基于動態(tài)監(jiān)測的非接觸式巖移監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

郭遠(yuǎn)發(fā)，楊　順

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，　湖南 郴州市　423000；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司 采礦工程中心，　湖南 長沙　410012)

?

基于動態(tài)監(jiān)測的非接觸式巖移監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

郭遠(yuǎn)發(fā)1，楊順2

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南 郴州市423000；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司 采礦工程中心，湖南 長沙410012)

摘要：垂懸?guī)r體、高大陡邊坡以及危險(xiǎn)采空區(qū)的巖移動態(tài)監(jiān)測一直是礦山安全監(jiān)測的重點(diǎn)與難點(diǎn)。傳統(tǒng)的巖移監(jiān)測方法無法實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)動態(tài)監(jiān)測，而且測量人員直接置身于危險(xiǎn)采空區(qū)或者垂懸?guī)r體處進(jìn)行測量，存在極大的安全隱患。針對柿竹園多金屬礦山巖移監(jiān)測的實(shí)際需求，建立了一套非接觸式巖移智能監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對被監(jiān)測巖體全天候?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測，得到了有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過該系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，掌握了巖體移動動態(tài)變化趨勢，為進(jìn)一步了解圍巖深部的位移規(guī)律提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：垂懸?guī)r體；陡邊坡；危險(xiǎn)采空區(qū)；動態(tài)監(jiān)測；非接觸式

0前言

我國礦山數(shù)量與開采量均居世界前列，受開采技術(shù)條件所限，采用空場法開采的礦山，不可避免地形成了大量采空區(qū)。雖然部分空區(qū)得到了充填等手段治理，但隨著采出礦量的顯著增加，危險(xiǎn)采空區(qū)體積仍較大，存在極大的安全隱患，故對采空區(qū)圍巖及上覆巖層移動規(guī)律的監(jiān)測十分必要。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的巖移監(jiān)測方法主要分為機(jī)械式測量儀器和電測式測量儀器。國內(nèi)70年代提出了采用連通管測量兩點(diǎn)間相對位移的構(gòu)思，1983年，國家地震局地震研究所依照該構(gòu)思研制出了第一臺FSQ型浮子水管傾斜儀[1]， 1984年，谷志孟，章志堅(jiān)等依照浮子管傾斜儀的思路，針對巷道圍巖變形的測量，設(shè)計(jì)研制了WRM-1型機(jī)械式收斂計(jì)[2]，該收斂計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，操作簡便，精度較高，比較經(jīng)濟(jì)。但是利用百分表顯示結(jié)果的方式存在著密封性能差，在巷道惡劣環(huán)境中使用存在極易損壞、讀數(shù)不直觀、易誤讀、百分表損壞率高等缺點(diǎn)。針對機(jī)械式收斂計(jì)的缺點(diǎn)，北京中煤礦山工程有限公司(煤科總院建井研究所)1992年開始研制電子數(shù)顯收斂計(jì)并開發(fā)出了JSS30A系列數(shù)顯收斂計(jì)[3]。其測量原理與WRM-1型收斂計(jì)相同，采用電子數(shù)字顯示取代百分表顯示，提高了系統(tǒng)的可靠性和讀數(shù)精度，在隧道和礦山巷道圍巖變形監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，其監(jiān)測量程一般不大于50 m，且只能測量洞壁收斂值，不能反映圍巖深部的位移規(guī)律。

隨著信息技術(shù)和激光技術(shù)等的進(jìn)步，巖移監(jiān)測設(shè)備有了很大的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)開始研制基于超聲波測距原理的巷道斷面儀[3]； 1961年，美國休斯敦飛機(jī)公司研制出了第一臺激光測距儀[4]，但是只能實(shí)現(xiàn)距離的單一測量，具有很大的局限性[4]；目前較普遍的有全站儀加水準(zhǔn)儀同時(shí)進(jìn)行的測量方法[5]；此外，另一種應(yīng)用較為廣泛的巖移監(jiān)測系統(tǒng)為基于激光的三維空區(qū)精密探測系統(tǒng)，它通過可旋轉(zhuǎn)并集成有激光測距儀的掃描頭來實(shí)現(xiàn)對空區(qū)的探測。這種監(jiān)測精度較高，能測出危險(xiǎn)采空區(qū)的形態(tài)，但是該方法成本較高，所需技術(shù)水平也較高[6-7]。

