一种新型巷道变形监测设备的结构及其应用

荆洪迪 李元辉 吴大伟

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳110819）

随着中国的隧道、矿山建设的迅猛发展，人们的工程安全和风险意识不断提高。工程施工所引起的安全问题，尤其是如何确保工程安全、高效地运转引起了研究人员的广泛关注。地下工程工作面的收敛变形监测历来受到工程界的高度重视［1-3］。尤其是在干扰活动频繁的地下矿山巷道中，已经成为检验工程设计、施工效果，确保安全施工及运行的重要手段。随着科技飞速发展，变形监测技术手段也随之更新换代［4-6］。收敛计、全站仪等传统人工观测技术逐步被机器人、三维激光扫描等自动测量技术取代。现代变形监测正逐步实现多层次、多视角、多技术、自动化的立体监测体系［7-8］。但是目前人工测量依然是我国矿山变形监测的主体。传统收敛计监测虽然适应地下矿山环境，但是效率低、精度差、作业环境差等亟待改善。

为了解决这些问题，课题组基于巴塞特收敛系统，自主研发了可以适用于地下矿山巷道的断面变形实时监测系统“MineTCS”。该系统能够实时监测巷道的收敛变形，变形数据可以即时传输到地面的计算机。地表技术人员可以随时通过计算机掌握地下巷道变形情况，从而合理地安排和改进施工方案。研究成果在未来地下矿山变形监测、危险预警方面有着广阔的应用前景。

1 巴赛特收敛系统

巴赛特收敛系统是一种的隧道剖面收敛自动测量系统，以它的设计人Dr Richard Bassett的姓氏命名，该系统具有高分辨率、抗干扰、快速高效等优点。巴赛特收敛系统是一种高精度、自动化监测系统，整个系统从数据自动采集到计算结果的显示完全实现计算机自动化，广泛应用于隧道施工的断面变形监测工作中。

1.1 组成及工作原理

巴赛特收敛系统（图1）由多个杆件单元（一个长的和一个短的组合成为一对杆件单元）首尾互相铰接安装在待测断面四周，构成一个测量环，杆件单元内置一种特制的高精度电解质倾角传感器，每对长短臂的一个铰接点通过固定件与隧道壁相固定，另一个铰接点是浮动的。

当隧道壁发生变形时，必定使变形区内的几个固定点产生（空间）位移，也带动相关的长短臂活动，即长短臂产生角度变化。这时分别安装在长、短臂上的倾角传感器就可测出这种微小的角度变化。根据倾角变化和各相应长短臂的长度就可计算出各固定点的位移。

1.2 位移计算原理

（1）在微小转角条件下，受力零杆的一端相对另一端的位移增量δ，等于杆长γ与杆轴转角增量α之乘积：

或表示成坐标分量形式：

（2）受力零杆的一端相对量测系统参照点的位移Δi，等于该杆另一端相对量测系统参照点的位移Δi-1与该杆两端相对位移增量δi的迭加，即：

或表示成坐标分量形式：

二者关系：

以上式中，α为臂杆转角增量（弧度角，以顺时针为正）；γx、γy为杆长γ的坐标投影。

该系统在进行测点位移计算时，首先假设了断面第1号测点为“不动”参照点，这样做的结果是把监测断面当成了一个对外独立的内部量测系统。从大地测量系统的角度考虑，就会发现假设不动的参照点也是一个动点。同一测点的这2种位移之间有一个简单的转换关系：“测点绝对位移=测点相对位移+参照点绝对位移”。所以在工程监测中，需要根据这一关系把相对位移转换为绝对位移。

隧道工程多为地铁等百年工程，工程周期长，对稳定性要求高且投资大，所以巴塞特收敛系统得以在隧道监测中推广。但地下矿山工程要求却有所不同，单个水平开采时间较短，且监测过程中巷道断面变形监测手段需要成本更低，精度满足要求，拆卸方便且不影响井下日常生产作业。所以，地下矿山急需一种高精度、低成本、适应地下矿山复杂条件的自动化巷道断面收敛监测系统。

