巷道收斂變形可變角監測固定裝置應用研究

蘇 蕾,杜獻杰,段振雄

(1.太原學院 機電與車輛工程系,太原 030032;2.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

在巷道開挖后,圍巖的應力狀態會發生改變,導致圍巖發生變形[1],尤其當巷道埋深加大、地質構造復雜或受采動影響時,巷道圍巖的變形破壞十分明顯[2-3]。而煤礦巷道在開采運輸、通風安全及人員通行中起著關鍵作用,因此巷道圍巖變形監測及其相關測量裝置的研發對穩定控制巷道意義重大。

巷道表面位移的傳統監測方法大多使用的是標尺監測法、測桿監測法、收斂計監測法等[4-5]。上述幾種檢測方法測量操作繁瑣、不易控制,導致測量效率低、數據誤差大。目前,測量巷道表面變形量的常用設備為激光測距儀[6-7],其攜帶方便、操作簡單,測試原理先進可靠。但是,井下巷道變形測量大多是與掘進施工或開采生產同時進行,測試儀器及測試過程設計不合理容易引起相互干擾。尤其當測距儀沒有穩定可靠的固定方式或只能采用人工手持時,不能保證每次激光測距儀都能對準預設的測點,每次測量難以保證在同一個機位,并且在測距儀點擊按壓測量時往往造成機身晃動,導致測量結果受人為因素影響而誤差偏大。當巷道斷面較大時,操作激光測距儀需要登高作業,既不方便又不安全。

基于以上需要,本文研制了一種適用于測量不同角度巷道變形量的激光測距儀固定裝置,能夠穩定、準確地測量巷道變形,同時具有廣泛的適用性。

1 測量固定裝置的設計思路

測量固定裝置是用于激光測距儀的固定與巷道表面變形監測,主要解決巷道測距過程中激光測距儀不易固定、易抖動、誤差大、測量角度單一等問題。解決好這些問題,該測量固定裝置設計應滿足以下四點要求。

1)要與巷道幫部已有錨桿固定連接,使用簡單方便,解決測距儀不易固定、誤差大的問題。

2)固定裝置可在±90°范圍內調整角度,便于巷道全斷面、全方位進行收斂測量。

3)選用合理的激光測距點擊方式,避免因直接點擊測距儀按鈕而造成整體托架上行晃動帶來的測量誤差。

4)測距儀前后、左右位置要可調整,以適用多種型號的測距儀。

2 測量固定裝置的結構設計

基于以上設計思路與要求,該測量固定裝置應包括五大組成部分,即安裝固定機構、儀器定位機構、角度調整機構、激光測距儀及外接按壓機構,并在研究分析的基礎上初步形成裝置設計。可變角度激光測距儀的固定裝置包括:激光測距儀、固定桿、轉動桿、固定盒、彈簧片和外接按鈕裝置。測量固定裝置組成圖如圖1所示。其中,激光測距儀設置在固定盒內,并通過固定盒內的彈簧片和擋板固定;裝置固定盒與連接桿為一體,裝置固定盒通過連接桿與固定桿鉸接,固定桿固定在巷幫錨桿上,固定盒可通過連接桿上下轉動,從而保證測量裝置能對巷道周邊不同角度進行測量。

(a)平面構成圖

(b)側面構成圖 1-錨桿;2-固定桿;3-齒輪刻度盤;4-連接桿;5-固定盒; 6-激光測距儀;7-彈簧片;8-擋板; 9-外接按壓裝置;10-防護罩圖1 測量固定裝置組成圖Fig.1 Composition of the fixing device of laser range finder

該可變角度激光測距固定裝置具有以下特點:

1)激光測距儀固定設置在固定盒內,固定盒內側設有彈簧片、擋板。彈簧片固定在盒內兩側,為弧狀結構,富有彈性,起左右定位作用;擋板設在固定盒內側,其后部焊接有調距螺桿,通過轉動內、外螺母調整擋板前后位置,起調節位置與固定作用。

2)固定盒由其連接桿通過滾軸與固定桿相連接,固定桿兩端焊接有齒輪,齒輪上刻有角度指示盤。由此,固定盒可上下調整角度,并通過連接桿上的齒輪卡齒將測試裝置固定在一定的角度上進行測量,轉動范圍為-90°～90°。

3)固定盒設有外部按壓裝置,由固定邊、活動邊和彈簧組成,活動邊內側端頭設置有按鈕,用于控制激光測距儀的開關。

4)整個測量固定裝置通過固定桿固定在巷幫已有的錨桿上,不需要另外設置固定基點,安裝簡單、固定方便,操作快捷。

3 測量固定裝置的應用操作

可變角度激光測距固定裝置包括安裝固定、儀器定位、角度調整、激光測距及外接按壓等五大部分,應用過程應根據該裝置五大機構的具體特點與功能進行應用操作。具體使用方法和操作步驟如下：

1)首先將測量裝置通過固定桿上連接塊的螺栓孔固定在巷道幫部錨桿端頭上,將測量裝置調校為水平位置,擰緊固定螺母;

