權(quán)利要求

1.使用基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法，其特征在于：

所述基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置，包括吸能防沖錨索、彈簧(7)、環(huán)餅式壓力傳感器(10)、數(shù)據(jù)傳輸線(17)、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述吸能防沖錨索包括鋼絞線錨索(2)、吸能防沖裝置、主動增卸壓液壓裝置(9)、錨索鎖具(18)、承壓托盤(1)，所述吸能防沖裝置包括外套筒(3)、承載限位基座(8)、內(nèi)套筒(4)、擠脹摩擦頭(5)；所述外套筒(3)、承載限位基座(8)、內(nèi)套筒(4)、彈簧(7)、環(huán)餅式壓力傳感器(10)、擠脹摩擦頭(5)、主動增卸壓液壓裝置(9)、錨索鎖具(18)依次共軸套裝在鋼絞線錨索(2)的末端；

所述外套筒(3)為外圓內(nèi)圓套筒，所述外套筒(3)在首端端面設(shè)有與外套筒(3)共軸的直徑大于鋼絞線錨索(2)直徑且小于外套筒(3)內(nèi)徑的第一圓形通孔，所述外套筒(3)在末端加工有外螺紋；所述承壓托盤(1)在首端設(shè)置為圓柱型連接頭、在末端設(shè)置為圓柱體或四棱柱體，所述承壓托盤(1)上設(shè)有與承壓托盤(1)共軸的第二圓形通孔，所述第二圓形通孔的位于圓柱型連接頭的部分設(shè)置有內(nèi)螺紋；所述外套筒(3)的末端與所述承壓托盤(1)的首端通過螺紋相連接；

所述承載限位基座(8)為圓柱體，所述承載限位基座(8)上設(shè)有與承載限位基座(8)共軸的直徑大于鋼絞線錨索(2)直徑的第三圓形通孔，所述承載限位基座(8)在末端端面加工有與所述承載限位基座(8)共軸的內(nèi)徑等于內(nèi)套筒(4)內(nèi)徑且寬度等于內(nèi)套筒(4)壁厚的環(huán)狀限位凹槽；所述內(nèi)套筒(4)坐于所述環(huán)狀限位凹槽內(nèi)；

所述擠脹摩擦頭(5)為首端呈錐形的柱狀剛性臺，所述擠脹摩擦頭(5)上設(shè)有與擠脹摩擦頭(5)共軸的直徑大于鋼絞線錨索直徑的第四圓形通孔；所述主動增卸壓液壓裝置(9)的首端端面抵靠在所述擠脹摩擦頭(5)的末端端面，所述主動增卸壓液壓裝置(9)在末端通過錨索鎖具(18)約束緊固；

所述彈簧(7)、環(huán)餅式壓力傳感器(10)設(shè)置在所述內(nèi)套筒(4)內(nèi)部、所述承載限位基座(8)與擠脹摩擦頭(5)之間，所述環(huán)餅式壓力傳感器(10)上設(shè)有與環(huán)餅式壓力傳感器(10)共軸的直徑大于鋼絞線錨索(2)直徑的第五圓形通孔，所述環(huán)餅式壓力傳感器(10)的外徑小于所述內(nèi)套筒(4)的內(nèi)徑；所述擠脹摩擦頭(5)上還設(shè)置有數(shù)據(jù)引線孔(6)，所述數(shù)據(jù)傳輸線(17)的一端與所述環(huán)餅式壓力傳感器(10)的輸出端連接、另一端穿過所述數(shù)據(jù)引線孔(6)后與所述數(shù)據(jù)采集裝置的輸入端連接；

