深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法

1.本发明涉及围岩变形控制技术领域，具体涉及一种深部高应力复杂条件下巷道动态变形监控方法。

背景技术：

2.由于深部采场围岩处于较高的地应力和复杂的地质环境，导致其变形特征与浅部大相径庭，深部采场围岩变形控制方法及监测系统的应用是保障深部工作面安全回采的重要措施之一。
3.国内外专家对深部高应力巷道变形已经开展了一些研究，虽然一定程度上为深部高应力巷道变形控制提供了理论指导和技术支撑，但仍存在一些不足，主要的问题在于：巷道内部支护强度不够；传感器布置不合理，且未对巷道两帮与底板变形进行监测，监测数据较为单一；仅对巷道内部支护强度进行改进，未涉及锚杆锚索自动调压方面。

技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种深部高应力复杂条件下巷道动态变形监控方法，既能实现全面监测，又能根据监测结果自动进行锚杆锚索调压，使高应力区的应力向邻近低应力区转移，向均匀分布转化，减小围岩在高应力状态下产生局部变形。
5.为此，本发明所采用的技术方案为：一种深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法，包括以下步骤：
6.步骤a、在深部高应力巷道围岩的两帮及顶部，采用锚杆锚索进行主动支护；其中，巷道围岩的顶板采用高强度锚杆和预应力锚索进行联合支护，采帮和不采帮均采用高强度锚杆进行支护，且采帮的高强度锚杆的上下间距大于不采帮的高强度锚杆的上下间距；
7.步骤b、在采场工作面前方的采动应力变化敏感段上，从工作面顺槽超前支护段外开始每隔15—25米布置一个应力监测断面，将光纤光栅应力传感器埋入巷道两帮中部、顶板中部的高强度锚杆以及巷道顶板中部的预应力锚索上，对采动应力进行监测，将巷道两帮中部、顶板中部的高强度锚杆以及巷道顶板中部的预应力锚索统称为应力监测锚杆锚索；
8.步骤c、为所有应力监测锚杆锚索配置动态调压机构；
9.在每个应力监测锚杆锚索的托盘和岩壁之间安装中空千斤顶和锚杆锚索预应力监测元件，且托盘的外侧通过螺母锁紧，岩壁外对应应力监测锚杆索的位置处安装有金属安全网；所有中空千斤顶分别通过各自对应的高压油管与同一多通道油源控制系统连接，多通道油源控制系统通过内设程序控制器与内置人机界面连接，锚杆锚索预应力监测元件与锚杆锚索预应力监测显示元件连接；
10.步骤d、巷道动态变形智能调控；
11.内置人机界面实时接收光纤光栅应力传感器监测到的锚杆锚索应力信号，动态调整锚杆锚索的预应力；通过内设程序控制器设定采动应力增加阈值，判断所接收到的数据
是否超过阈值，若超过，则在采动应力增加段，自动提高位于应力增加段内的锚杆锚索的预应力，通过内设程序控制器，驱动多通道油源控制系统给中空千斤顶供压，通过中空千斤顶行程控制增加在高应力区锚杆锚索的预应力，对锚杆锚索直接施加轴向预应力，无需经过径向的扭矩转化，从而使施加的预应力能在锚杆锚索使用过程中较长时间的保持；通过自动调压功能，可以使高应力区的应力向邻近低应力区转移，向均匀分布转化，减小围岩在高应力状态下产生局部变形。
12.作为上述方案的优选，在不采帮的一侧由上到下安装有供水、压风、防灭火、排水管路，在不采帮的底部设置有水沟。
13.进一步优选为，所述高强度锚杆的规格为φ20
×
2400mm，巷道围岩顶板上高强度锚杆的间排距为1200
×
1000mm，采帮侧高强度锚杆的间排距为800
×
1000mm，不采帮侧高强度锚杆的间排距为1600
×
1000mm；所述预应力锚索的规格为φ22
×
6000mm，间排距为1300
×
2900mm。
