一種新型巷道變形監測設備的結構及其應用

2018-07-27 07:30:22荊洪迪李元輝吳大偉

金屬礦山 2018年7期

荊洪迪李元輝吳大偉

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧沈陽110819）

隨著中國的隧道、礦山建設的迅猛發展，人們的工程安全和風險意識不斷提高。工程施工所引起的安全問題，尤其是如何確保工程安全、高效地運轉引起了研究人員的廣泛關注。地下工程工作面的收斂變形監測歷來受到工程界的高度重視［1-3］。尤其是在干擾活動頻繁的地下礦山巷道中，已經成為檢驗工程設計、施工效果，確保安全施工及運行的重要手段。隨著科技飛速發展，變形監測技術手段也隨之更新換代［4-6］。收斂計、全站儀等傳統人工觀測技術逐步被機器人、三維激光掃描等自動測量技術取代?，F代變形監測正逐步實現多層次、多視角、多技術、自動化的立體監測體系［7-8］。但是目前人工測量依然是我國礦山變形監測的主體。傳統收斂計監測雖然適應地下礦山環境，但是效率低、精度差、作業環境差等亟待改善。

為了解決這些問題，課題組基于巴塞特收斂系統，自主研發了可以適用于地下礦山巷道的斷面變形實時監測系統“MineTCS”。該系統能夠實時監測巷道的收斂變形，變形數據可以即時傳輸到地面的計算機。地表技術人員可以隨時通過計算機掌握地下巷道變形情況，從而合理地安排和改進施工方案。研究成果在未來地下礦山變形監測、危險預警方面有著廣闊的應用前景。

1 巴賽特收斂系統

巴賽特收斂系統是一種的隧道剖面收斂自動測量系統，以它的設計人Dr Richard Bassett的姓氏命名，該系統具有高分辨率、抗干擾、快速高效等優點。巴賽特收斂系統是一種高精度、自動化監測系統，整個系統從數據自動采集到計算結果的顯示完全實現計算機自動化，廣泛應用于隧道施工的斷面變形監測工作中。

1.1 組成及工作原理

巴賽特收斂系統（圖1）由多個桿件單元（一個長的和一個短的組合成為一對桿件單元）首尾互相鉸接安裝在待測斷面四周，構成一個測量環，桿件單元內置一種特制的高精度電解質傾角傳感器，每對長短臂的一個鉸接點通過固定件與隧道壁相固定，另一個鉸接點是浮動的。

當隧道壁發生變形時，必定使變形區內的幾個固定點產生（空間）位移，也帶動相關的長短臂活動，即長短臂產生角度變化。這時分別安裝在長、短臂上的傾角傳感器就可測出這種微小的角度變化。根據傾角變化和各相應長短臂的長度就可計算出各固定點的位移。

1.2 位移計算原理

（1）在微小轉角條件下，受力零桿的一端相對另一端的位移增量δ，等于桿長γ與桿軸轉角增量α之乘積：

或表示成坐標分量形式：

（2）受力零桿的一端相對量測系統參照點的位移Δi，等于該桿另一端相對量測系統參照點的位移Δi-1與該桿兩端相對位移增量δi的迭加，即：

或表示成坐標分量形式：

二者關系：

以上式中，α為臂桿轉角增量（弧度角，以順時針為正）；γx、γy為桿長γ的坐標投影。

該系統在進行測點位移計算時，首先假設了斷面第1號測點為“不動”參照點，這樣做的結果是把監測斷面當成了一個對外獨立的內部量測系統。從大地測量系統的角度考慮，就會發現假設不動的參照點也是一個動點。同一測點的這2種位移之間有一個簡單的轉換關系：“測點絕對位移=測點相對位移+參照點絕對位移”。所以在工程監測中，需要根據這一關系把相對位移轉換為絕對位移。

隧道工程多為地鐵等百年工程，工程周期長，對穩定性要求高且投資大，所以巴塞特收斂系統得以在隧道監測中推廣。但地下礦山工程要求卻有所不同，單個水平開采時間較短，且監測過程中巷道斷面變形監測手段需要成本更低，精度滿足要求，拆卸方便且不影響井下日常生產作業。所以，地下礦山急需一種高精度、低成本、適應地下礦山復雜條件的自動化巷道斷面收斂監測系統。

