围岩失稳声光电集成监测系统.pdf

本实用新型公开了一种围岩失稳声光电集成监测系统，包括对预先在煤矿掘进巷道或采煤工作面用巷道的巷道帮上所钻取的同一个钻孔内壁的围岩损伤情况分次进行监测的光学钻孔窥视仪、声发射装置和钻孔应力计，以及布设在钻孔外侧的所述煤矿掘进巷道或采煤工作面用巷道中对应测点上的控制接收器；所述钻孔窥视仪、声发射装置和钻孔应力计均接对三者所监测结果进行汇总并显示的控制接收器；所述采煤工作面用巷道包括采煤工作面机巷和采煤工作面风巷两个巷道。本实用新型设计合理且使用操作简便、监测结果准确，能有效解决现有单一监测手段所出现的精度不高、数据失真，某些特定环境下甚至导致监测失效等实际问题。

1.  一种围岩失稳声光电集成监测系统，其特征在于：包括对预先在煤矿掘进巷道(14)或采煤工作面用巷道的巷道帮上所钻取的同一个钻孔(1)内壁的围岩损伤情况分次进行监测的光学钻孔窥视仪(2)、声发射装置(3)和钻孔应力计(4)，以及布设在钻孔(1)外侧的所述煤矿掘进巷道(14)或采煤工作面用巷道中对应测点(13)上的控制接收器(5)；所述钻孔窥视仪(2)、声发射装置(3)和钻孔应力计(4)均接对三者所监测结果进行汇总并显示的控制接收器(5)；所述采煤工作面用巷道包括采煤工作面机巷(7)和采煤工作面风巷(8)两个巷道。

2.  按照权利要求1所述的围岩失稳声光电集成监测系统，其特征在于：所述光学钻孔窥视仪(2)、声发射装置(3)和钻孔应力计(4)与控制接收器(5)均通过电缆进行连接。

3.  按照权利要求1或2所述的围岩失稳声光电集成监测系统，其特征在于：所述光学钻孔窥视仪(2)为能在钻孔(1)内部进行360°的钻孔窥视仪。

围岩失稳声光电集成监测系统
技术领域
本实用新型涉及岩土及采矿工程技术领域，尤其是涉及一种围岩失稳声光电集成监测系统。
背景技术
在岩土及采矿工程中，由于煤岩层受节理、裂隙以及断层等构造的影响，使得煤岩层表现出不连续且各向异性的特点，加之水和赋存在煤岩层里的瓦斯同时与原岩应力及构造应力共同对煤岩层产生作用，又使得煤岩层的物理性质和力学性质变得更加复杂。在工程实践中，如要用单纯的数学解析和岩石力学理论来解决实际问题，几乎是不可能实现的。因为煤岩层受上述外在因素的作用后，在时间上和空间上不断发生变化，在不同的地点，由于人为方法的选择更是形成了煤岩层在不同条件下的变化特点，总体上形成了在时-空-地三个概念里的相对变化；并且其变化的多样性和复杂性，给矿山岩土工程检测技术带来了发展，使得岩土工程监测技术成为解决矿山众多问题的一种主要手段。
现如今，对矿山围岩监测技术手段较多，例如声发射、光纤、电阻应力计等，但都集中于某一种技术手段，由于煤岩层赋存的多样性和复杂性，空间尺寸的大型化以及在现场监测中受外界因素干扰较多，很多检测结果出现失真现象，可见单一的监测手段在特定的时-空-地范围内进行矿山岩体监测难以对工程实践实现足够有效的指导。
在地下工程中，煤岩层受节理、裂隙以及断层等构造的影响，煤岩层表现出不连续且各向异性的特点，加之水和赋存在煤岩层里的瓦斯同时与原岩应力及构造应力共同对煤岩层产生作用，同时伴随着开采扰动的影响，又使煤岩层的物理性质和力学性质变得更加复杂，采用一定的监测手段可以较直观的反映不同时-空-地范围内受地下工程扰动的煤岩层变化的状况，但在复杂的地质条件和变化的外在环境影响下，使得单一的监测手段在监测过程中出现了精度不高、数据失真、甚至某些特定环境下导致监测失效，不能够很好的反映实际变化的结果。例如采用单一的声发射技术对岩体的破坏过程进行监测，就如同我们失去了眼睛和手，只用耳朵去听一样，对于简单的事物我们可以通过声音准确的做出判断，但复杂的条件和受外在因素干扰下，这种单一的手段和功能有时候就达不到预期效果，同理，单一的光学仪器或电阻应力计等，如同我们的眼睛和触觉，单独作用下，反映出来的也并非真实的事物变化过程。