以上方法都是基于巖體的靜態(tài)監(jiān)測，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)是間斷的、不連續(xù)的，對于巖體動態(tài)規(guī)律的掌握具有局限性，同時(shí)大尺度巖體和采空區(qū)圍巖的垮落存在突發(fā)性，上述這些監(jiān)測方法無法進(jìn)行預(yù)警[8-9]；另外，上述方法均需監(jiān)測人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行測量或者數(shù)據(jù)讀取，存在較大的安全隱患，因此設(shè)計(jì)動態(tài)巖移監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。目前應(yīng)用的巖移監(jiān)測系統(tǒng)主要是接觸式監(jiān)測，即激光儀直接置于被測點(diǎn)進(jìn)行測量，這種方式對于安裝人員有較大安全隱患，同時(shí)無法對垂懸?guī)r體和人員難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測[10]。而應(yīng)用非接觸式巖移智能監(jiān)測系統(tǒng)，則能對滑移面進(jìn)行全天候不間斷的測量，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)保存至電腦終端，便于操作人員對滑移數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析，掌握錯(cuò)動巖體的動態(tài)發(fā)展?fàn)顩r。同時(shí)該系統(tǒng)還具備報(bào)警功能，當(dāng)巖體錯(cuò)動距離超過設(shè)定的預(yù)警值時(shí)，會自動向相關(guān)人員的手機(jī)發(fā)出報(bào)警信息。

1巖移監(jiān)測系統(tǒng)簡介

1.1硬件組成

非接觸式巖移監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的對被測巖體進(jìn)行測量，并將所測得的數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。巖體移動量的測量采用的是目前應(yīng)用較為廣泛的激光測距的方法，測距精度較高，可達(dá)到毫米量級。監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸通過串口與網(wǎng)口通信完成。非接觸式巖移監(jiān)測系統(tǒng)包括激光測距儀、串口服務(wù)器、PC機(jī)終端、短信Modem等主要部分組成。系統(tǒng)工作時(shí)，由激光發(fā)射器向被測目標(biāo)發(fā)射出激光束，反射光束被接收系統(tǒng)接收，通過計(jì)算激光束往返的時(shí)間，最終得出激光發(fā)射器與被測巖體間的距離，再通過激光束的角度、被測目標(biāo)的角度及激光束飛行距離改變量之間的三角函數(shù)關(guān)系，算出被測目標(biāo)的垂直改變量，即需要測量的巖體變形量。當(dāng)巖體的變形量超過預(yù)設(shè)的預(yù)警值時(shí)，短信Modem則能將預(yù)警信息發(fā)送至技術(shù)人員的手機(jī)，進(jìn)行預(yù)警。非接觸式巖移監(jiān)測系統(tǒng)原理圖見圖1，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖2[11]。

圖1　非接觸式巖移監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

1.2測量方法

激光測距儀的原理是通過測量激光束的距離而達(dá)到測距目的的。巖移監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測的目標(biāo)是巖體沉降和巷道整體的變形，若采用常規(guī)方法將激光儀置于沉降巖體下方進(jìn)行測量，由于圍巖變形區(qū)域穩(wěn)定性較差，儀器可能會被冒落松石損壞；巖體移動時(shí)，放置激光儀的底板也可能會發(fā)生位移，導(dǎo)致測出的數(shù)據(jù)存在較大誤差；此外，在沉降區(qū)域安裝施工存在較大的安全隱患。綜上，在測距過程中，在被測巖體處放置一塊可調(diào)節(jié)角度的反光板作為合作目標(biāo)，通過激光束角度、反光板角度以及激光距離改變量之間的三角函數(shù)關(guān)系可以測得實(shí)際巖移距離。