2 MineTCS巷道变形实时监测系统

巴塞特收敛系统虽然在隧道变形监测中取得了很好的应用效果，但是受制于成本、适应性等各种因素，很难应用到地下矿山巷道断面收敛变形监测中来。为解决这一难题，课题组针对性地研发了地下矿山巷道变形实时监测系统MineTCS。该设备安装测试简单，可以适应复杂的现场环境，能够自动测量计算巷道断面各点水平、垂直方向位移，实现24 h无人工值守连续监测，解除了测量工作的安全隐患。收敛仪安装紧贴巷道壁，且仅占用上部空间，允许大型铲运设备正常通过，不影响矿山正常生产运营。收敛仪测量精度可达0.01 mm，满足矿山工程的各种需要。监测结果可用于评估巷道围岩损伤变形情况、优化爆破参数、合理安排工程进度、改进支护方案等用途。

监测系统由数据采集和传输、存储部分组成。

2.1 数据采集部分

每个巷道断面监测装置由2个数据采集器、4组保护套管、3个固定端组成，见图2。

每个采集器由变压器、分控电路板、2个拉线式位移传感器和4个倾角传感器组成。每个拉线式传感器对应1组保护套管，内保护套管一端铰链连接于固定座上，另一端置于外保护套管内与其连接。外保护套管另一端固定于数据采集器外部。拉线式位移传感器和倾角传感器固定在数据采集器内部，拉绳穿过三防外壳通孔与内保护套管连接。

当套管两端发生相对位移时，内套管与外套管发生相对滑动，并带动拉线式传感器绳索发生相对滑动。拉线带动传感器传动机构与编码器同步转动，并在拉线伸收过程中保持其张力不变，从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。编码器根据拉出来的距离生成相位差90°的A、B 2个方波，根据方波的个数计算2点之间位移。

2.2 数据传输、储存部分

MineTCS数据传输、储存部分包括通信电缆、控制计算机。其特点是多个分控电路板通过通信电缆和数据采集器相连。数据采集器测得电信号通过线缆发送到控制计算机，计算机端通过预装数据处理软件得到各监测点位移。监测数据如表1所示。

3 MineTCS在地下矿山的应用探索

保国铁矿矿体赋存条件复杂，矿体下盘围岩受构造和蚀变作用，结构破碎，岩质松软，稳定性差。其下盘围岩具有抗压强度低、变形大、遇水极易破碎、膨胀从而产生变形破坏等特点。导致巷道的稳定性问题十分突出，巷道支护工程施工完毕后不久即开裂变形，进而产生片帮、冒落和顶板沉降等围岩弱化现象，严重影响矿山的正常开采、运输工作。为了分析保国铁矿巷道围岩变形破坏机理，精确监控现场巷道围岩变化，研发了巷道断面变形连续监测收敛仪“MineTCS”，并将其应用于该矿地下巷道变形监测中。

3.1 变形监测方案

在该矿山+20 m分段共布置10个变形监测点，如图3所示。随着+35 m分段的开采，可以最终得到上部分段开采影响下的+20 m分段巷道完整变形过程，从而掌握下部分段巷道随着上部进路开采的变形规律。测线布置方向垂直于矿体走向，主要用来监测垂直矿体走向方向的巷道变形情况。+20 m分段2210进路内的10组收敛仪测点每隔10 m设1组测孔。

由进路内部至下盘沿脉运输巷道的监测点布置（SL1～SL10）方式，纵贯下盘沿脉运输巷道与回采进路交叉处、下盘矿岩接触带以及整个回采进路，既可以完整地监测到随着+35 m水平进路回采对+20 m水平巷道位移场影响的完整过程，还可以同时监测到开采扰动对下盘矿岩接触带及运输巷道和回采进路交叉口部分的巷道变形规律。

3.2 监测结果与数据分析

长时间的自动化连续变形收敛监测，得到了大量保国铁矿地下巷道工程变形监测数据。通过变形数据可以得到巷道每个监测断面三心拱内5个监测点的水平、竖直位移，进而有助于判断巷道围岩的破坏模式以及对危险区域进行有效预警。