2 MineTCS巷道變形實時監測系統

巴塞特收斂系統雖然在隧道變形監測中取得了很好的應用效果，但是受制于成本、適應性等各種因素，很難應用到地下礦山巷道斷面收斂變形監測中來。為解決這一難題，課題組針對性地研發了地下礦山巷道變形實時監測系統MineTCS。該設備安裝測試簡單，可以適應復雜的現場環境，能夠自動測量計算巷道斷面各點水平、垂直方向位移，實現24 h無人工值守連續監測，解除了測量工作的安全隱患。收斂儀安裝緊貼巷道壁，且僅占用上部空間，允許大型鏟運設備正常通過，不影響礦山正常生產運營。收斂儀測量精度可達0.01 mm，滿足礦山工程的各種需要。監測結果可用于評估巷道圍巖損傷變形情況、優化爆破參數、合理安排工程進度、改進支護方案等用途。

監測系統由數據采集和傳輸、存儲部分組成。

2.1 數據采集部分

每個巷道斷面監測裝置由2個數據采集器、4組保護套管、3個固定端組成，見圖2。

每個采集器由變壓器、分控電路板、2個拉線式位移傳感器和4個傾角傳感器組成。每個拉線式傳感器對應1組保護套管，內保護套管一端鉸鏈連接于固定座上，另一端置于外保護套管內與其連接。外保護套管另一端固定于數據采集器外部。拉線式位移傳感器和傾角傳感器固定在數據采集器內部，拉繩穿過三防外殼通孔與內保護套管連接。

當套管兩端發生相對位移時，內套管與外套管發生相對滑動，并帶動拉線式傳感器繩索發生相對滑動。拉線帶動傳感器傳動機構與編碼器同步轉動，并在拉線伸收過程中保持其張力不變，從而輸出一個與繩索移動量成正比例的電信號。編碼器根據拉出來的距離生成相位差90°的A、B 2個方波，根據方波的個數計算2點之間位移。

2.2 數據傳輸、儲存部分

MineTCS數據傳輸、儲存部分包括通信電纜、控制計算機。其特點是多個分控電路板通過通信電纜和數據采集器相連。數據采集器測得電信號通過線纜發送到控制計算機，計算機端通過預裝數據處理軟件得到各監測點位移。監測數據如表1所示。

3 MineTCS在地下礦山的應用探索

保國鐵礦礦體賦存條件復雜，礦體下盤圍巖受構造和蝕變作用，結構破碎，巖質松軟，穩定性差。其下盤圍巖具有抗壓強度低、變形大、遇水極易破碎、膨脹從而產生變形破壞等特點。導致巷道的穩定性問題十分突出，巷道支護工程施工完畢后不久即開裂變形，進而產生片幫、冒落和頂板沉降等圍巖弱化現象，嚴重影響礦山的正常開采、運輸工作。為了分析保國鐵礦巷道圍巖變形破壞機理，精確監控現場巷道圍巖變化，研發了巷道斷面變形連續監測收斂儀“MineTCS”，并將其應用于該礦地下巷道變形監測中。

3.1 變形監測方案

在該礦山+20 m分段共布置10個變形監測點，如圖3所示。隨著+35 m分段的開采，可以最終得到上部分段開采影響下的+20 m分段巷道完整變形過程，從而掌握下部分段巷道隨著上部進路開采的變形規律。測線布置方向垂直于礦體走向，主要用來監測垂直礦體走向方向的巷道變形情況。+20 m分段2210進路內的10組收斂儀測點每隔10 m設1組測孔。

由進路內部至下盤沿脈運輸巷道的監測點布置（SL1～SL10）方式，縱貫下盤沿脈運輸巷道與回采進路交叉處、下盤礦巖接觸帶以及整個回采進路，既可以完整地監測到隨著+35 m水平進路回采對+20 m水平巷道位移場影響的完整過程，還可以同時監測到開采擾動對下盤礦巖接觸帶及運輸巷道和回采進路交叉口部分的巷道變形規律。