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种围岩失稳声光电集成监测系统，其设计合理且使用操作简便、监测结果准确，能有效解决现有单一监测手段所出现的精度不高、数据失真，某些特定环境下甚至导致监测失效等实际问题。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种围岩失稳声光电集成监测系统，其特征在于：其特征在于：包括对预先在煤矿掘进巷道或采煤工作面用巷道的巷道帮上所钻取的同一个钻孔内壁的围岩损伤情况分次进行监测的光学钻孔窥视仪、声发射装置和钻孔应力计，以及布设在钻孔外侧的所述煤矿掘进巷道或采煤工作面用巷道中对应测点上的控制接收器；所述钻孔窥视仪、声发射装置和钻孔应力计均接对三者所监测结果进行汇总并显示的控制接收器；所述采煤工作面用巷道包括采煤工作面机巷和采煤工作面风巷两个巷道。
所述光学钻孔窥视仪、声发射装置和钻孔应力计与控制接收器均通过电缆进行连接。
所述光学钻孔窥视仪为能在钻孔内部进行360°的钻孔窥视仪。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：1、能够充分发挥系统性的优势，本实用新型集声-光-电三位一体，在监测过程中，相互作用、相互补充，弥补了单一监测手段受外在因素的干扰而容易产生失真现象，利用系统化的优势，对监测的结果，经过系统分析后，可以详细地对工程进行预测预报，更加有效的指导生产。2、因地制宜地进行层次性部署，在监测手段部署上，根据现场实际需要，即在特定的时-空-地范围内，形成有层次的监控，在对被采空区域围岩损伤失稳辨识的基础上不断排杂、提真、完善，得出有针对性和指导性的结论。3、在监测过程中发挥了效率的优势，监测中，需要对煤岩壁进行钻孔，根据不同的监测需要，所钻的钻孔深度也不一样，有的需要达到10米甚至其以上。按照以前的单一监测手段，由于考虑失真的问题。往往要钻多个钻孔，进行补充观测，不仅增加了钻孔的数目，而且消耗了大量的时间，特别是在坚硬岩层里，打钻孔甚是耗费时间，钻孔数目较多则会影响到现场工作中的其它工序，破坏了原有的施工组织，更多的时候为了节省时间，导致钻孔质量较差，从而影响了监测效果。本实用新型完全在一个钻孔里就可以实现，减少了钻孔数目，减少了过多的对原有施工组织的影响。确保了高质量钻孔中的监测效果。同时，在本实用新型的使用过程中，没有因为监测手段的集成而增加工作人员，在原有1-2名技术人员的配合下，仍可以较好地完成监测工作，效率优势及其明显。4、具有逻辑性和精确性的优势，本实用新型将几个单一监测手段的优势集成为系统优势，取长补短，采集了供逻辑推理的依据，经过分析论证就可以得到对工程实践有义的指导方针。地下工程因为众多不确定因素的影响变的极其复杂，通过监测手段对某一特定条件下的煤岩层进行观测、采集资料，加以科学的论证分析才能有效的指导生产实践，因而本实用新型能更好地为从数据采集到资料的分析论证，提供了一种严谨且科学的监测方法。5、推广应用价值高，在沿空掘巷中，通过本实用新型对煤柱的破坏程度和受应力影响的探测，可以较准确的算出所留窄煤柱的合理宽度，对节省资源和把巷道布置在低应力区有着很强的指导意义。6、监测结果准确，其为集声-光-电三位一体的系统监测技术，依托声-光-电技术观测到的煤岩层在变化中表现出来的特有迹象，充分发挥三者形成总体后的系统优势，适时、实地、科学的监测，进行准确的预测预报，为设计和生产实践提供可靠的理论依据和指导，具体表现在以下几个主要方面：1)能对监测到的各个方面的信息和数据，进行过滤筛选、智能识别与信号挖掘，从而能大幅度提高预测预报的准确性和可靠性，提高决策的精确度，经过准确的预测预报，可以得到较精确的围岩破坏范围，对原有的支护方式进行优化设计。