一种锚杆支护巷道围岩的健康诊断方法.pdf

本发明提供了一种锚杆支护巷道围岩的健康诊断方法，包括如下步骤：1）选取锚杆支护巷道监测区域；2）选取监测锚杆、监测锚索；3）设置位移监测点；4）设备连接；5）锚杆或锚索锚固参数采集；6）围岩表面位移数据采集；7）对锚杆支护巷道围岩进行健康诊断。本发明实施简单，成本低，自动化程度高，且属于无损监测，对锚杆支护巷道原有支护强度及围岩稳定性没有干扰；本发明能够对锚杆支护巷道进行实时监测，通过对锚杆支护巷道的实时监测可使矿业工作者能够充分掌握锚杆支护巷道围岩稳定性的即时状态，有利于锚杆支护巷道的维护。

1.  一种锚杆支护巷道围岩的健康诊断方法，包括如下步骤：
1）根据锚杆支护巷道围岩稳定性情况以及巷道围岩地质条件，对需监测巷道进行区域划分，选取巷道支护薄弱阶段以及围岩相对不稳定区域作为监测区域；
2）沿监测区域内锚杆支护巷道的纵向，选取锚杆支护巷道的顶板上的若干锚杆和锚杆支护巷道的两帮上的若干锚杆分别作为顶板监测锚杆和两帮监测锚杆；选取锚杆支护巷道的顶板上的若干锚索作为顶板监测锚索，选取锚杆支护巷道的两帮肩部的支护锚索作为帮肩监测锚索；
3）沿监测区域内锚杆支护巷道的纵向，在锚杆支护巷道的两帮上分别设置多个两帮围岩壁位移监测点；在锚杆支护巷道的顶板上设置多个顶板围岩壁位移监测点；
4）将锚固参数无损采集仪的多个接头分别固定安装在顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的尾端；并将各固参数无损采集仪的接头与固参数无损采集仪的数据输入端子连接；将固参数无损采集仪的数据输出端子与计算机连接；将多个位移传感器的探针分别压触到两帮围岩壁位移监测点和顶板围岩壁位移监测点的围岩壁上，将多个位移传感器的磁性座分别安装在相对应的锚杆上，将位移传感器通过数据采集盒与计算机连接；
5）锚固参数无损采集仪的接头在每个一段时间对顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索发射一个瞬态冲击，锚固参数无损采集仪的接头将顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的反射波发送给锚固参数无损采集仪，锚固参数无损监测采集仪绘出并存储顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的瞬态激震波形；锚固参数无损采集仪将所采集到的震动波形发送给计算机，计算机对震动波形进行分析，得到顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索各自的锚固极限载荷和工作载荷，并绘制成曲线；
6）位移传感器监测两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点与相对应的锚杆或锚索的相对位移，数据采集盒将采集到的所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的相对位移数据发送给计算机，计算机将巷道所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的位移绘制成曲线图；
7）计算机对顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的极限锚固承载力和工作载荷曲线和所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的位移曲线进行分析，若某一极限锚固承载力和工作载荷曲线发生了突跳，则可视为所对应的锚杆或锚索失效；若某一位移曲线发生了突跳，则可视为所对应的两帮围岩壁位移监测点或顶板围岩壁位移监测点附近的围岩失稳，计算机发出警报。

一种锚杆支护巷道围岩的健康诊断方法
技术领域
本发明属于锚杆支护技术领域，尤其是涉及一种锚杆支护巷道围岩的健康诊断方法。
背景技术
锚杆支护巷道的围岩稳定性的影响因素主要有岩体强度、岩体结构面特征、节理裂隙发育程度、地下水、原岩应力、构造应力、采动影响以及相邻工程扰动。岩体强度、岩体结构面特征、节理裂隙发育程度、地下水以及施工方法影响锚杆的锚固极限承载力；原岩应力、构造应力，采动支承压力及相邻工程扰动直接影响锚杆工作载荷的发挥。现场工程实践表明，一些巷道因锚杆锚固力低、工作载荷低往往会引起所支护巷道围岩的大变形甚至破坏；另一些巷道可能在巷道围岩表面位移极低的情况下因锚杆工作载荷大于锚固极限承载力而瞬间破坏，其破坏影响及后果更为严重。因此，为了预防锚杆支护巷道围岩失稳并破坏，对其围岩进行有效的监测并诊断显得尤为重要。
