基于动态监测的非接触式岩移监测系统的应用研究

2016-06-20郭远发

采矿技术 2016年1期

关键词：动态监测

郭远发，杨　顺

(1.湖南柿竹园有色金属有限责任公司，　湖南郴州市　423000；2.长沙矿山研究院有限责任公司采矿工程中心，　湖南长沙　410012)

基于动态监测的非接触式岩移监测系统的应用研究

郭远发1，杨顺2

(1.湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南郴州市423000；2.长沙矿山研究院有限责任公司采矿工程中心，湖南长沙410012)

摘要：垂悬岩体、高大陡边坡以及危险采空区的岩移动态监测一直是矿山安全监测的重点与难点。传统的岩移监测方法无法实现全天候实时动态监测，而且测量人员直接置身于危险采空区或者垂悬岩体处进行测量，存在极大的安全隐患。针对柿竹园多金属矿山岩移监测的实际需求，建立了一套非接触式岩移智能监测系统。结果表明：该系统实现了对被监测岩体全天候实时在线监测，得到了有效的监测数据，通过该系统软件进行数据处理分析，掌握了岩体移动动态变化趋势，为进一步了解围岩深部的位移规律提供了数据基础。

关键词：垂悬岩体；陡边坡；危险采空区；动态监测；非接触式

0前言

我国矿山数量与开采量均居世界前列，受开采技术条件所限，采用空场法开采的矿山，不可避免地形成了大量采空区。虽然部分空区得到了充填等手段治理，但随着采出矿量的显著增加，危险采空区体积仍较大，存在极大的安全隐患，故对采空区围岩及上覆岩层移动规律的监测十分必要。

目前，国内外应用较广泛的岩移监测方法主要分为机械式测量仪器和电测式测量仪器。国内70年代提出了采用连通管测量两点间相对位移的构思，1983年，国家地震局地震研究所依照该构思研制出了第一台FSQ型浮子水管倾斜仪[1]， 1984年，谷志孟，章志坚等依照浮子管倾斜仪的思路，针对巷道围岩变形的测量，设计研制了WRM-1型机械式收敛计[2]，该收敛计结构简单，重量轻，操作简便，精度较高，比较经济。但是利用百分表显示结果的方式存在着密封性能差，在巷道恶劣环境中使用存在极易损坏、读数不直观、易误读、百分表损坏率高等缺点。针对机械式收敛计的缺点，北京中煤矿山工程有限公司(煤科总院建井研究所)1992年开始研制电子数显收敛计并开发出了JSS30A系列数显收敛计[3]。其测量原理与WRM-1型收敛计相同，采用电子数字显示取代百分表显示，提高了系统的可靠性和读数精度，在隧道和矿山巷道围岩变形监测中得到了广泛应用，其监测量程一般不大于50 m，且只能测量洞壁收敛值，不能反映围岩深部的位移规律。

随着信息技术和激光技术等的进步，岩移监测设备有了很大的发展。20世纪70年代，前苏联开始研制基于超声波测距原理的巷道断面仪[3]； 1961年，美国休斯敦飞机公司研制出了第一台激光测距仪[4]，但是只能实现距离的单一测量，具有很大的局限性[4]；目前较普遍的有全站仪加水准仪同时进行的测量方法[5]；此外，另一种应用较为广泛的岩移监测系统为基于激光的三维空区精密探测系统，它通过可旋转并集成有激光测距仪的扫描头来实现对空区的探测。这种监测精度较高，能测出危险采空区的形态，但是该方法成本较高，所需技术水平也较高[6-7]。

以上方法都是基于岩体的静态监测，所监测的数据是间断的、不连续的，对于岩体动态规律的掌握具有局限性，同时大尺度岩体和采空区围岩的垮落存在突发性，上述这些监测方法无法进行预警[8-9]；另外，上述方法均需监测人员进入危险区域进行测量或者数据读取，存在较大的安全隐患，因此设计动态岩移监测系统十分必要。目前应用的岩移监测系统主要是接触式监测，即激光仪直接置于被测点进行测量，这种方式对于安装人员有较大安全隐患，同时无法对垂悬岩体和人员难以到达的区域进行监测[10]。而应用非接触式岩移智能监测系统，则能对滑移面进行全天候不间断的测量，并实时将数据保存至电脑终端，便于操作人员对滑移数据进行后续的分析，掌握错动岩体的动态发展状况。同时该系统还具备报警功能，当岩体错动距离超过设定的预警值时，会自动向相关人员的手机发出报警信息。

1岩移监测系统简介

1.1硬件组成

非接触式岩移监测系统能实时的对被测岩体进行测量，并将所测得的数据传输至PC机终端进行数据统计及分析。岩体移动量的测量采用的是目前应用较为广泛的激光测距的方法，测距精度较高，可达到毫米量级。监测数据的传输通过串口与网口通信完成。非接触式岩移监测系统包括激光测距仪、串口服务器、PC机终端、短信Modem等主要部分组成。系统工作时，由激光发射器向被测目标发射出激光束，反射光束被接收系统接收，通过计算激光束往返的时间，最终得出激光发射器与被测岩体间的距离，再通过激光束的角度、被测目标的角度及激光束飞行距离改变量之间的三角函数关系，算出被测目标的垂直改变量，即需要测量的岩体变形量。当岩体的变形量超过预设的预警值时，短信Modem则能将预警信息发送至技术人员的手机，进行预警。非接触式岩移监测系统原理图见图1，拓扑结构图见图2[11]。