將激光器置于離沉降巖體較遠(yuǎn)的水平巷道，將沉降巖體處的反光板與水平方向成β角度放置，激光光束以角度α入射至反光板，此時(shí)，通過激光光束角度、光束長度改變量及反光板角度之間的三角函數(shù)關(guān)系，即可求得巖體位移d。設(shè)激光束長度的改變量為ΔL，如圖3所示，黑色虛線表示反光板，紅色虛線表示激光束，激光束與水平方向的夾角為α，反光板與水平方向的夾角為β。計(jì)算公式如式(1)：

(1)

由式(1)可知，當(dāng)α=β=30°時(shí)，d =ΔL，此時(shí)激光測距儀所測得的距離改變量極為巖體移動量。測量示意圖見圖4。

圖3　巷道中激光器工作示意圖

圖4　激光距離改變量與垂直改變量關(guān)系圖

1.3巖移監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能

軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示所測得的數(shù)據(jù)，以時(shí)間為橫軸，所測距離為縱軸，對所測得的距離通過波形的形式顯示，同時(shí)所測得的數(shù)據(jù)會實(shí)時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫中，并可通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能，選取需查詢的日期進(jìn)行查詢導(dǎo)出，軟件對保存的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行回歸分析，并進(jìn)一步分析巖體移動趨勢，當(dāng)所測數(shù)據(jù)與設(shè)置的初始距離偏移量超過預(yù)警值時(shí)，軟件則會通過短信Modem將已編輯好的報(bào)警短信發(fā)送至監(jiān)測人員手機(jī)上，進(jìn)行預(yù)警。

2工程應(yīng)用實(shí)例

柿竹園鎢錫鉬鉍多金屬礦床礦體集中厚大，有用礦物種類繁多，是國家重要的礦產(chǎn)資源基地。礦床自1987年采用分段鑿巖階段礦房法開采490～558 m水平300 m×300 m范圍內(nèi)的富礦以來，因種種原因井下的采空區(qū)(礦房)未能進(jìn)行處理，截止2002年，井下留下占礦塊約60%的礦柱礦量和近300萬m3的巨大采空區(qū)群，累計(jì)頂板暴露面積達(dá)3萬m2，連續(xù)頂板暴露面積近1萬m2，15 m厚的連續(xù)條帶礦柱多處垮塌。為了實(shí)現(xiàn)礦山采礦的持續(xù)生產(chǎn)，有效處理采空區(qū)和回采礦柱，礦山自2002年起與長沙礦山研究院協(xié)作研究，最終確定采用后退式中深孔大爆破崩落法回采礦柱和頂板富礦，并處理采空區(qū)安全隱患。在確定了上述連續(xù)回采采礦方法后，柿竹園礦先后經(jīng)歷了多次大爆破。在2012年6月21日419 t大爆破后，上部懸頂特自然垮落，在東側(cè)形成了高大陡邊坡，隨著開采向490 m水平以下發(fā)展，490 m水平以下也存在一些地壓安全隱患。故東部高大陡邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測極為重要。通過安裝非接觸式巖移智能監(jiān)測系統(tǒng)，對東部高大陡邊坡的變形、滑移與垮塌進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)域如圖5所示。綠色框內(nèi)表示高大陡邊坡區(qū)域，左邊小矩形框表示激光儀所在位置，多邊形表示放置在邊坡區(qū)域的合作目標(biāo)。

為了保證巖移系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，便于后續(xù)監(jiān)測過程中的維護(hù)，現(xiàn)場的安裝和調(diào)試工作非常重要。柿竹園巖移系統(tǒng)安裝在650 m分層平巷中，合作目標(biāo)與激光儀的初始距離大概為70 m，合作目標(biāo)采用了銀亮材質(zhì)的反光布，反光布貼在塑料扣板上，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)角度的安裝支架，通過調(diào)節(jié)合作目標(biāo)的角度增強(qiáng)反射效果。同時(shí)用于固定扣板，減小爆破震動的影響。巖移設(shè)備的初步組裝在地表室內(nèi)完成，之后將加工好的支架、設(shè)備等所有部件運(yùn)輸至監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行最后的組裝與調(diào)試，待調(diào)試好后在地表進(jìn)行軟件設(shè)置及數(shù)據(jù)分析，安裝調(diào)試過程見圖6。