为大断面巷道的支护方案、支护参数以及煤柱尺寸设计提出了科学准确的依据，同时为复杂煤层埋藏条件下大断面巷道支护控制提供了新的途径；2)通过声发射接收到声源信息、光学钻孔窥视仪对钻孔内壁受应力破坏状况的显现以及钻孔应力计反映出来的应力数值，同时结合打该钻孔时煤屑量的增加，判断该区域是否有突出可能性，采取有针对性的措施，预防事故的发生；3)在对采用锚杆支护工艺的有水地段或构造带，通过钻孔涌水和孔内煤岩破坏状况，为预防水对锚固效果的影响，并考虑到破碎带煤岩物理、力学性质发生了较大变化，有针性地对该地段进行补强支护，防止巷道冒顶或片帮；4)在采煤工作面，通过声-光-电集成监测，提高了老顶初次或周期来压预测预报的准确性，加强工作面支护质量预防老顶来压给工作面带来危害；5)在顶板坚硬难冒落的工作面以及顶煤冒放性不好的放顶煤工作面，一般采用预先松动爆破或预先注水的方法来解决顶板或顶煤的冒放性问题，有时候预爆破或预注水的范围和效果并不十分清楚，通过声-光-电集成监测，就可以了解到预爆破后顶板破碎情况或预注水后煤体湿润松散状况，为以后预爆破或预注水的参数选择提供合理依据；6)适用范围广，本实用新型在隧道施工中也有着广泛的应用，在硬岩中(花岗岩、片麻岩等)有着较好的监测效果，对爆破后围岩的及时监测，可以观测到爆破对岩体的损伤程度，从而为调整爆破参数提供依据，对提高岩体稳定性，保障工程质量有着重要意义；7)本实用新型在局部开采扰动地带，可以在深度10米及以上的钻孔中对地质状况进行探查，而且在360度任意方位内进行探测，对了解煤岩层的赋存状况及探测地质构造有着很强的实用性。综上所述，本实用新型为集声-光-电三位一体的系统监测技术，在同一个钻孔中，依托声-光-电三者观测到煤岩层在变化中表现出来的特有迹象，相互作用、相互补充，就如同人同时用耳朵、眼睛以及手对目标进行全面的观察一样，充分发挥形成总体后的系统优势，适时、实地且科学的进行监测，在对围岩损伤失稳辨识的基础上得出有价值的观测依据，进行准确的预测预报，为指导设计和生产实践的理论建立提供可靠的依据，充分发挥了系统的功能，使得监测结果更科学精确，在生产实践中具有较大的实用价值；另外，本实用新型在特殊复杂环境下有着很强的优势，最大限度地减小了单一手段监测过程中的失真问题，为工程设计和生产实践提供精确的预测预报。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图。
图2为本实用新型进行声光电集成监测的流程框图。
图3为本实用新型在煤矿掘进巷道中的钻孔位置示意图。
图4为本实用新型在采煤工作面用巷道中的钻孔位置示意图。
图5为本实用新型在采煤工作面用巷道中钻孔应力计的监测结果示意图。
附图标记说明：
1-钻孔；          2-光学钻孔窥视仪；  3-声发射装置；
4-钻孔应力计；    5-控制接收器；      7-采煤工作面机巷；
8-采煤工作面风巷；9-老顶；            10-直接顶；
11-伪顶；         12-采煤工作面；     13-测点；
14-煤矿掘进巷道。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实用新型包括对预先在煤矿掘进巷道14或采煤工作面用巷道的巷道帮上所钻取的同一个钻孔1内壁的围岩损伤情况分次进行监测的光学钻孔窥视仪2、声发射装置3和钻孔应力计4，以及布设在钻孔1外侧的所述煤矿掘进巷道14或采煤工作面用巷道中对应测点13上的控制接收器5。所述钻孔窥视仪2、声发射装置3和钻孔应力计4均接对三者所监测结果进行汇总并显示的控制接收器5。并且，所述光学钻孔窥视仪2、声发射装置3和钻孔应力计4与控制接收器5均通过电缆进行连接，所述光学钻孔窥视仪2为能在钻孔1内部进行360°的钻孔窥视仪。
如图3所示，本实用新型在巷道掘进过程中的监测过程包括以下步骤：
步骤一、钻孔：巷道掘进过程中，通过钻机在滞后迎头的煤矿掘进巷道14的巷道帮上钻取一个钻孔1。所钻取的钻孔1与所述迎头之间的间距可以根据所探测项目的要求具体而定，在任何距离范围内都可以适用。所述钻孔1的深度在15m以内。