14.进一步优选为，光纤光栅位移传感器安装在靠近巷道顶板、底板和两帮中部，对巷道顶底板和两帮位移进行监测；光纤光栅围岩压力传感器、光纤光栅埋入式应变传感器和光纤光栅温度传感器串联安装在两帮中部偏下以及顶底板与煤壁交界处的煤体钻孔中，顶底板钻孔在巷道中呈对角式分布，对回采时巷道顶底板的动压进行监测；且不采帮取一种钻孔深度，采帮沿纵向间隔取三种不同的钻孔深度；
15.数组串联的光纤光栅围岩压力传感器、光纤光栅埋入式应变传感器和光纤光栅温度传感器，再分别与光纤光栅位移传感器并联，通过光缆与光纤光栅信号管理主机连接，光纤光栅信号管理主机通过电缆与光纤光栅传感网络分析仪连接，光纤光栅传感网络分析仪通过局域网与搭载三维采场动压及变形监测系统的计算机连接，从而构成一个基于labview和智能光纤传感器的三维采场动压及变形监测系统；根据相邻工作面顺槽采动应力的监测数据，将智能光纤传感器布置在顺槽超前支护外采动应力增高区，监测点布点间距20m。
16.本发明的有益效果：能使施加的预应力在锚杆锚索使用过程中较长时间的保持；通过自动调压功能，可以使高应力区的应力向邻近低应力区转移，向均匀分布转化，减小围岩在高应力状态下产生局部变形。
附图说明
17.图1为巷道中光纤光栅传感器的布设位置。
18.图2为动态调压锚杆结构示意图。
19.图3为巷道动态变形智能调控流程图。
20.图4为基于labview和智能光纤传感器的三维采场动压及变形监测系统示意图。
21.图5为基于labview的三维采场动压及变形平台流程图。
22.图6为三维采场动压及变形监测系统中传感器的布设位置。
23.图7为三维采场动压及变形监测系统。
具体实施方式
24.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
25.一种深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法，包括以下步骤：
26.步骤a、如图1所示，在深部高应力巷道围岩的两帮及顶部，采用锚杆锚索进行主动支护；其中，巷道围岩的顶板采用高强度锚杆和预应力锚索进行联合支护，采帮和不采帮均采用高强度锚杆进行支护，且采帮的高强度锚杆的上下间距大于不采帮的高强度锚杆的上下间距。
27.最好是，高强度锚杆的规格为φ20
×
2400mm，巷道围岩顶板上高强度锚杆的间排距为1200
×
1000mm，采帮侧高强度锚杆的间排距为800
×
1000mm，不采帮侧高强度锚杆的间排距为1600
×
1000mm；所述预应力锚索的规格为φ22
×
6000mm，间排距为1300
×
2900mm。
28.另外，在不采帮的一侧由上到下安装有供水、压风、防灭火、排水管路，在不采帮的底部设置有水沟。
29.步骤b、在采场工作面前方的采动应力变化敏感段上，从工作面顺槽超前支护段外开始每隔15—25米布置一个应力监测断面，将光纤光栅应力传感器埋入巷道两帮中部、顶板中部的高强度锚杆以及巷道顶板中部的预应力锚索上，如图1中所示的
①
为光纤光栅应力传感器，对采动应力进行监测，将巷道两帮中部、顶板中部的高强度锚杆以及巷道顶板中部的预应力锚索统称为应力监测锚杆锚索。
30.步骤c、为所有应力监测锚杆锚索配置动态调压机构。
31.如图2所示，在每个应力监测锚杆锚索1的托盘2和岩壁之间安装中空千斤顶3和锚杆锚索预应力监测元件4，且托盘2的外侧通过螺母5锁紧，岩壁外对应应力监测锚杆索的位置处安装有金属安全网6和钢带7；所有中空千斤顶3分别通过各自对应的高压油管8与同一多通道油源控制系统9连接，多通道油源控制系统9通过内设程序控制器10与内置人机界面11连接，锚杆锚索预应力监测元件4与锚杆锚索预应力监测显示元件12连接。
