一实时监测的问题。
54.请参照图6，根据本发明的一个实施例，还包括：
55.数据分析采集仪4，数据分析采集仪4适于连接巷道围岩表面，数据分析采集仪4与震动传感器2、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33及后应力传感器34信号连接。
56.可理解地，数据分析采集仪4设置有控制器(图中未示出)，控制器用于实现数据接收、数据存储和数据分析等功能，控制器可以内置于数据分析采集仪4，也可以外置于数据分析采集仪4，优选地，在本实施例中，为避免控制器因巷道施工而遭到损坏，控制器内置于数据分析采集仪4的内部，控制器与震动传感器2、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33及后应力传感器34信号连接。
57.具体地，在本实施例中，数据分析采集仪4设有数据分析采集仪开关41、震动按钮42、应力按钮43和信息显示屏44，数据分析采集仪开关41用于打开或关闭数据分析采集仪4，震动按钮42用于控制震动传感器2的工作的开启或关闭，应力按钮43用于控制上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33和后应力传感器34的工作的开启或关闭，信息显示屏44用于显现震动传感器2、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33和后应力传感器34所测数据。
58.根据本发明的一个实施例，还包括：
59.测距装置5，测距装置5设置在数据分析采集仪4上，测距装置5与数据分析采集仪4信号连接。
60.在本实施例中，测距装置5通过对巷道宽度变化情况或巷道高度变化情况进行实时监测，以实现对巷道围岩表面的位移变化情况，可见，本实施例可在同一时间点上对巷道围岩位移、冲击振动和围岩应力进行统一测量。
61.具体地，测距装置5包括激光测距传感器，激光测距传感器的测量端朝向对面巷道
围岩，可理解地，若数据分析采集仪4连接于巷道左帮围岩，则激光测距传感器的测量端朝向巷道右帮围岩，以测量巷道右帮围岩与巷道左帮围岩的距离，实现对巷道宽度变化情况的实时监测，若数据分析采集仪4连接于巷道顶板围岩，则激光测距传感器的测量端朝向巷道底板围岩，以测量巷道顶板围岩与巷道底板围岩的距离，实现对巷道高度变化情况的实时监测。
62.更具体地，数据分析采集仪4还设有位移按钮46，位移按钮46用于测距装置5的工作的开启或关闭。
63.根据本发明的一个实施例，数据分析采集仪4适于与巷道围岩锚网连接。
64.在本实施例中，相较于将数据分析采集仪4悬挂或连接于巷道围岩表面喷层的方式，将数据分析采集仪4与巷道围岩锚网直接连接，能提高数据分析采集仪4的固定效果，在巷道施工过程中，可避免数据分析采集仪4容易掉落的问题。
65.根据本发明的一个实施例，数据分析采集仪4内置有电源，电源用于对数据分析采集仪4、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33及后应力传感器34供电。
66.具体地，电源还用于对震动传感器2供电。
67.在本实施例中，通过内置于数据分析采集仪4的电源，对上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33、后应力传感器34及震动传感器2进行供电，无需借助煤矿的生产电源对各个传感器进行供电，避免了随着工作的推进还要实时移动电源箱等各种设备的问题。
68.需要说明的是，在本实施例中，在数据分析采集仪4上内置电源的具体方式，可参照现有的含有自给电源的数据分析采集装置的结构，本实施例不对内置电源及内置电源的安装方式进行限定，可理解地，内置于数据分析采集仪4的电源通过可传输电能的导线与各个传感器实现输电。
69.请参照图7和图9，根据本发明的一个实施例，还包括：
70.数据导线6，数据导线6的一端与数据分析采集仪4电连接，数据导线6的另一端适于与震动传感器2、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33及后应力传感器34电连接。
71.通过设置数据导线6，以实现各个传感器与数据分析采集仪4之间的电性连接，传输性能稳定，传输的信号包括但不限于数据信号。
72.请参照图8，根据本发明的一个实施例，还包括：
73.六通数电接头7，六通数电接头7的六个接头分别适于与上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33、后应力传感器34、震动传感器2及数据导线6电连接；