将钻孔1即探测孔布置在巷道帮的原因在于：煤矿巷道掘进过程中，一般采用锚网索支护的巷道或棚式支护巷道，大多数情况下此类巷道都是巷道帮首先遭到破坏，正是由于巷道帮的破坏失稳，从而才会引起顶板(从上至下包括老顶9、直接顶10和伪顶11)的失稳破坏，将钻孔1布置在巷道帮上后，即可以全面细致地观测到巷道帮煤岩体受力破坏的过程。
步骤二、监测：对所钻取的一个钻孔1进行综合监测，其综合监测过程如下：
第一步、通过光学钻孔窥视仪2对被监测钻孔1的内壁即孔壁进行详细监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示和记录，通过控制接收器5所显示的光学钻孔窥视仪2的监测结果，初步判断钻孔1的内壁是否有损伤和坍塌现象，同时对所述内壁上所产生的裂隙进行相关煤岩体受力状况分析。
具体而言，在煤矿巷道掘进中，首先在滞后迎头一定距离的巷道帮打一个钻孔1，之后再布置光学钻孔窥视仪2对钻孔1的内壁进行详细检测，通过光学钻孔窥视仪2，即可直观看到钻孔1的孔内壁是否有损伤和坍塌现象，同时对所述孔内壁上所产生的裂隙进行有关煤岩体受力状况分析，由于所述光学钻孔窥视仪2可以在钻孔1内进行360度旋转，因而能够对围岩损伤情况进行初步认识。
第二步、用声发射装置3对钻孔1的内壁进行进一步监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示并记录，通过控制接收器5所显示的声发射装置3的监测结果，初步判断围岩在应力作用下细观损伤破坏的早期信息。
本步骤中，由于考虑到在第一步中进行打钻即钻取钻孔1以及第二步中安装布置光学钻孔窥视仪2的过程中，均不可避免地会对钻孔1的孔壁即内部造成一定破坏，因而为避免因打钻和安装光学钻孔窥视仪2对孔壁所造成破坏的一些假象，提高监测结果的精度，接着用声发射装置3来初步判断围岩在应力作用下细观损伤破坏的早期信息。
第三步、通过光学钻孔窥视仪2对钻孔1的内壁进行第二次详细监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示和记录，同时将光学钻孔窥视仪2的本次监测结果与第一步中控制接收器5所记录的监测结果结合进行分析比较，判断钻孔1的内壁所受内力的大小以及钻孔1内部煤岩体的损伤破坏程度。
本步骤中，为避免声发射装置3进行声发射检测时受外界因素的干扰产生信息失真的情形，因而在声发射装置3监测完毕之后，继续通过光学钻孔窥视仪2对钻孔1的孔内情况进行监测，并结合光学钻孔窥视仪2的第一次观测结果即监测结果进行比较分析，通过对光学钻孔窥视仪2的前后两次监测结果分析后发现，若孔壁所受的应力较大，则其受应力的破坏就严重，相应会出现坍塌等现象，即可清楚表明钻孔1处煤岩体的破坏程度。
第四步、通过钻孔应力计4对钻孔1内壁的围岩应力进行监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示并记录，同时结合第一步至第三步中控制接收器5所记录的光学钻孔窥视仪2的两次监测结果以及声发射装置3的监测结果进行综合分析并记录钻孔1的整体综合监测结果。
步骤三、综合分析判断：汇总步骤二中所述控制接收器5所记录的所述钻孔1的整体综合监测结果，即可对步骤一中所述煤矿掘进巷道14所处被采空地带的围岩损伤失稳状况进行准确辨析，继而准确预测预报所述被采空地带煤岩体的赋存情况。
综上所述，在巷道掘进过程中，通过对预先打在滞后迎头一定距离的巷道帮上的一个钻孔1即探测孔分次进行声光电集成监测后，即可对此时所述煤矿掘进巷道14(具体是钻孔1处)所处被采空地带的围岩损伤失稳状况进行准确辨析。
需要注意的是：巷道掘进过程中，对于锚网索和棚式支护的巷道，一般不需要打顶板钻孔进行观测，当遇到断层、破碎带或顶板裂隙水滴淋较大等特殊时期时，在迎头打一个钻孔或对顶板锚杆钻孔后，即可通过钻孔窥视仪对孔内破碎或涌水的状况进行直观观测，根据涌水和煤岩破碎程度为加强工作面支护提供依据，而所述迎头后面的监测过程仍按照本实用新型所述的监测系统和监测方法进行监测。