图4为SL-2监测点的实时监测数据，分水平方向和竖直方向两部分来分析其变形规律：拱肩部SL-2-2、SL-2-4水平方向向内收敛了3.192 mm，拱底部SL-2-1、SL-2-5水平方向向内收敛了0.297 mm，拱顶部测点SL-2-3水平方向位移只有0.186 mm；由收敛仪监测数据可见，水平位移值最高点为拱中部SL-2-2、SL-2-4。拱顶测点SL-2-3向下沉降1.531 mm，中部测点SL-2-2、SL-2-4向上移动3.256 mm和3.346 mm，底部测点SL-2-1和SL-2-5分别向上移动了0.382 mm和0.405 mm；可见中部测点SL-2-2和SL-2-4变形幅度依然是SL-2断面中最大的。从变形幅度及位移方向上判断巷道的变形破坏较容易出现在SL-2-2和SL-2-4附近。监测数据如表2所示。

通过整体分析水平位移（X）和竖直位移（Y），发现SL-2-2与SL-2-3之间会产生较大的水平方向的压力和竖直方向的剪切力，SL-2-3与SL-2-4之间同样会产生较大水平方向的压应力和竖直方向的剪切力。所以可以判断测点SL-2-3两侧极易产生由压力和剪切力共同主导的破坏。

由于SL-2-2与SL-2-4之间的3个测点的纵向变形差值明显大于横向变形值，而且岩体能够承受的压应力大于剪切力，所以可以判断该巷道断面三心拱上半部支护破坏主要是由剪切力造成的。而三心拱下半部SL-2、SL-4点与SL-1、SL-5点间远离趋势明显，所以极易产生拉剪力破坏。图5为SL-2监测断面附近巷道破坏现场情况。

图6为该矿+20 m水平监测巷道的变形监测图，可以看出沉降位移和两帮位移均随时间发展逐渐增加。除SL-9测点外的其他测点两帮收敛变形情况和顶板沉降情况类似。对两帮收敛变形图和顶板沉降变形图进行比较分析可以发现，两帮的收敛变形幅度明显大于顶板沉降幅度，说明水平应力对该巷道变形的影响较大。

SL-9测点的两帮收敛变形幅度明显大于其他监测点，可以推测，整条进路的水平应力集中区位于矿岩接触带的SL-9监测点。图7为SL-9监测点附近发生较大围岩破坏，由于提前监测到该测点的位移异常情况，及时进行了预警，避免了不必要的人员、设备损失。

地下矿山软岩巷道的围岩收敛变形监测对掌握巷道稳定性情况有着至关重要的作用。实时监测数据能够对巷道破坏进行有效预警，而长期监测结果则可以辅助研究特定工况条件下的巷道围岩收敛变形趋势，有助于合理安排施工进度计划并对巷道围岩支护工程进行及时的修补。图8为巷道开拓完毕后在一次喷射混凝土条件下SL-2-3监测点（随机选取）位移随时间变化曲线。可以明显看出巷道围岩位移变化分为3个阶段：初始稳定阶段、加速变形阶段、二次稳定阶段。通过位移曲线可以选择最佳支护时机，释放岩石初始塑性变形、获得最大围岩自承能力。矿山技术人员亦可以根据收敛变形数据曲线合理安排井下回采工作施工进度。比如在加速变形阶段可以减少爆破量、降低爆破频次，而在变形稳定阶段可以适当增加生产强度等等措施。

4 结论

研究针对传统矿山变形监测手段落后的问题，结合巴塞特收敛仪的工作原理，设计出了适用于矿山巷道连续变形监测设备MineTCS。通过该设备在保国铁矿地下巷道的成功应用，解决了诸多实际问题并取得如下成果：

（1）为地下矿山变形监测、危险预警提供了新的技术手段，并获得了成功应用案例；

（2）地下矿山现场实际应用结果证明了设备的可靠性，可用于评估巷道围岩损伤变形等情况；

（3）与传统收敛计测量相比，有精度高、成本低、自动化、信息化等特点，相较于隧道监测设备又有着适应地下矿山复杂情况的优势。