3.2 監測結果與數據分析

長時間的自動化連續變形收斂監測，得到了大量保國鐵礦地下巷道工程變形監測數據。通過變形數據可以得到巷道每個監測斷面三心拱內5個監測點的水平、豎直位移，進而有助于判斷巷道圍巖的破壞模式以及對危險區域進行有效預警。

圖4為SL-2監測點的實時監測數據，分水平方向和豎直方向兩部分來分析其變形規律：拱肩部SL-2-2、SL-2-4水平方向向內收斂了3.192 mm，拱底部SL-2-1、SL-2-5水平方向向內收斂了0.297 mm，拱頂部測點SL-2-3水平方向位移只有0.186 mm；由收斂儀監測數據可見，水平位移值最高點為拱中部SL-2-2、SL-2-4。拱頂測點SL-2-3向下沉降1.531 mm，中部測點SL-2-2、SL-2-4向上移動3.256 mm和3.346 mm，底部測點SL-2-1和SL-2-5分別向上移動了0.382 mm和0.405 mm；可見中部測點SL-2-2和SL-2-4變形幅度依然是SL-2斷面中最大的。從變形幅度及位移方向上判斷巷道的變形破壞較容易出現在SL-2-2和SL-2-4附近。監測數據如表2所示。

通過整體分析水平位移（X）和豎直位移（Y），發現SL-2-2與SL-2-3之間會產生較大的水平方向的壓力和豎直方向的剪切力，SL-2-3與SL-2-4之間同樣會產生較大水平方向的壓應力和豎直方向的剪切力。所以可以判斷測點SL-2-3兩側極易產生由壓力和剪切力共同主導的破壞。

由于SL-2-2與SL-2-4之間的3個測點的縱向變形差值明顯大于橫向變形值，而且巖體能夠承受的壓應力大于剪切力，所以可以判斷該巷道斷面三心拱上半部支護破壞主要是由剪切力造成的。而三心拱下半部SL-2、SL-4點與SL-1、SL-5點間遠離趨勢明顯，所以極易產生拉剪力破壞。圖5為SL-2監測斷面附近巷道破壞現場情況。

圖6為該礦+20 m水平監測巷道的變形監測圖，可以看出沉降位移和兩幫位移均隨時間發展逐漸增加。除SL-9測點外的其他測點兩幫收斂變形情況和頂板沉降情況類似。對兩幫收斂變形圖和頂板沉降變形圖進行比較分析可以發現，兩幫的收斂變形幅度明顯大于頂板沉降幅度，說明水平應力對該巷道變形的影響較大。

SL-9測點的兩幫收斂變形幅度明顯大于其他監測點，可以推測，整條進路的水平應力集中區位于礦巖接觸帶的SL-9監測點。圖7為SL-9監測點附近發生較大圍巖破壞，由于提前監測到該測點的位移異常情況，及時進行了預警，避免了不必要的人員、設備損失。

地下礦山軟巖巷道的圍巖收斂變形監測對掌握巷道穩定性情況有著至關重要的作用。實時監測數據能夠對巷道破壞進行有效預警，而長期監測結果則可以輔助研究特定工況條件下的巷道圍巖收斂變形趨勢，有助于合理安排施工進度計劃并對巷道圍巖支護工程進行及時的修補。圖8為巷道開拓完畢后在一次噴射混凝土條件下SL-2-3監測點（隨機選?。┪灰齐S時間變化曲線?？梢悦黠@看出巷道圍巖位移變化分為3個階段：初始穩定階段、加速變形階段、二次穩定階段。通過位移曲線可以選擇最佳支護時機，釋放巖石初始塑性變形、獲得最大圍巖自承能力。礦山技術人員亦可以根據收斂變形數據曲線合理安排井下回采工作施工進度。比如在加速變形階段可以減少爆破量、降低爆破頻次，而在變形穩定階段可以適當增加生產強度等等措施。