煤矿巷道围岩内部位移感知原理与方法

程博源，赵 阳，谢雨杨，朱孝伟，申 华，于鸿钰，张洪伟

(中国矿业大学 能源与矿业学院，北京 100083)

随着煤矿开采年限和强度的逐年增加且逐渐由浅部转向深部开采，在深部煤岩、地质断层、高构造应力等复杂地质条件下的开采和支护问题与日俱增[1-2]。因此，在煤矿开采过程中，研究巷道围岩变形规律对矿井灾害的预防和巷道支护设计以及围岩变形的监测起着至关重要的作用。相较于稳定巷道围岩的变形，复杂地质条件下的巷道围岩的稳定性则受多种因素的影响，致使巷道围岩稳定性的维护较为困难[3]，因此掌握巷道围岩变形状况，对巷道围岩变形进行监测十分重要[4]，设计一套矿井巷道围岩内部变形智能感知系统，对煤矿巷道稳定性控制和安全智能开采具有重要的现实意义及时代意义。

学界对巷道围岩变形监测开展了大量研究，主要可归纳为3类：第一类是巷道围岩变形监测的传统方式，主要是基于锚杆及索网支护衍生的各类方法[5-7]。第二类是基于锚固系统衍生的相关原理及方法，本文归为常规监测巷道变形方法。比如，孔恒等[8]利用KDW-1机械式多点位移计，选用顶板离层值等5项指标反映煤巷锚杆支护稳定性，提出了围岩动态监测与反馈的基本原理。王建辉等[9]采用十字布点法在巷道断面上布置4个测点，通过观测各测点间的距离进行巷道表面位移的监测，分析了巷道两帮及顶底板变形与位移特点。第三类是运用电子设备进行监测的相关方法，李术才等[10]提出采用矿井钻孔电视进行围岩内部破坏监测，得到了4个断面围岩的分区破裂分布图。蒋邦友等[11]运用探地雷达进行测试，通过分析测试结果得出了轨道运输巷道围岩松动圈的分布规律。孟庆勇等[12]设计了煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统，实现了对掘进巷道顶板离层、应力和声发射参数的实时监测。周竹峰[13]采用三维激光扫描技术对巷道围岩变形进行监测，杨化奎等[14]采用双目视觉进行巷道变形实时监测达到了更高的围岩变形监测精度，降低了虚警率。

当前学界已有多种巷道围岩变形监测的方法，但传统方式与常规监测巷道变形方法存在测量质量不佳、数据波动较大，人为误差大，测量精度不高以及不能直观反映巷道围岩变形的三维状态信息；而运用电子设备进行巷道变形监测的方法存在仅是对巷道围岩的表面进行变形分析，对巷道围岩内部监测的研究尚有匮乏，如当前主要采用的顶板离层仪，监测顶板不同层位岩体下沉量，主要表征垂直方向的分层位移，而对于水平方向，尤其是巷道两帮水平和垂直位移的三维感知，缺少监测方法。基于此，本文利用当前的传感器技术设计了一套成本低，具备稳定性、准确性、实时性的巷道围岩变形智能感知系统，对解决监测巷道围岩内部变形尤其是应力集中区域的监测力度不够及时和准确的情况具有重要作用。

煤矿巷道围岩内部位移感知系统设置了多连杆式结构，结构可随着围岩变形而自由移动，利用角度传感元件，通过一定的算法，对杆体位移进行反算，实现巷道围岩变形的实时数据监测。

1 新型巷道围岩内部位移监测仪工作原理及安装结构

1.1 新型巷道围岩内部位移监测仪的工作原理

新型巷道围岩内部位移监测仪主要采用角度传感器作为数据感知装置。角度传感器通过内置芯片对规定的直角坐标系中的三个轴线的旋转角度进行感知，即对角度传感器环绕各个轴线旋转的角度进行测量和记录，如图1所示。新型巷道围岩内部位移监测仪为多节连杆结构，每一段结构中均放置1个角度传感器，不同的角度传感器间相互连接，彼此进行数据的传递和记录。