2)將激光測距儀插入固定盒內兩彈簧片之間,通過旋轉調距螺母調整擋板前后位置,使激光測距儀的開關按鍵對準外接按壓裝置上的按鈕鍵;

3)按壓外接按壓裝置進行激光測距,記錄巷道水平方向的監測數據;

4)通過齒輪、卡齒調整固定測試裝置角度,使其對準巷道頂板中央位置進行測量,記錄齒輪上對應的角度與激光測試數據;

5)通過多次測量結果計算巷道斷面變形。

可變角度激光測距固定裝置的優點:

1)可與既有錨桿外端固定,解決測距儀不易固定、誤差大的問題;

2)固定裝置可±90°范圍內調整,便于巷道全斷面、全方位進行收斂測量;

3)采用外接方式間接點擊激光測距儀按鈕進行測距,避免了因直接點擊測距儀按鈕造成整體托架晃動帶來的測量誤差;

4)測距儀前后、左右位置可調整,適用多種型號的測距儀。

4 巷道變形監測工程實例

某礦3320工作面位于一單斜構造之上,主采煤層厚度3.75 m,為復合煤層,含有多層泥巖夾矸層,結構復雜。巷道頂板為泥巖、砂質泥巖,底板為碳質泥巖、砂質泥巖。3320回采面運輸巷為矩形斷面,寬5.4 m,高3.8 m。巷道頂板支護采用Φ20 mm×2 400 mm高強螺紋鋼錨桿,配W加厚鋼帶聯合支護,每排布置7根錨桿,頂錨桿間排距為800 mm×1 000 mm;煤柱一幫采用Φ20 mm×2 000 mm高強螺紋鋼錨桿,另一采煤幫為切割方便采用Φ20 mm×2 000 mm有機玻璃鋼錨桿支護,幫部配合W型護板豎放聯合支護,每排布置4根錨桿,間排距900 mm×1 000 mm;頂板錨索采用Φ21.6 mm×6 400 mm的高強低松弛鋼絞線,配合400 mm×400 mm×16 mm專用錨索托板支護,錨索沿巷道軸向采用“3-4”布置。

由于3320工作面巷道埋深大、斷面寬度大,圍巖夾層多、裂隙發育,并受地質構造及動壓影響,巷道圍巖控制難度較大。為了掌握巷道圍巖變形及穩定性變化規律,為支護方案的優化提供依據,在3320運輸巷緊跟掘進工作面連續布置3個測站,每個測站間隔30 m,分別對運輸巷圍巖變形及支護結構工作載荷進行監測,測站布置位置如圖2所示。其中,巷道變形監測采用了傳統的手持式激光測距儀和新研制的可變角度激光測距固定裝置兩種方式,以作應用對比研究。

圖2 巷道測站位置圖Fig.2 Location of measuring stations in roadways

掘進頭3個監測工作站先后依次布置,要求緊跟掘進工作面,隨掘進的推進及時布置、及時監測。每個測站的具體布置:錨桿、錨索測力計布置于巷道頂板3套,左、右幫各2套,兩幫測點距地面距離1.5 m,錨桿(索)測力計安裝于錨桿托板與巖面之間,達到初錨力要求。

巷道表面位移收斂測量。每個測站斷面于幫部布置手持式激光測距儀2個點,新研制的可變角度激光測距固定裝置2個點,幫部測點距地面1.5 m。

儀器調試、校準后每天觀測一次,做好記錄,持續監測時間約一個月,巷道共掘進了268 m。

圖3(a)、圖3(b)分別為兩種不同測試方式下巷道變形監測部分數據曲線。

(a)手持式測距儀

(b)可變固定測試裝置圖3 巷道變形實測結果對比Fig.3 Comparison of measured roadway deformation

圖3(a)為手持式激光測距儀實測數據,將數據散點回歸為曲線方程為y=9.017lnx-4.741,其均方差為R2=0.868;圖3(b)為新研制的可變角度激光測距固定裝置實測數據,同樣將散點回歸為曲線方程為y=9.326lnx-2.909,其均方差為R2=0.969;對比反映觀測數據離散性的均方差可知,采用可變角度激光測距固定裝置比傳統的手持式所得數據的離散性誤差減小11.6 %,從而保證了測試精度和數據的可靠性。

實測工程中發現,手持式測距儀存在找基點困難、定位不準確等問題,尤其選擇角度向上的兩側巷道頂底板變形時難度更大,更具有不確定性;而采用可變角度測量固定裝置則具有固定方便、操作簡單、測量準確的優點。

5 結論

1)巷道收斂可變角激光測距固定裝置由主要固定桿、激光測距儀、固定盒及外接按鈕裝置等組成。

2)固定測量裝置由螺母固定在巷幫已有的錨桿端頭,激光測距儀插入固定盒內。固定測試盒與固定桿采用鉸接方式連接,可以通過齒輪調節上下角度實現巷道斷面全方位變形監測。激光測距采用外部間接按壓方式,可避免由于儀器晃動引起測量誤差。

3)該測量裝置簡易輕便、易于安裝與拆卸,改變了傳統測距模式存在的測量角度單一、測點難以固定、測量誤差大等問題,且適用性較強。