32.步骤d、巷道动态变形智能调控。
33.如图3所示，内置人机界面实时接收光纤光栅应力传感器监测到的锚杆锚索应力信号，动态调整锚杆锚索的预应力；通过内设程序控制器设定采动应力增加阈值，判断所接收到的数据是否超过阈值，若超过，则在采动应力增加段，自动提高位于应力增加段内的锚杆锚索的预应力，通过内设程序控制器，驱动多通道油源控制系统给中空千斤顶供压，通过中空千斤顶行程控制增加在高应力区锚杆锚索的预应力，对锚杆锚索直接施加轴向预应力，无需经过径向的扭矩转化，从而使施加的预应力能在锚杆锚索使用过程中较长时间的保持；通过自动调压功能，可以使高应力区的应力向邻近低应力区转移，向均匀分布转化，减小围岩在高应力状态下产生局部变形。
34.如图4所示，基于labview和智能光纤传感器的三维采场动压及变形监测系统，包括数组串联的光纤光栅围岩压力传感器9、光纤光栅埋入式应变传感器10和光纤光栅温度传感器11，串联的各组再分别与光纤光栅位移传感器8并联，通过光缆7与光纤光栅信号管理主机6连接，光纤光栅信号管理主机6通过电缆5与光纤光栅传感网络分析仪4连接，光纤光栅传感网络分析仪4通过局域网3与搭载三维采场动压及变形监测系统2的计算机1连接。基于labview的三维采场动压及变形平台流程图如图5所示。
35.光纤光栅位移传感器8、光纤光栅围岩压力传感器9、光纤光栅埋入式应变传感器10和光纤光栅温度传感器11用于测量顶板离层、围岩变形、监测围岩内部压力、应变和温度。设计合适的传感器位置，传感器位置示意图如图6所示，
①
为光纤光栅位移传感器安装
位置，
②
为光纤光栅围岩压力传感器、光纤光栅埋入式应变传感器和光纤光栅温度传感器安装位置。光纤光栅位移传感器安装在靠近巷道顶板、底板和两帮中部，对巷道顶底板和两帮位移进行监测。光纤光栅围岩压力传感器、光纤光栅埋入式应变传感器和光纤光栅温度传感器串联安装在两帮中部偏下以及顶底板与煤壁交界处的煤体钻孔中，顶底板钻孔在巷道中呈对角式分布，对回采时巷道顶底板的动压进行监测。安装在巷道两帮的光纤光栅围岩压力传感器、光纤光栅埋入式应变传感器和光纤光栅温度传感器位于巷道中部偏下的煤体钻孔中，这样布置是为了减少钻孔对巷道中部位移传感器的影响，利于工人现场布设，且于巷道中部偏下靠近位移传感器处布设其余传感器利于与位移传感器所监测的数据进行结合分析。因巷道采帮受采动应力影响大，为使采帮动压监测更为准确，不采帮取一种钻孔深度，采帮沿纵向间隔取三种不同的钻孔深度。光缆的安装过程应使用保护装置对其保护，防止拉拽时用力过大而损坏。根据相邻工作面顺槽采动应力的监测数据，将智能光纤传感器布置在顺槽超前支护外采动应力增高区，监测点布点间距20m。
36.巷道中在传感器布置处标记光纤光栅巷道内的长度标识和巷道位置，一是便于对监测数据科学高效管理，二是便于工作人员对传感器进行检修。
37.基于labview和智能光纤光栅传感器的优化算法，建立三维采场动压及变形监测系统。三维采场动压及变形监测系统如图7所示由四个相关联的子系统构成：传感器系统、数据采集系统、数据传输系统、三维采场动压及变形远程监测系统。
38.数据采集系统：系统首先记录经过传感器变换和放大器放大后的模拟量信号，然后记录通过模数转换的数字量。本系统的数据采集工作主要由光纤光栅传感网络分析仪负责完成。
39.数据传输系统：实现实时监测的功能，通过有线和无线手段把监测数据传输到控制室，显示在计算机屏幕上，最后存入监测数据库。
40.三维采场动压及变形远程监测系统：该系统结合监测目标的特征，将锚杆锚索的应力、应变和温度数据合理有效地储存在管理系统中。该管理系统可以方便地从数据测量系统中获取数据，又可以被不同用户方便地调用数据，减少无效数据堆积，保证必要信息储存的可靠性。