圖6現(xiàn)場安裝

巖移自動變形監(jiān)測系統(tǒng)自今年2月開始運(yùn)行，設(shè)備和軟件均能正常運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際需求，預(yù)設(shè)的預(yù)警值為巖體移動10 mm，從2月份正式運(yùn)行到10月份，累計(jì)巖移改變量約為10 mm，巖移曲線的統(tǒng)計(jì)趨勢以及各時(shí)間段現(xiàn)場裂紋測量實(shí)際值對比見圖7。

3結(jié)論

(1) 成功開發(fā)了一套非接觸式巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對危險(xiǎn)巖體巖移的遠(yuǎn)程非接觸性監(jiān)測，通過調(diào)節(jié)合作目標(biāo)的角度和激光束的角度，可以在安全區(qū)域測量被測巖體的空間移動量。該監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測方法上打破了傳統(tǒng)的接觸式巖移監(jiān)測方法和模式，具有創(chuàng)新性、實(shí)用性的特點(diǎn)，為垂懸?guī)r體、采空區(qū)等極不安全區(qū)域的巖移監(jiān)測提供有力的技術(shù)監(jiān)測手段。

圖7　巖體累計(jì)位移變化曲線與現(xiàn)場照片對比(2014年)

(2) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套完整的集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、保存、分析和手機(jī)短信預(yù)警為一體的巖移智能監(jiān)測軟件，從用戶需求、系統(tǒng)分析到系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，突出了人機(jī)交互的友好性、易操作性及實(shí)用性等特點(diǎn)。

(3) 在系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了針對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析的應(yīng)用軟件，增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的應(yīng)用功能。

(4) 本系統(tǒng)根據(jù)工程實(shí)際需求設(shè)計(jì)的機(jī)械構(gòu)建和電氣組成均達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行的要求，實(shí)現(xiàn)了對巖體移動量的穩(wěn)定性監(jiān)測和預(yù)警，不僅節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，同時(shí)也降低了監(jiān)測人員的工作危險(xiǎn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]聶磊,杜為民,易治春,等.FSQ型浮子水管傾斜儀的設(shè)計(jì)與研制[J].地殼形變與地震,1984,4(1)：90-101.

[2]谷志孟,幸志堅(jiān),粱愈明,等.WRM型系列收斂計(jì)和鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)的研制與應(yīng)用[J].巖土力學(xué),1992,13(1):86-93.

[3]楊浩.等效法收斂計(jì)變形監(jiān)測[J].測繪通報(bào),2011(12).

[4]鄧昀.收斂計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[A].2005全國礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會議文集[C].北京：煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所,2005,65-69.

[5]陳義軍,劉長武,徐進(jìn),等.新型套管式同軸多點(diǎn)位移計(jì)及其在隧道圍巖變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(7)：1084-1089.

[6]黃秋香,汪家林,鄧建輝.基于多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測成果的坡體變形特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2009(S1).

[7]張友博.多點(diǎn)位移計(jì)在深部圍巖松動圈厚度測試中應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013,19：30-31.

[8]歐陽小芽,張耀平,田長順,等.安慶銅礦-400～-510 m中段巖移監(jiān)測分析[J].江西有色金屬,2009,23(4)：15-23.

[9]劉寶華,王浩,劉利君,等.邊坡巖移監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)庫建立及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2009,28(11)：114-116.

[10]蔣文化.地下巖移監(jiān)測在露天煤礦邊坡研究中的應(yīng)用[J].露天采礦技術(shù),2005(5)：38-39.

[11]楊順.非接觸式巖移智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].長沙：長沙礦山研究院,2014.(收稿日期：2015-06-08)

作者簡介：郭遠(yuǎn)發(fā)(1974-)，男，湖南郴州人，采礦工程師，主要從事礦山地壓管理工作，Email：258462746@qq.com。