所述數(shù)據(jù)采集裝置與所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有線或無線連接；

所述環(huán)餅式壓力傳感器(10)用于將自身監(jiān)測到的壓力p傳輸給所述數(shù)據(jù)采集裝置，所述數(shù)據(jù)采集裝置用于將接收到的壓力p傳輸給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于根據(jù)壓力p計算彈簧(7)的壓縮位移用于根據(jù)所述吸能防沖錨索的設(shè)計吸能阻力F計算鋼絞線錨索(2)在阻力F作用下產(chǎn)生的位移用于計算圍巖梯度變形監(jiān)測裝置監(jiān)測的巷道圍巖變形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k為彈簧(7)的勁度系數(shù)，L、E、A分別為鋼絞線錨索(2)的長度、彈性模量、橫截面面積；

所述主動增卸壓液壓裝置(9)包括缸筒(12)、活塞桿(11)；

所述缸筒(12)、活塞桿(11)上均開設(shè)有與所述缸筒(12)共軸的圓形通孔；

所述活塞桿(11)為工字形，所述缸筒(12)、活塞桿(11)之間形成互不連通的上腔(13)、下腔(14)；所述上腔(13)連通有上腔進油增壓管路(15)，所述下腔(14)連通有下腔進油卸壓管路(16)；

所述活塞桿(11)的首端端面抵靠在所述擠脹摩擦頭(5)的末端端面，所述缸筒(12)在末端通過錨索鎖具(18)約束緊固；

所述擠脹摩擦頭(5)在末端端面設(shè)有退錨螺紋孔(19)；

利用所述基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法，包括下述步驟：

步驟1：以三個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置為一個圍巖梯度變形監(jiān)測組，確定圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)三根鋼絞線錨索(2)的長度分別為L1＝n1×R0、L2＝n2×R0、L3＝n3×R0；其中，R0為掘進巷道圍巖穩(wěn)定后在巷幫煤體中部采用鉆屑法測量的煤體峰值應(yīng)力距煤壁的深度，n1、n2、n3均為系數(shù)，n1＝1.3～1.5，n2＝0.9～1.0，n3＝0.5～0.7；

步驟2：確定圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)長度為L1、L2、L3的鋼絞線錨索(2)對應(yīng)的內(nèi)套筒(4)的長度分別為(4％～8％)L1、(2％～4％)L2、(1％～2％)L3；

步驟3：確定圍巖梯度變形監(jiān)測組的空間布置參數(shù)：

步驟3.1：對工作面進行沖擊危險性初步評價；所述工作面為掘進工作面或采煤工作面；

步驟3.2：在掘進工作面滯后迎頭5～10m開始、在掘進相反方向上的100～200m范圍內(nèi)布置圍巖梯度變形在線測點，在采煤工作面距離工作煤壁前10～20m開始、在采煤方向上的100～300m范圍內(nèi)布置圍巖梯度變形在線測點；同一圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)相鄰吸能防沖錨索的間距為1～2m，根據(jù)沖擊危險性初步評價結(jié)果確定相鄰圍巖梯度變形監(jiān)測組沿巷道走向的間距a；

步驟4：進行巷道施工在每一個圍巖梯度變形在線測點安設(shè)一個圍巖梯度變形監(jiān)測組；

步驟5：每個圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)第i∈{1,2,3}個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中的環(huán)餅式壓力傳感器(10)將自身監(jiān)測到的壓力pi通過數(shù)據(jù)采集裝置傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)壓力pi計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中彈簧(7)的壓縮位移根據(jù)所述吸能防沖錨索的設(shè)計吸能阻力F計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中鋼絞線錨索(2)在阻力F作用下產(chǎn)生的位移計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置監(jiān)測的巷道圍巖變形量ΔLi＝Δli+Δli'，并計算該圍巖梯度變形監(jiān)測組監(jiān)測到的巷道沖擊危險性判別指標為并根據(jù)巷道沖擊危險性判別指標判斷巷道沖擊危險性等級：