我国矿业研究人员对锚杆支护巷道的失稳诊断进行了大量的研究，目前巷道围岩的诊断方法主要是从巷道围岩破裂区状态、围岩位移、围岩支护锚杆的工作载荷、锚杆受力出发进行围岩稳定性监测和判定。然而由于锚杆支护巷道围岩稳定性影响因素众多，目前的上述几种主要的锚杆支护巷道的失稳诊断方法不能将围岩的变形与锚杆的工作状态有机的结合起来，无法全面、有效的对巷道围岩稳定性进行判别；而且对锚杆支护巷道进行大范围的长期监测，往往会引起煤矿企业在人力、物力上的大量消耗，造成生产成本的急剧增加。因此，急需一种能够对锚杆支护巷道围岩健康进行有效监测，且成本低廉的诊断方法。
锚杆支护巷道围岩稳定性的关键是支护有效，而支护有效的最有力的证据一是锚杆工作载荷小于锚杆极限承载力，二是每2根锚杆（锚索）之间中点的巷道围岩壁表面位移大于单根锚杆（锚索）支护点的位移，且不超过临界值。
针对上述问题并结合笔者的分析，本发明拟从锚杆支护巷道的支护特点入手，基于锚杆（锚索）锚固参数和围岩壁-锚杆相对位移，建立锚杆支护巷道围岩稳定性判别的方法。通过本发明的实施，在对锚杆支护巷道进行锚杆（锚索）锚固结构参数和围岩壁-锚杆相对位移监测的基础上，根据锚固结构参数和围岩壁与锚杆相对位移的动态变化情况及时预测锚杆支护巷道围岩稳定性，适时对巷道支护强度进行调整，确保巷道在服务期间内能够保持巷道围岩的稳定，这对实现本质安全型矿井具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种实施简单，成本低，自动化程度高的锚杆支护巷道围岩的健康诊断方法，它属于无损监测，对锚杆支护巷道原有支护强度及围岩稳定性没有干扰。
本发明采用的技术方案，包括如下步骤：
1）根据锚杆支护巷道围岩稳定性情况以及巷道围岩地质条件，对需监测巷道进行区域划分，选取巷道支护薄弱阶段以及围岩相对不稳定区域作为监测区域；
2）沿监测区域内锚杆支护巷道的纵向，选取锚杆支护巷道的顶板上的若干锚杆和锚杆支护巷道的两帮上的若干锚杆分别作为顶板监测锚杆和两帮监测锚杆；选取锚杆支护巷道的顶板上的若干锚索作为顶板监测锚索，选取锚杆支护巷道的两帮肩部的支护锚索作为帮肩监测锚索；
3）沿监测区域内锚杆支护巷道的纵向，在锚杆支护巷道的两帮上分别设置多个两帮围岩壁位移监测点；在锚杆支护巷道的顶板上设置多个顶板围岩壁位移监测点；
4）将锚固参数无损采集仪的多个接头分别固定安装在顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的尾端；并将各固参数无损采集仪的接头与固参数无损采集仪的数据输入端子连接；将固参数无损采集仪的数据输出端子与计算机连接；将多个位移传感器的探针分别压触到两帮围岩壁位移监测点和顶板围岩壁位移监测点的围岩壁上，将多个位移传感器的磁性座分别安装在相对应的锚杆上，将位移传感器通过数据采集盒与计算机连接；
5）锚固参数无损采集仪的接头在每个一段时间对顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索发射一个瞬态冲击，锚固参数无损采集仪的接头将顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的反射波发送给锚固参数无损采集仪，锚固参数无损监测采集仪绘出并存储顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的瞬态激震波形；锚固参数无损采集仪将所采集到的震动波形发送给计算机，计算机对震动波形进行分析，得到顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索各自的锚固极限载荷和工作载荷，并绘制成曲线；
6）位移传感器监测两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点与相对应的锚杆或锚索的相对位移，数据采集盒将采集到的所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的相对位移数据发送给计算机，计算机将巷道所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的位移绘制成曲线图；
7）计算机对顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的极限锚固承载力和工作载荷曲线和所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的位移曲线进行分析，若某一极限锚固承载力和工作载荷曲线发生了突跳，则可视为所对应的锚杆或锚索失效；若某一位移曲线发生了突跳，则可视为所对应的两帮围岩壁位移监测点或顶板围岩壁位移监测点附近的围岩失稳，计算机发出警报。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明实施简单，成本低，自动化程度高，且属于无损监测，对锚杆支护巷道原有支护强度及围岩稳定性没有干扰。