结合图4、图5，本实用新型在采煤过程中的监测过程包括以下步骤：
步骤一、钻孔：采煤过程中，通过钻机在煤壁即采煤工作面12前方的采煤工作面用巷道的巷道帮上钻取多个钻孔1。所述多个钻孔1均垂直于所述采煤工作面用巷道的巷道帮，并且钻孔1的深度在15m以内。为保证每个钻孔1有足够的控制范围，采煤工作面12前方所布设钻孔1的方向原则上要求多个钻孔1间平行且钻孔1均垂直于煤壁。
所述的采煤工作面用巷道包括相互平行的采煤工作面机巷7和采煤工作面风巷8，所述采煤工作面机巷7和采煤工作面风巷8的巷道帮上均钻有多个钻孔1且所述钻孔1均布设在采煤工作面机巷7和采煤工作面风巷8之间的煤岩体上。所述采煤工作面机巷7和采煤工作面风巷8的巷道帮上所钻取的多个钻孔1的位置和结构均对称。也就是说，布设在采煤工作面机巷7巷道帮上的多个钻孔1与布设在采煤工作面风巷8巷道帮上的多个钻孔1的位置和结构，均关于采煤工作面机巷7和采煤工作面风巷8间的中心轴线左右对称。并且所述多个钻孔1呈均匀布设，相邻两个钻孔1间的间距为5±1m。
本实施例中，相邻两个钻孔1间的间距为5m。
步骤二、监测：同时对所述多个钻孔1分别进行综合监测，对其中任一个钻孔1而言，其综合监测过程如下(其具体监测过程与实施例1相同)：
第一步、通过光学钻孔窥视仪2对被监测钻孔1的内壁即孔壁进行详细监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示和记录，通过控制接收器5所显示的光学钻孔窥视仪2的监测结果，初步判断钻孔1的内壁是否有损伤和坍塌现象，同时对所述内壁上所产生的裂隙进行相关煤岩体受力状况分析。
第二步、用声发射装置3对钻孔1的内壁进行进一步监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示并记录，通过控制接收器5所显示的声发射装置3的监测结果，初步判断围岩在应力作用下细观损伤破坏的早期信息。
第三步、通过光学钻孔窥视仪2对钻孔1的内壁进行第二次详细监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示和记录，同时将光学钻孔窥视仪2的本次监测结果与第一步中控制接收器5所记录的监测结果结合进行分析比较，判断钻孔1的内壁所受内力的大小以及钻孔1内部煤岩体的损伤破坏程度。
第四步、通过钻孔应力计4对钻孔1内壁的围岩应力进行监测，并将监测结果传至控制接收器5进行同步显示并记录，同时结合第一步至第三步中控制接收器5所记录的光学钻孔窥视仪2的两次监测结果以及声发射装置3的监测结果进行综合分析并记录钻孔1的整体综合监测结果。
步骤三、综合分析判断：汇总步骤二中所述控制接收器5所记录的所述多个钻孔1的整体综合监测结果，即可对步骤一中所述采煤工作面用巷道所处被采空地带当前的围岩损伤失稳状况进行准确辨析，继而准确预测预报所述被采空地带煤岩体的赋存情况。
综上所述，采煤过程中，在煤壁前方的两巷(即采煤工作面机巷7和采煤工作面风巷8)巷道帮上，每隔5米打多个钻孔，首先每一个钻孔1内部先布置光学钻孔窥视仪2，对钻孔1内部围岩裂隙等进行初步了解；然后布置声发射装置3对煤体在支承压力作用下的煤体破环后发出的能量信息进行监测；之后，再通过光学钻孔窥视仪2进一步加强对所述多个钻孔1孔内煤壁的损伤情况进行观测，根据孔壁煤体裂隙反映出煤体的受力状况，分析采煤工作面12前方的支承压力分布情况；最后布置钻孔应力计4，用钻孔应力计4反映出来的结果结合声发射装置3和光学钻孔窥视仪2的探测结果反映采煤工作面12前方的支承压力分布规律，同样对有煤与瓦斯突出危险的工作面，煤与瓦斯突出跟应力有着必然的联系，通过声-光-电三位一体的监测手段可以监测出对煤体作用的应力大小，最终对可能的突出危险进行预测预报。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。