若則巷道沖擊危險性等級為無；

若則巷道沖擊危險性等級為弱；

若則巷道沖擊危險性等級為中；

若則巷道沖擊危險性等級為強；

其中，α為調(diào)整系數(shù)，0＜α≤1；

步驟6：根據(jù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制隨時間t變化的曲線，來實時顯示監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述使用基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法，其特征在于，所述步驟3.2中，根據(jù)沖擊危險性初步評價結(jié)果確定相鄰圍巖梯度變形監(jiān)測組沿巷道走向的間距a，包括：若沖擊危險性初步評價結(jié)果為強，則a＝10～15m；若沖擊危險性初步評價結(jié)果為中，則a＝15～20m；若沖擊危險性初步評價結(jié)果為弱，則a＝20～25m；若沖擊危險性評價結(jié)果為無，則不布置在線測點。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述使用基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法，其特征在于，隨著掘進工作的進行，當掘進工作面迎頭與距離掘進工作面迎頭最近的監(jiān)測組之間的距離大于25m時，將距離掘進工作面迎頭最遠的監(jiān)測組移到距離掘進工作面迎頭最近的監(jiān)測組前方a處；隨著采煤工作的進行，當采煤工作面與距離采煤工作面最近的監(jiān)測組之間的距離小于10m時，將距離采煤工作面最近的監(jiān)測組移到距離采煤工作面最遠的監(jiān)測組前方a處。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述使用基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法，其特征在于，所述步驟3.1中，對工作面進行沖擊危險性初步評價采用的方法是綜合指數(shù)法。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及礦山安全技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置及沖擊預(yù)警方法。

背景技術(shù)

煤炭是我國工業(yè)的基礎(chǔ)，煤炭安全生產(chǎn)、高效利用無疑至關(guān)重要。然而，隨著我國煤炭開采逐漸向深部發(fā)展，煤礦巷道沖擊地壓災(zāi)害成為了煤礦安全生產(chǎn)的重大威脅。沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象。也就是說，沖擊地壓的本質(zhì)是圍巖彈性變形能量的突然釋放，而彈性變形能是采礦活動導致巷道圍巖應(yīng)力積聚的結(jié)果，因此有效監(jiān)測與分析圍巖應(yīng)力在時間上和空間上的分布及其變化對沖擊地壓的預(yù)警、防治工作顯得尤為重要。

目前，巷道圍巖的應(yīng)力監(jiān)測大多采用傳統(tǒng)的深淺孔應(yīng)力計。專利CN102914393 B公開了一種主動承壓式可定位鉆孔應(yīng)力計及其使用方法，該專利具有主動承壓功能，能及時判定動應(yīng)力的變化規(guī)律，全程動態(tài)定量監(jiān)測危險區(qū)域的應(yīng)力變化情況。專利CN103454020 B提供一種基于光纖光柵鉆孔應(yīng)力計的圍巖應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法，該方法能夠?qū)崟r在線監(jiān)測應(yīng)力值及其變化。CN108507708 A公布了一種煤巖鉆孔應(yīng)力測量裝置及其測量方法，其利用懸臂梁結(jié)構(gòu)，可測出煤巖應(yīng)力變化值，計算出平面最大最小主應(yīng)力并通過磁傳感器判別出主應(yīng)力方向。以上應(yīng)力計的設(shè)計均從工程實際給出了創(chuàng)新突破。

