基于位移的煤矿巷道安全监测现状及趋势

孟祥甜

煤炭科学技术研究院有限公司 北京 100013

井 下开采是我国煤炭资源开采的主要方式，巷道围岩失稳破坏造成的安全事故时有发生。对巷道围岩进行监测预警，掌握巷道围岩稳定性状态及发展趋势，对保障煤矿安全开采有重要意义。

巷道围岩位移是巷道稳定性变化的最直观物理量，可以表现出巷道的现有稳定状态及发展趋势。对巷道围岩的表面及深部位移、变形值进行监测，预测其发展趋势，可以对围岩稳定性状态进行较准确的预测预报。通过基于位移的围岩稳定性监测预警，采取相应的防护措施，可以使矿井安全事故造成的灾害降低到最低程度[1]。

研究表明，巷道围岩的表面与内部位移变化可以反映不同施工工况对围岩的力及应变的作用，且是巷道围岩发生变化的最直观表现。因此，巷道围岩位移是矿压监测的基本内容。国内外诸多专家进行了基于位移监测的巷道围岩稳定性预测预报研究。

1 巷道围岩表面位移监测现状

表面位移监测是巷道围岩稳定性监测的最常见方法。表面位移监测包括巷道顶板下沉、两帮变形、底板变形、底鼓和上下两帮变形监测，基于设置的安全阈值，判断巷道围岩的稳定性。

近年来，随着计算机和人工智能技术的突破，巷道围岩位移监测已从人工测量发展到自动化的接触式和非接触式监测。

1.1 接触式监测

巷道围岩位移接触式监测可以分为人工工具法、收敛计监测法和巴赛特收敛系统监测法。

1.1.1 人工工具法

人工工具法是人工使用仪器进行接触式测量，测量工具多为测枪、测尺、测杆和测绳等，测杆和测尺应用最为广泛[2]。该方法设备成本较低，但劳动量大，监测效率有待提高。

1.1.2 收敛计监测法

收敛计由卷尺、钢环、接头等组成，是巷道围岩位移监测的常用工具。使用巷道收敛计监测巷道位移时，需要在巷道的拱顶、拱腰、边墙和周边设置固定测桩[3]。该方法费用低、操作简单，理论与实践研究较完善，但劳动强度大、监测效率低、数据精度容易受到影响[4]。

1.1.3 巴赛特收敛系统监测法

巴赛特收敛计由 Richard Bassett[5]发明，巴赛特收敛系统监测法则是基于巴赛特收敛计进行测量。该系统由多个杆件单元铰接形成测量环，安装在巷道待测断面，杆件单元内放置倾角传感器进行角度监测。当巷道围岩表面变形时，收敛系统的倾角传感器即可测出围岩变形。巴赛特收敛计通过倾角传感器测量围岩变形，可实现数据自动化采集与显示。

巴赛特收敛系统监测法可实现巷道围岩变形的高精度、自动化监测，便于数据自动采集与处理，监测结果的自动化与信息化显示。

1.2 非接触式监测

非接触式监测有全站仪测量法、经纬仪前方交会法及激光测量等[6]。

1.2.1 全站仪测量法

在巷道围岩表面位移监测中，使用全站仪可以进行距离、角度、高差和坐标等参数的监测，具有功能多、精度高及自动化的特点[7]。

巷道围岩位移自动化全站仪监测系统可实现位移监测数据的自动监测、记录、处理及预测预报等功能。全站仪监测系统由软件和硬件两部分构成，硬件包括全站仪、棱镜及通信电缆，软件为专用位移监测数据处理软件。

自动化全站仪监测系统的原理为通过反射棱镜自动跟踪记录多个巷道已开挖断面的固定监测点，把传统全站仪对固定断面任意监测点的扫描变成对任意断面固定监测点的扫描。由于全站仪三维监测法具有功能多、精度高、自动化的特点，因此在井下巷道位移监测中应用较多，但监测仪器易出现人为误差，会对监测结果造成较大影响[8]。

1.2.2 经纬仪前方交会法

使用经纬仪，应用前方交会法，可实现巷道围岩表面位移的监测[9]。经纬仪前方交会法适应性较强，但在实际应用中，需设计适合施工环境的方法和平差分析系统。经纬仪前方交会法测点的安装和维护较困难，导致监测成本较高[10]。

1.2.3 近景摄影技术

将数字摄影技术应用于巷道围岩表面位移的监测，形成了巷道围岩位移近景摄影技术[11]。巷道围岩位移近景摄影通过相机获取待测巷道的影像，结合GPS 和全站仪，获取监测点、摄像机及固定点的坐标，进而得到巷道围岩表面位移的变化信息[12]。该方法精度与自动化程度较高，投入经费较大。

1.2.4 分布式光纤

巷道围岩位移光纤监测是利用特征量的变化来判断监测量的情况，常用分布式光纤进行巷道围岩位移变形的监控测量。采用光纤进行巷道围岩位移监测时需要投入较多的费用，并结合力学、通信技术等多学科进行监测预警[13]。

1.2.5 激光测距与扫描

激光测距的原理为发射器发射激光到达被测物体表面，接收器接收反射回的激光，由时间计数器测定激光发射与接收时间间隔，从而计算出发射装置与被测物点的距离[14]。根据测量时间方式的不同，激光测距法可分为脉冲式和相位式。