数据采集前，需要先对围岩钻孔，后将装置平稳推入钻孔中，并将数据存储器与之相连。巷道掘进后，巷道围岩在矿山压力的作用下发生形变，巷道围岩的形变带动各节杆件产生转动和位移，杆件间产生相对的角度变化，通过角度传感器可以测得角度αz、αx.在球坐标体系中，αx为杆体在yoz平面的投影与y轴的夹角，αz为杆体xoy平面与y轴的夹角，传感器将测得的角度变化转化为电信号，经数据采集器收集所有杆件的角度变化后输送至上位机进行处理，按照公式(1)的转换规则得出巷道围岩内部位移监测仪单杆相对于上一节连接处的坐标变化Xi、Yi、Zi，如图2所示。

图1 角度传感仪器的工作原理示意

(1)

Zi=lsinαzcosαx

图2 单节新型巷道围岩内部位移监测仪工作原理图

对于多节巷道围岩内部位移监测仪，我们采取相对坐标迭代计算来得到后续杆体的坐标位置，由公式(2)的转换规则得出节数为n的巷道围岩内部位移监测仪整体形变情况，并通过数据线按照自定义规则将数据按时序连续写入数据采集存储器，通过Matlab建立实时围岩形变模型，同时利用显示屏实时显示，监测仪可通过外加软件编程额外实现自定义时间间隔采集数据等功能。

(2)

本监测仪具有体积小、结构简单、生产成本低的特点，在现场测试中，仅需将其放入钻孔中，数据直接显示在PC端，操作简单易上手，具有广泛应用的潜能。

1.2 新型巷道围岩内部位移监测仪的组成及结构

新型巷道围岩内部位移监测仪主要由角度传感器、承载杆体、连接弯头、显示屏及数据采集存储器等组成，其结构主要呈现为多节杆件连接形式，由金属杆件作为监测仪的承载部分，角度传感器安装在杆件的中央位置，各杆件间采用铠装软管作为连接结构，各传感器通过XH2.54反向头4P排线相互连接，传感器将数据采集结果传输至电脑，装置的结构示意如图3所示。

图3 围岩内部分段监测结构示意(嵌入型)

1.3 新型巷道围岩内部位移监测仪的系统结构

在巷道围岩表面向内部钻直径为70 mm的钻孔，间排距为1 200 mm×1 600 mm.由于传感器是多节组成，可通过多节串联实现不同长度钻孔位移监测，所以钻孔长度根据所需要监测的深度设置。

钻孔后将新型巷道围岩内部位移感知仪杆体结构，平行于钻孔进行放置，放置前,应清除钻孔内堆积钻屑，以保证仪器的安装及精度。将仪器安置到位后，打入粘结剂，通过粘结剂与岩体固定并提供一定预紧力，从而使杆件固定在钻孔中，不产生滑动及滚动摩擦，以保证仪器与接触的围岩保持相对静止，以提高仪器的监测精度。

将监测仪安装结束后，应先将监测仪与上位机系统进行连接，对监测仪进行置零，并根据开采或研究的需要，对监测仪的数据收取的频率及精度进行调整，在按规划将感知系统中的所有监测仪安装并调试完成后，新型巷道围岩内部位移监测仪的系统初步完成。

2 仪器试验模拟测量及精度分析

2.1 测量方式及测量真值选取

1) 测量方式的选取。本次精度试验将选取高精度角度测量仪(分辨率为0.01°，精度为0.005°)作为参照，与模型仪器监测系统形成对比。

2) 真值的选取。真值分为理论真值与约定真值，约定真值的不确定度(或误差)可以忽略不计。就给定目的而言，确定角度测量仪的测量值为约定真值，因此绝对误差可定义为公式(3)所示。

△u=u-U

(3)

式中：△u为绝对误差；u为测量值；U为被测量的真值。

2.2 单节仪器巷道围岩位移变化试验

试验将模拟单节仪器在巷道围岩中的运动及位移变化，用角度测量仪来规定试验中监测器模型角度变化的真值作为理论真值，并对不同角度的进行多次试验，以减少人为操作的误差，具体试验数据如表1所示。

表1 单节仪器巷道围岩位移变化试验数据

2.3 多节仪器巷道围岩位移变化试验

试验将模拟三节仪器在巷道围岩中的运动及位移变化，用角度测量仪来规定试验中监测器模型角度变化的真值作为理论真值，并对不同角度的进行多次试验，以减少人为操作的误差。

由于多节模型中每节模型的旋转角度相互独立，为减小人为测量误差，用多个角度测量仪同时测量。并为试验仪器的重复测量稳定性，对此进行两组重复试验，每组试验的单一数据进行两次重复测量，试验数据如表2和表3所示。