沖擊地壓巷道開挖后，在采動應(yīng)力與原巖應(yīng)力的作用下，巷道圍巖在徑向方向上形成彈性區(qū)、塑性區(qū)和破碎區(qū)的梯度圍巖結(jié)構(gòu)。目前，現(xiàn)有的應(yīng)力監(jiān)測裝置與方法均監(jiān)測2～3倍巷道跨度范圍內(nèi)的塑性區(qū)和破碎區(qū)內(nèi)圍巖垂直于應(yīng)力計軸向的相對應(yīng)力。而現(xiàn)場沖擊地壓監(jiān)測工程表明，在圍巖強度低、損傷劣化的煤層巷道中，2～3倍巷道跨度深的應(yīng)力計根本無法有效監(jiān)測出煤體的真實應(yīng)力變化，甚至隨著巷幫移近變形，應(yīng)力計出現(xiàn)大量應(yīng)力監(jiān)測值降低的異常情況。其原因在于：(1)深部煤體巷道圍巖更加破碎，圍巖松動破碎圈更加發(fā)育且常常大于2～3倍巷道跨度，傳統(tǒng)應(yīng)力計本身的缺陷導致其只能安裝在鉆孔中，而鉆孔深度往往達不到深部煤體，導致安裝于巷道圍巖松動圈中的傳統(tǒng)應(yīng)力計多處于煤巖軟化、殘余應(yīng)力環(huán)境中，無法有效監(jiān)測到導致有害彈性變形能積聚的煤巖應(yīng)力及其變化；(2)傳統(tǒng)應(yīng)力計本身的缺陷導致其只能測量鉆孔徑向變形，目前還無法有效監(jiān)測采動應(yīng)力或是水平構(gòu)造應(yīng)力導致的巷道圍巖沿鉆孔徑向壓縮的方向的相對應(yīng)力。而專利CN109209457A提供了一種吸能防沖錨索及其使用方法，但未給出利用其監(jiān)測巷道圍巖變形及進行沖擊地壓預(yù)警的相關(guān)方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置及沖擊預(yù)警方法，能夠利用錨索實現(xiàn)帶阻讓位測量圍巖形變，提高圍巖梯度變形監(jiān)測的精度和巷道沖擊地壓預(yù)警的實時性、準確性，并降低監(jiān)測和預(yù)警成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置，其特征在于：包括吸能防沖錨索、彈簧、環(huán)餅式壓力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述吸能防沖錨索包括鋼絞線錨索、吸能防沖裝置、主動增卸壓液壓裝置、錨索鎖具、承壓托盤，所述吸能防沖裝置包括外套筒、承載限位基座、內(nèi)套筒、擠脹摩擦頭；所述外套筒、承載限位基座、內(nèi)套筒、彈簧、環(huán)餅式壓力傳感器、擠脹摩擦頭、主動增卸壓液壓裝置、錨索鎖具依次共軸套裝在鋼絞線錨索的末端；

所述外套筒為外圓內(nèi)圓套筒，所述外套筒在首端端面設(shè)有與外套筒共軸的直徑大于鋼絞線錨索直徑且小于外套筒內(nèi)徑的第一圓形通孔，所述外套筒在末端加工有外螺紋；所述承壓托盤在首端設(shè)置為圓柱型連接頭、在末端設(shè)置為圓柱體或四棱柱體，所述承壓托盤上設(shè)有與承壓托盤共軸的第二圓形通孔，所述第二圓形通孔的位于圓柱型連接頭的部分設(shè)置有內(nèi)螺紋；所述外套筒的末端與所述承壓托盤的首端通過螺紋相連接；

所述承載限位基座為圓柱體，所述承載限位基座上設(shè)有與承載限位基座共軸的直徑大于鋼絞線錨索直徑的第三圓形通孔，所述承載限位基座在末端端面加工有與所述承載限位基座共軸的內(nèi)徑等于內(nèi)套筒內(nèi)徑且寬度等于內(nèi)套筒壁厚的環(huán)狀限位凹槽；所述內(nèi)套筒坐于所述環(huán)狀限位凹槽內(nèi)；

所述擠脹摩擦頭為首端呈錐形的柱狀剛性臺，所述擠脹摩擦頭上設(shè)有與擠脹摩擦頭共軸的直徑大于鋼絞線錨索直徑的第四圓形通孔；所述主動增卸壓液壓裝置的首端端面抵靠在所述擠脹摩擦頭的末端端面，所述主動增卸壓液壓裝置在末端通過錨索鎖具約束緊固；