2017 年，王运森等人[15]提出了一种巷道表面位移监测方法及系统。在保证监测方法简单、监测数据可靠的前提下，采用激光测量原理建立巷道表面模型，综合运用空间插值技术丰富采样点数据信息，客户端实现了监测数据变化趋势的直观动态显示[16]，该系统结构如图 1 所示。

图1 巷道表面位移监测系统结构示意Fig.1 Structural sketch of monitoring system for displacement of roadway surface

激光监测法可以进行全断面巷道扫描，再现巷道位移变形情况。激光监测仪器价格较高，测量精度有待提高[17]。

1.2.6 多参数监测装置

近年发展起来的一些多参数监测装置，可实现围岩内部的受力、变形、位移和离层物理量的实时监测[18]，如围岩失稳的声光电集成监测装置。集成监测装置包括光学检测孔、声发射监测仪和钻孔应力计，可进行 3 种监测信息的实时监测，经数据间的相互验证，提高了巷道围岩监测结果的准确性，能避免在复杂环境下监测信息失效等问题[19]。

1.2.7 多数据融合监测系统

随着科学技术的发展，煤炭开采逐渐向自动化、智能化转化，智慧矿山已成为煤炭资源开采的必然趋势，多数据融合监测是巷道围岩监测预警的发展方向[20]。2019 年，邓弘哲等人[21]研发了一种巷道围岩稳定性多功能一体化监测系统。该监测系统可监测巷道锚杆轴力、温度、湿度、表面位移及 PM2.5 值，采用力+位移的综合性方法进行巷道稳定性的预测预警。通过分析锚杆轴力、巷道表面位移变化趋势，判断锚杆支护是否失效、巷道位移是否过大，可预防安全事故的发生。

2 巷道围岩深部位移监测现状

巷道围岩位移由表向里扩展，且在一定范围内逐渐减小，内部位移与周边位移具有明显的相关性[22]。通过对巷道围岩深部位移进行监测，可有效反映围岩稳定性状况，为支护结构设计提供基础[23]。巷道围岩深部位移指巷道顶板及两帮内部变形，通过围岩深部位移变化规律，可掌握巷道顶板、两帮稳定性变化情况[24]。巷道围岩深部位移主要监测仪器为多点位移计，通过在巷道围岩内钻孔布置测点，当围岩运动时，可以通过测量测线钢丝变化量获得位移量[25-26]。

巷道围岩离层量

式中：sn为测线外露变化量；n为测点编号；r1i，r2i，…，rni为多点位移计各测线长度；i为测量次数，取值为 1～m；Ln为rn+1～rn岩层段的位移量。

深部围岩真实位移计算式为

式中：urn为rn处围岩真实位移；u1为第1 次测量后巷道围岩表面距中心值；um为第m次测量后巷道围岩表面距中心值，正值为岩层向巷道内位移，负值为岩层向围岩内位移。

计算出巷道围岩深部真实位移后，可进一步计算出巷道围岩深部任一点的径向位移与周边位移的比值，即围岩深表比，

式中：λr为深表比；ur为距离巷道表面r处的岩体径向位移；u0为巷道表面位移。

依据深部位移巷道围岩稳定性预警时，当发生巷道围岩大变形失稳时，则可取此位移量作为预报危险的临界值。如在所监测巷道中无巷道围岩失稳灾害发生，也无经验数据可供类比时，则可设一个位移值为预警值，该预警值可在后续观测中逐步修正。如在监测过程中巷道位移量没有达到预警值且围岩保持稳定，则继续使用该位移值作为预警值[27-28]。

2009 年，刘训臣等人[29]为研究巷道锚杆支护结构稳定规律，采用深部巷道围岩位移实时监测系统判断顶板离层、锚杆支护情况。2019 年，黄燕波[30]采用巷道变形监测，掌握巷道深部围岩变形规律，预测巷道围岩变化趋势及巷道围岩位移范围。

3 巷道位移监测趋势及展望

回顾基于位移的巷道安全监测的大量实践及研究成果，展望巷道位移监测预警的未来，其监测方法发展趋势如下：

(1) 巷道位移监测逐渐由人工操作转向自动化操作，位移监测方法在设备的造价、数据的精确度、地下采矿恶劣环境的适应性等方面有待改进。随着数字化矿山的发展，位移监测成为巷道稳定性监测的重要手段。

(2) 巷道围岩表面位移收敛计监测法的应用范围和时间受环境条件限制，对于煤矿巷道围岩稳定性方面的简单观测，仍具有一定的实用性。近年来，新型巷道围岩位移收敛计已有较大改进，具备一些新功能，如电子显示、半自动、智能化等。

(3) 采用水准仪和全站仪监测巷道围岩位移是传统测量方法，近年来，遥感技术已向定量化、自动化、实用化发展，近景摄影法有较大发展潜力。

(4) 巷道围岩位移监测技术的重要发展方向为多数据综合监测，即采用多种监测技术对巷道进行多参数监测，可得到多种监测数据。对于基于多数据的巷道围岩监测技术，需要解决的问题是监测信息的融合分析与预警阈值的确定。

(5) 巷道围岩内部的位移变化值较易获取，对于不同工况下的围岩失稳，其预警模式及预警值的确定仍需深入研究。

(6) 巷道围岩位移监测数据处理分析将向着自动化、智能化、系统化、网络化的方向发展。随着多种自动化监测技术的应用，会更注重时空模型和时频分析的研究，数字信号处理技术将会在基于位移的巷道安全监测方面得到进一步的应用。