图1　非接触式岩移监测系统原理图

1.2测量方法

激光测距仪的原理是通过测量激光束的距离而达到测距目的的。岩移监测系统主要监测的目标是岩体沉降和巷道整体的变形，若采用常规方法将激光仪置于沉降岩体下方进行测量，由于围岩变形区域稳定性较差，仪器可能会被冒落松石损坏；岩体移动时，放置激光仪的底板也可能会发生位移，导致测出的数据存在较大误差；此外，在沉降区域安装施工存在较大的安全隐患。综上，在测距过程中，在被测岩体处放置一块可调节角度的反光板作为合作目标，通过激光束角度、反光板角度以及激光距离改变量之间的三角函数关系可以测得实际岩移距离。

将激光器置于离沉降岩体较远的水平巷道，将沉降岩体处的反光板与水平方向成β角度放置，激光光束以角度α入射至反光板，此时，通过激光光束角度、光束长度改变量及反光板角度之间的三角函数关系，即可求得岩体位移d。设激光束长度的改变量为ΔL，如图3所示，黑色虚线表示反光板，红色虚线表示激光束，激光束与水平方向的夹角为α，反光板与水平方向的夹角为β。计算公式如式(1)：

(1)

由式(1)可知，当α=β=30°时，d =ΔL，此时激光测距仪所测得的距离改变量极为岩体移动量。测量示意图见图4。

图3　巷道中激光器工作示意图

图4　激光距离改变量与垂直改变量关系图

1.3岩移监测系统软件功能

软件能够实时显示所测得的数据，以时间为横轴，所测距离为纵轴，对所测得的距离通过波形的形式显示，同时所测得的数据会实时保存在数据库中，并可通过历史数据查询功能，选取需查询的日期进行查询导出，软件对保存的数据可以进行回归分析，并进一步分析岩体移动趋势，当所测数据与设置的初始距离偏移量超过预警值时，软件则会通过短信Modem将已编辑好的报警短信发送至监测人员手机上，进行预警。

2工程应用实例

柿竹园钨锡钼铋多金属矿床矿体集中厚大，有用矿物种类繁多，是国家重要的矿产资源基地。矿床自1987年采用分段凿岩阶段矿房法开采490～558 m水平300 m×300 m范围内的富矿以来，因种种原因井下的采空区(矿房)未能进行处理，截止2002年，井下留下占矿块约60%的矿柱矿量和近300万m3的巨大采空区群，累计顶板暴露面积达3万m2，连续顶板暴露面积近1万m2，15 m厚的连续条带矿柱多处垮塌。为了实现矿山采矿的持续生产，有效处理采空区和回采矿柱，矿山自2002年起与长沙矿山研究院协作研究，最终确定采用后退式中深孔大爆破崩落法回采矿柱和顶板富矿，并处理采空区安全隐患。在确定了上述连续回采采矿方法后，柿竹园矿先后经历了多次大爆破。在2012年6月21日419 t大爆破后，上部悬顶特自然垮落，在东侧形成了高大陡边坡，随着开采向490 m水平以下发展，490 m水平以下也存在一些地压安全隐患。故东部高大陡边坡的稳定性监测极为重要。通过安装非接触式岩移智能监测系统，对东部高大陡边坡的变形、滑移与垮塌进行监测，监测区域如图5所示。绿色框内表示高大陡边坡区域，左边小矩形框表示激光仪所在位置，多边形表示放置在边坡区域的合作目标。

为了保证岩移系统监测数据的稳定性，便于后续监测过程中的维护，现场的安装和调试工作非常重要。柿竹园岩移系统安装在650 m分层平巷中，合作目标与激光仪的初始距离大概为70 m，合作目标采用了银亮材质的反光布，反光布贴在塑料扣板上，设计可调节角度的安装支架，通过调节合作目标的角度增强反射效果。同时用于固定扣板，减小爆破震动的影响。岩移设备的初步组装在地表室内完成，之后将加工好的支架、设备等所有部件运输至监测区域进行最后的组装与调试，待调试好后在地表进行软件设置及数据分析，安装调试过程见图6。

图6现场安装

岩移自动变形监测系统自今年2月开始运行，设备和软件均能正常运行，根据实际需求，预设的预警值为岩体移动10 mm，从2月份正式运行到10月份，累计岩移改变量约为10 mm，岩移曲线的统计趋势以及各时间段现场裂纹测量实际值对比见图7。

3结论

(1) 成功开发了一套非接触式岩移实时监测系统，实现了对危险岩体岩移的远程非接触性监测，通过调节合作目标的角度和激光束的角度，可以在安全区域测量被测岩体的空间移动量。该监测系统在监测方法上打破了传统的接触式岩移监测方法和模式，具有创新性、实用性的特点，为垂悬岩体、采空区等极不安全区域的岩移监测提供有力的技术监测手段。