所述彈簧、環(huán)餅式壓力傳感器設(shè)置在所述內(nèi)套筒內(nèi)部、所述承載限位基座與擠脹摩擦頭之間，所述環(huán)餅式壓力傳感器上設(shè)有與環(huán)餅式壓力傳感器共軸的直徑大于鋼絞線錨索直徑的第五圓形通孔，所述環(huán)餅式壓力傳感器的外徑小于所述內(nèi)套筒的內(nèi)徑；所述擠脹摩擦頭上還設(shè)置有數(shù)據(jù)引線孔，所述數(shù)據(jù)傳輸線的一端與所述環(huán)餅式壓力傳感器的輸出端連接、另一端穿過所述數(shù)據(jù)引線孔后與所述數(shù)據(jù)采集裝置的輸入端連接；

所述數(shù)據(jù)采集裝置與所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有線或無線連接。

進一步的，所述環(huán)餅式壓力傳感器用于將自身監(jiān)測到的壓力p傳輸給所述數(shù)據(jù)采集裝置，所述數(shù)據(jù)采集裝置用于將接收到的壓力p傳輸給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于根據(jù)壓力p計算彈簧的壓縮位移用于根據(jù)所述吸能防沖錨索的設(shè)計吸能阻力F計算鋼絞線錨索在阻力F作用下產(chǎn)生的位移用于計算圍巖梯度變形監(jiān)測裝置監(jiān)測的巷道圍巖變形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k為彈簧的勁度系數(shù)，L、E、A分別為鋼絞線錨索的長度、彈性模量、橫截面面積。

進一步的，所述主動增卸壓液壓裝置包括缸筒、活塞桿；

所述缸筒、活塞桿上均開設(shè)有與所述缸筒共軸的圓形通孔；

所述活塞桿為工字形，所述缸筒、活塞桿之間形成互不連通的上腔、下腔；所述上腔連通有上腔進油增壓管路，所述下腔連通有下腔進油卸壓管路；

所述活塞桿的首端端面抵靠在所述擠脹摩擦頭的末端端面，所述缸筒在末端通過錨索鎖具約束緊固。

進一步的，所述擠脹摩擦頭在末端端面設(shè)有退錨螺紋孔。

一種使用上述基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟1：以三個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置為一個圍巖梯度變形監(jiān)測組，確定圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)三根鋼絞線錨索的長度分別為L1＝n1×R0、L2＝n2×R0、L3＝n3×R0；其中，R0為掘進巷道圍巖穩(wěn)定后在巷幫煤體中部采用鉆屑法測量的煤體峰值應(yīng)力距煤壁的深度，n1、n2、n3均為系數(shù)，n1＝1.3～1.5，n2＝0.9～1.0，n3＝0.5～0.7；

步驟2：確定圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)長度為L1、L2、L3的鋼絞線錨索對應(yīng)的內(nèi)套筒的長度分別為(4％～8％)L1、(2％～4％)L2、(1％～2％)L3；

步驟3：確定圍巖梯度變形監(jiān)測組的空間布置參數(shù)：

步驟3.1：對工作面進行沖擊危險性初步評價；所述工作面為掘進工作面或采煤工作面；

步驟3.2：在掘進工作面滯后迎頭5～10m開始、在掘進相反方向上的100～200m范圍內(nèi)布置圍巖梯度變形在線測點，在采煤工作面距離工作煤壁前10～20m開始、在采煤方向上的100～300m范圍內(nèi)布置圍巖梯度變形在線測點；同一圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)相鄰吸能防沖錨索的間距為1～2m，根據(jù)沖擊危險性初步評價結(jié)果確定相鄰圍巖梯度變形監(jiān)測組沿巷道走向的間距a；