74.请参照图2-图5，连接组件1设有第一通孔81、第二通孔82和第三通孔83，第一通孔81、第二通孔82和第三通孔83两两垂直交叉，形成中部适于容置六通数电接头7的空间，第一通孔81延伸方向沿竖直方向，第一通孔81的上端和下端分别适于套设上应力传感器31和下应力传感器32，第二通孔82延伸方向沿巷道的长度方向，第二通孔82的两端分别适于套设前应力传感器33和后应力传感器34，第三通孔83延伸方向垂直于巷道的长度方向，第三通孔83靠近数据分析采集仪4的一端适于连接数据导线6，第三通孔83的另一端适于套设震动传感器2。
75.在本实施例中，通过设置六通数电接头7，以实现分别位于六通数电接头7六个方
向上的上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33、后应力传感器34、震动传感器2和数据导线6之间的电连接，通过由第一通孔81、第二通孔82和第三通孔83两两垂直交叉形成的腔体容置六通数电接头7，对六通数电接头7进行固定，并通过使各个传感器穿设于连接组件1的内部的方式，以对各个传感器进行固定，本实施例的连接组件1可对内置于连接组件1的六通数电接头7、各个传感器及数据导线6的端部起到保护作用。
76.具体地，为便于说明，六通数电接头7的适于连接数据导线6的接头为数据导线接头71，数据分析采集仪4的适于连接数据导线6的接头为数据分析仪接头45，数据导线6的两端分别为第一接头61和第二接头62，第一接头61用于连接数据导线接头71，第二接头62用于连接数据分析仪接头45。
77.根据本发明提供的一个实施例，请参照图2至图5，连接组件1包括：
78.第一半球体11，第一半球体11的平面端设有第一弧形凹槽111和第二弧形凹槽112，第一弧形凹槽111和第二弧形凹槽112垂直交叉，且交叉处位于第一半球体11的球心位置，第一半球体11设有第四通孔113，第四通孔113的延伸方向沿第一半球体11的轴向并与第一半球体11的平面端垂直；
79.第二半球体12，第二半球体12的平面端设有第三弧形凹槽121和第四弧形凹槽122，第三弧形凹槽121和第四弧形凹槽122垂直交叉，且交叉处位于第二半球体12的球心位置，第二半球体12设有第五通孔123，第五通孔123的延伸方向沿第二半球体12的轴向并与第二半球体12的平面端垂直；
80.通过使第一半球体11和第二半球体12对合，以使：第一弧形凹槽111和第三弧形凹槽121对合形成第一通孔81，第二弧形凹槽112和第四弧形凹槽122对合形成第二通孔82，第四通孔113和第五通孔123对接形成第三通孔83。
81.可理解地，将第一半球体11和第二半球体12对合后可形成球体。
82.在本实施例中，通过设置相配合的第一半球体11和第二半球体12，可通过在拆分状态下的第一半球体11和第二半球体12上，将六通数电接头7、上应力传感器31、下应力传感器32、前应力传感器33、后应力传感器34、震动传感器2和数据导线6分别放置于匹配的弧形凹槽或通孔中，最后通过将第一半球体11和第二半球体12对合连接的方式以形成整体，实现六通数电接头7、数据导线6及各个传感器与连接组件1之间的可拆解连接，安装方式简单。
83.此外，在巷道围岩上钻孔后，形成的钻孔的端面通常为圆形面，将连接组件1制为球体结构，球体结构的连接组件1更适于使连接组件1置入钻孔中并进行固定。
84.第二方面，本发明提供了一种巷道围岩矿压检测方法，包括：
85.利用本发明第一方面提供的巷道围岩矿压检测装置进行巷道围岩矿压检测。
86.具体来说，包括以下步骤：
87.首选，在巷道围岩内选定要布置测点的位置，在该位置的顶板、底板、左帮与右帮的中部做标记；
88.其次，在做标记的位置打设钻孔，钻孔深度依据所监测围岩的位置自定；
89.然后，将六通数电接头7、各应力传感器和震动传感器2组装于包括有第一半球体11和第二半球体12的连接组件1中，并将第一半球体11和第二半球体12对合形成球体结构，为便于描述，将该连接有六通数电接头7、各应力传感器和震动传感器2的球体结构整体命
名为应力震动球；
90.接着，数据导线接头71通过第三通孔83与数据导线6的第一接头61相互连接；
91.再者，在锚杆上铺设合适剂量的锚固剂，通过锚杆将应力震动球送入钻孔底部，然后用锚固剂封闭钻孔。
92.其次，将数据导线6的第二接头62接入数据分析仪接头45，然后将数据分析仪接头45固定在巷道围岩锚网之上；
93.而后，请参照图9，重复上述步骤，完成本实施例提供的巷道围岩矿压检测装置相对于顶板、底板、左帮与右帮的安装工作，具体地，本实施例的应力震动球设有四个，每个应力震动球对应设置有一个数据分析采集仪4和数据导线6，四个应力震动球分别置入顶板、底板、左帮与右帮的内部；
94.最后，打开所有数据分析采集仪4的各个开关，开始进入工作状态，至此完成用于检测巷道围岩矿压显现的巷道围岩矿压检测装置的安装工作。
95.需要说明的是，在本实施例中，可将每个应力震动球、数据分析采集仪和数据导线所组成的整体视为一个实施例，也可将多个所述整体视为一个实施例。
96.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。