2.本发明能够对锚杆支护巷道进行实时监测，通过对锚杆支护巷道的实时监测可使矿业工作者能够充分掌握锚杆支护巷道围岩稳定性的即时状态，有利于锚杆支护巷道的维护。
3.本发明以锚杆支护巷道表面相对位移以及监测锚杆、锚索锚固参数作为巷道围岩健康诊断的考察指标，该考察指标意义明确，能够将巷道围岩变形与锚杆受力有机的统一起来，能更准确的反映巷道围岩变形以及锚杆（锚索）工作状态。
附图说明
图1为本发明在锚杆支护巷道的巷道断面支护上以及监测点布置图。
图2为本发明在锚杆支护巷道纵向方向上的监测点布置图。
图3为本发明信息采集、传递流程图。
图4为本发明位移传感器布置图。
图5为本发明锚固参数无损监测仪监测布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明。
一种锚杆支护巷道围岩的健康诊断方法，包括如下步骤：
1）选取锚杆支护巷道监测区域：根据锚杆支护巷道围岩稳定性情况以及巷道围岩地质条件，对需监测巷道进行区域划分，选取巷道支护薄弱阶段以及围岩相对不稳定区域作为监测区域。
2）选取监测锚杆、监测锚索：如图1、2所示，沿监测区域内锚杆支护巷道的纵向，选取锚杆支护巷道的顶板上中部的两排锚杆作为顶板监测锚杆1、顶板监测锚杆2；分别选取锚杆支护巷道的两帮上中部的一排锚杆作为两帮监测锚杆（包括图1中的左帮监测锚杆3和右帮监测锚杆4）。选取锚杆支护巷道的顶板上中部的一排锚索作为顶板监测锚索7，选取锚杆支护巷道的两帮肩部的支护锚索作为两帮肩监测锚索（包括图1中的左帮肩监测锚索5和右帮肩监测锚索6）。
3）设置位移监测点：沿监测区域内锚杆支护巷道的纵向，在锚杆支护巷道的两帮上分别设置多个两帮围岩壁位移监测点（包括图1中的左帮围岩壁位移监测点8和右帮围岩壁位移监测点9）；在锚杆支护巷道的顶板上中部设置多个顶板围岩壁位移监测点11；顶板围岩壁位移监测点11位于相邻的两顶板监测锚索7之间。
4）设备连接：如图3-5所示，将锚固参数无损采集仪13的多个接头131分别固定安装在顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的尾端；并将各固参数无损采集仪13的接头131与固参数无损采集仪13的数据输入端子连接；将固参数无损采集仪13的数据输出端子与计算机16连接；将多个位移传感器14的探针压触到两帮围岩壁位移监测点和顶板围岩壁位移监测点的围岩壁上，而将多个位移传感器14的磁性座141分别安装在相对应的锚杆上，将位移传感器14通过数据采集盒15与计算机16连接。两帮围岩壁位移监测点8和两帮围岩壁位移监测点9所对应的锚杆分别为左帮监测锚杆3和右帮监测锚杆4；顶板围岩壁位移监测点11所对应的锚杆为顶板监测锚杆1。
5）锚杆或锚索锚固参数采集：锚固参数无损采集仪13的接头131每隔一段时间对顶板监测锚杆、左帮监测锚杆3、右帮监测锚杆4、顶板监测锚索7、左帮肩监测锚索5和右帮肩监测锚索6发射一个瞬态冲击，接头131通过数据线将顶板监测锚杆、左帮监测锚杆3、右帮监测锚杆4、顶板监测锚索7、左帮肩监测锚索5和右帮肩监测锚索6的反射波发送给锚固参数无损采集仪13，锚固参数无损监测采集仪13绘出所选取的顶板监测锚杆、左帮监测锚杆3、右帮监测锚杆4、顶板监测锚索7、左帮肩监测锚索5和右帮肩监测锚索6的瞬态激震波形，并将所采集到的震动波形发送给主控计算机16，计算机16通过数据处理软件对锚固参数无损监测采集仪13采集到的震动波形进行分析，得到顶板监测锚杆、左帮监测锚杆3、右帮监测锚杆4、顶板监测锚索7、左帮肩监测锚索5和右帮肩监测锚索6的锚固极限载荷和工作载荷，并绘制成曲线。
6）围岩表面位移数据采集：位移传感器14监测两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点与相对应的锚杆或锚索的相对位移，数据采集盒15将采集到的所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的相对位移数据发送给计算机16，计算机16将巷道所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的位移绘制成曲线图。
7）对锚杆支护巷道围岩进行健康诊断：计算机16对顶板监测锚杆、两帮监测锚杆、顶板监测锚索及帮肩监测锚索的极限锚固承载力和工作载荷曲线和所有两帮围岩壁位移监测点及顶板围岩壁位移监测点的位移曲线进行分析，若某一极限锚固承载力和工作载荷曲线发生了突跳，则可视为所对应的锚杆或锚索失效；若某一位移曲线发生了突跳，则可视为所对应的两帮围岩壁位移监测点或顶板围岩壁位移监测点附近的围岩失稳，计算机16发出警报，提醒采矿工作人员及时对所对应区域巷道围岩进行加固。