步驟4：進行巷道施工在每一個圍巖梯度變形在線測點安設(shè)一個圍巖梯度變形監(jiān)測組；

步驟5：每個圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)第i∈{1,2,3}個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中的環(huán)餅式壓力傳感器將自身監(jiān)測到的壓力pi通過數(shù)據(jù)采集裝置傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)壓力pi計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中彈簧的壓縮位移根據(jù)所述吸能防沖錨索的設(shè)計吸能阻力F計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中鋼絞線錨索在阻力F作用下產(chǎn)生的位移計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置監(jiān)測的巷道圍巖變形量ΔLi＝Δli+Δli'，并計算該圍巖梯度變形監(jiān)測組監(jiān)測到的巷道沖擊危險性判別指標為并根據(jù)巷道沖擊危險性判別指標判斷巷道沖擊危險性等級：

若則巷道沖擊危險性等級為無；

若則巷道沖擊危險性等級為弱；

若則巷道沖擊危險性等級為中；

若則巷道沖擊危險性等級為強；

其中，α為調(diào)整系數(shù)，0＜α≤1；

步驟6：根據(jù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制隨時間t變化的曲線，來實時顯示監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險性。

進一步的，所述步驟3.2中，根據(jù)沖擊危險性初步評價結(jié)果確定相鄰圍巖梯度變形監(jiān)測組沿巷道走向的間距a，包括：若沖擊危險性初步評價結(jié)果為強，則a＝10～15m；若沖擊危險性初步評價結(jié)果為中，則a＝15～20m；若沖擊危險性初步評價結(jié)果為弱，則a＝20～25m；若沖擊危險性評價結(jié)果為無，則不布置在線測點。

進一步的，隨著掘進工作的進行，當掘進工作面迎頭與距離掘進工作面迎頭最近的監(jiān)測組之間的距離大于25m時，將距離掘進工作面迎頭最遠的監(jiān)測組移到距離掘進工作面迎頭最近的監(jiān)測組前方a處；隨著采煤工作的進行，當采煤工作面與距離采煤工作面最近的監(jiān)測組之間的距離小于10m時，將距離采煤工作面最近的監(jiān)測組移到距離采煤工作面最遠的監(jiān)測組前方a處。

進一步的，所述步驟3.1中，對工作面進行沖擊危險性初步評價采用的方法是綜合指數(shù)法。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明的裝置在吸能防沖錨索中設(shè)置彈簧與環(huán)餅式壓力傳感器，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對環(huán)餅式壓力傳感器傳輸來的壓力數(shù)據(jù)進行處理得到巷道圍巖變形量，能夠利用錨索實現(xiàn)帶阻讓位測量圍巖形變，確保緊密切合圍巖，提高圍巖變形監(jiān)測的精度，解決傳統(tǒng)煤巖應(yīng)力計在深部圍巖破碎發(fā)育巷道中監(jiān)測精度降低或失效的技術(shù)問題。

(2)本發(fā)明的裝置在吸能防沖錨索中設(shè)置主動增卸壓液壓裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)錨索支護系統(tǒng)隨時增壓預(yù)緊補強，進一步提高圍巖變形監(jiān)測的精度，還能夠?qū)崿F(xiàn)吸能防沖錨索的靈活拆卸、重復(fù)利用，大大降低巷道圍巖梯度變形監(jiān)測與沖擊地壓危險性預(yù)警的成本。

(3)本發(fā)明的方法利用三個錨索長度不同的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置構(gòu)成變形監(jiān)測組，能夠有效監(jiān)測巷道深部圍巖徑向絕對變形量與梯度變形量，有效防止錨索支護力過大不能真實反映區(qū)域圍巖的梯度變形特征，提高圍巖梯度變形監(jiān)測的精度；對巷道圍巖不同深度處圍巖變形大小、梯度及其增量進行實時監(jiān)測，同時考慮梯度變形的時間效應(yīng)來實時判斷巷道沖擊地壓的危險等級，提高巷道沖擊地壓預(yù)警的實時性、準確性，實現(xiàn)支護、監(jiān)測、預(yù)警的一體化，且不受監(jiān)測密度高致施工量大的限制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置在安裝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明主動增卸壓液壓裝置、擠脹摩擦頭、環(huán)餅式壓力傳感器、彈簧在鋼絞線錨索上的組裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖3中主動增卸壓液壓裝置的主視圖。