技术特征：

1.一种深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、在深部高应力巷道围岩的两帮及顶部，采用锚杆锚索进行主动支护；其中，巷道围岩的顶板采用高强度锚杆和预应力锚索进行联合支护，采帮和不采帮均采用高强度锚杆进行支护，且采帮的高强度锚杆的上下间距大于不采帮的高强度锚杆的上下间距；步骤b、在采场工作面前方的采动应力变化敏感段上，从工作面顺槽超前支护段外开始每隔15—25米布置一个应力监测断面，将光纤光栅应力传感器埋入巷道两帮中部、顶板中部的高强度锚杆以及巷道顶板中部的预应力锚索上，对采动应力进行监测，将巷道两帮中部、顶板中部的高强度锚杆以及巷道顶板中部的预应力锚索统称为应力监测锚杆锚索；步骤c、为所有应力监测锚杆锚索配置动态调压机构；在每个应力监测锚杆锚索的托盘和岩壁之间安装中空千斤顶和锚杆锚索预应力监测元件，且托盘的外侧通过螺母锁紧，岩壁外对应应力监测锚杆索的位置处安装有金属安全网；所有中空千斤顶分别通过各自对应的高压油管与同一多通道油源控制系统连接，多通道油源控制系统通过内设程序控制器与内置人机界面连接，锚杆锚索预应力监测元件与锚杆锚索预应力监测显示元件连接；步骤d、巷道动态变形智能调控；内置人机界面实时接收光纤光栅应力传感器监测到的锚杆锚索应力信号，动态调整锚杆锚索的预应力；通过内设程序控制器设定采动应力增加阈值，判断所接收到的数据是否超过阈值，若超过，则在采动应力增加段，自动提高位于应力增加段内的锚杆锚索的预应力，通过内设程序控制器，驱动多通道油源控制系统给中空千斤顶供压，通过中空千斤顶行程控制增加在高应力区锚杆锚索的预应力，对锚杆锚索直接施加轴向预应力，无需经过径向的扭矩转化，从而使施加的预应力能在锚杆锚索使用过程中较长时间的保持；通过自动调压功能，可以使高应力区的应力向邻近低应力区转移，向均匀分布转化，减小围岩在高应力状态下产生局部变形。2.按照权利要求1所述的深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法，其特征在于：在不采帮的一侧由上到下安装有供水、压风、防灭火、排水管路，在不采帮的底部设置有水沟。3.照权利要求1所述的深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法，其特征在于：所述高强度锚杆的规格为φ20
×
2400mm，巷道围岩顶板上高强度锚杆的间排距为1200
×
1000mm，采帮侧高强度锚杆的间排距为800
×
1000mm，不采帮侧高强度锚杆的间排距为1600
×
1000mm；所述预应力锚索的规格为φ22
×
6000mm，间排距为1300
×
2900mm。4.照权利要求1所述的深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法，其特征在于：光纤光栅位移传感器安装在靠近巷道顶板、底板和两帮中部，对巷道顶底板和两帮位移进行监测；光纤光栅围岩压力传感器、光纤光栅埋入式应变传感器和光纤光栅温度传感器串联安装在两帮中部偏下以及顶底板与煤壁交界处的煤体钻孔中，顶底板钻孔在巷道中呈对角式分布，对回采时巷道顶底板的动压进行监测；且不采帮取一种钻孔深度，采帮沿纵向间隔取三种不同的钻孔深度；数组串联的光纤光栅围岩压力传感器、光纤光栅埋入式应变传感器和光纤光栅温度传感器，再分别与光纤光栅位移传感器并联，通过光缆与光纤光栅信号管理主机连接，光纤光
栅信号管理主机通过电缆与光纤光栅传感网络分析仪连接，光纤光栅传感网络分析仪通过局域网与搭载三维采场动压及变形监测系统的计算机连接，从而构成一个基于labview和智能光纤传感器的三维采场动压及变形监测系统；根据相邻工作面顺槽采动应力的监测数据，将智能光纤传感器布置在顺槽超前支护外采动应力增高区，监测点布点间距20m。

技术总结

本发明公开了一种深部高应力巷道动态变形智能监测及调控方法，包括步骤A、在深部高应力巷道围岩的两帮及顶部，采用锚杆锚索进行主动支护；步骤B、在采场工作面前方的采动应力变化敏感段上，从工作面顺槽超前支护段外开始每隔15—25米布置一个应力监测断面；步骤C、为所有应力监测锚杆锚索配置动态调压机构；步骤D、巷道动态变形智能调控。既能实现全面监测，又能根据监测结果自动进行锚杆锚索调压，使高应力区的应力向邻近低应力区转移，向均匀分布转化，减小围岩在高应力状态下产生局部变形。减小围岩在高应力状态下产生局部变形。减小围岩在高应力状态下产生局部变形。