2.4 仪器试验测量结果的精度分析与讨论

2.4.1 单次试验测量结果的精度分析与讨论

由试验可知,该模型的模型精度较高，可以精确到0.000 1°，与之前的监测仪器相比，本仪器的精度大大提高，更有利于相关数据的采集和科研试验的进行。试验过程中产生了一些误差，误差主要来源于人为的测量和模型的组装，但误差浮动范围都在1°以内，完全符合煤矿开采过程中对巷道围岩变形的监控需要。

表2 多节仪器巷道围岩位移变化试验数据(一次测量)

表3 多节仪器巷道围岩位移变化试验数据(重复测量)

2.4.2 重复试验测量结果的精度分析与讨论

为检测该仪器的稳定性和重复多次监测数据的能力，通过对同一角度的多次试验，及仪器的重新布置与再测量，将所得的试验数据进行综合处理，可以看出多次试验结果的数据较为稳定，基本试验数据浮动最大差值在1～2°之内，试验误差多来自于人工操作误差，且误差对于仪器反映巷道围岩变形的具体情况基本没有影响，能够正常反映巷道围岩的变形情况和特征。

2.4.3 随机模拟围岩变形仪器测量变形结果分析

为检测该仪器对于巷道围岩变形情况的反映程度，对仪器进行了巷道围岩定量形变和巷道围岩随机形变的模拟试验，对仪器所得数据进行指定的公式计算，得到模型监测仪所反映的位置空间数据，并进行图像定位模拟后，可以得到仪器所反映的巷道围岩变形情况。对于反映结果进行分析，可以看出模型的测量数据所推出的结果，对于0.5 m范围内的小范围巷道围岩的细致变形和破碎情况反映不够清晰，但对于大范围巷道围岩的变形情况反映较为清晰，可以正确地反映巷道内部的围岩变形情况，满足矿井巷道围岩的变形监测的需求。

2.4.4 仪器优势分析

巷道围岩内部位移感知系统利用其内部核心监测仪器即角度传感器对巷道围岩内部变形情况进行跟踪，实时传输其变化过程，并利用现有的软件分析技术对巷道变形进行动态分析，初步实现变形监测的智能化。

巷道围岩内部位移感知系统，测量方法操作方便、快速，而就传统和常规测量方法而言，受人为因素影响较大，导致测量结果误差偏多，无法实现精准测量，且无法实现实时监测效果。与运用电子设备进行巷道变形监测的方法相比，巷道围岩内部位移感知系统能够监测巷道围岩内部深处的位移变化。

围岩变形阵列式感知系统利用现有监测传感器及上位机等技术，不需要人为进行实施测量，而是结合现有的软件分析技术，达到对巷道围岩变形的监测目的；监测范围广，围岩变形阵列式感知装置可通过增加节杆数量的方式来不断提高监测范围，对围岩内部较深处也能够实现监测目的，同时，利用其体积小、轻便、灵活以及能够与锚杆锚索在一定程度上结合的优点，可在巷道中大规模安装，实现对整个巷道的全面监测；环境适应性强，围岩变形阵列式测量方法能够适应各种较差环境，真正实现对巷道围岩变形的精准监测；造价低，制作较简单，监测仪所需的结构件较少，能够在煤矿大规模的应用，且监测效果好。

3 结 语

本文提出的巷道围岩内部位移感知系统，利用了基于现代传感技术的新型围岩位移监测仪，作为一种新型的围岩位移监测方式，突破了传统仪器的检测方式，避免了人力的过多消耗，实现了围岩位移变形监控的实时性。通过该围岩位移监测仪，可实时读取分析巷道围岩的变形情况，并进行及时分析与判断，做出相应的问题解决措施，在一定程度上保障了巷道推进的高效性及安全性。

同时，本仪器通过试验分析，得出该新型围岩位移监测仪的监测精度较高，可以达到万分位，与之前的监测仪器相比，本仪器的精度大大提高，更有利于相关数据的采集，可以为后续相关科研活动打下基础，并在一定程度上有利于煤矿开采的智能化推进。