圖5為圖4中主動增卸壓液壓裝置的C-C向剖視圖。

圖6為圖3中擠脹摩擦頭的左視圖。

圖7為圖6中擠脹摩擦頭的A-A向剖視圖。

圖8為圖6中擠脹摩擦頭的B-B向剖視圖。

圖9為傳統(tǒng)應(yīng)力計與本發(fā)明的基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置測量巷道圍巖變形的原理對比圖。

圖10為本發(fā)明使用基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法的流程圖。

圖11為具體實施方式中掘進工作面圍巖梯度變形監(jiān)測組的布置示意圖。

圖12為具體實施方式中采煤工作面圍巖梯度變形監(jiān)測組的布置示意圖。

圖13為具體實施方式中圍巖梯度變形監(jiān)測組監(jiān)測圍巖應(yīng)力的布置剖面圖。

圖中，1－承壓托盤；2－鋼絞線錨索；3－外套筒；4－內(nèi)套筒；5－擠脹摩擦頭；6－數(shù)據(jù)引線孔；7－彈簧；8－承載限位基座；9－主動增卸壓液壓裝置；10－環(huán)餅式壓力傳感器；11－活塞桿；12－缸筒；13－上腔；14－下腔；15－上腔進油增壓管路；16－下腔進油卸壓管路；17－數(shù)據(jù)傳輸線；18－錨索鎖具；19－退錨螺紋孔。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1所示，為本發(fā)明基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置在安裝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置包括吸能防沖錨索、彈簧7、環(huán)餅式壓力傳感器10、數(shù)據(jù)傳輸線17、數(shù)據(jù)采集裝置(圖中未示出)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(圖中未示出)。所述吸能防沖錨索包括鋼絞線錨索2、吸能防沖裝置、主動增卸壓液壓裝置9、錨索鎖具18、承壓托盤1，所述吸能防沖裝置包括外套筒3、承載限位基座8、內(nèi)套筒4、擠脹摩擦頭5。所述外套筒3、承載限位基座8、內(nèi)套筒4、彈簧7、環(huán)餅式壓力傳感器10、擠脹摩擦頭5、主動增卸壓液壓裝置9、錨索鎖具18依次共軸套裝在鋼絞線錨索2的末端。

所述外套筒3為外圓內(nèi)圓套筒，所述外套筒3在首端端面設(shè)有與外套筒3共軸的直徑大于鋼絞線錨索2直徑且小于外套筒3內(nèi)徑的第一圓形通孔，所述外套筒3在末端加工有外螺紋；所述承壓托盤1在首端設(shè)置為圓柱型連接頭、在末端設(shè)置為圓柱體或四棱柱體，所述承壓托盤1上設(shè)有與承壓托盤1共軸的第二圓形通孔，所述第二圓形通孔的位于圓柱型連接頭的部分設(shè)置有內(nèi)螺紋；所述外套筒3的末端與所述承壓托盤1的首端通過螺紋相連接。

所述承載限位基座8為圓柱體，所述承載限位基座8上設(shè)有與承載限位基座8共軸的直徑大于鋼絞線錨索2直徑的第三圓形通孔，所述承載限位基座8在末端端面加工有與所述承載限位基座8共軸的內(nèi)徑等于內(nèi)套筒4內(nèi)徑且寬度等于內(nèi)套筒4壁厚的環(huán)狀限位凹槽；所述內(nèi)套筒4坐于所述環(huán)狀限位凹槽內(nèi)。

如圖3所示，所述擠脹摩擦頭5為首端呈錐形的柱狀剛性臺，所述擠脹摩擦頭5上設(shè)有與擠脹摩擦頭5共軸的直徑大于鋼絞線錨索直徑的第四圓形通孔；所述主動增卸壓液壓裝置9的首端端面抵靠在所述擠脹摩擦頭5的末端端面，所述主動增卸壓液壓裝置9在末端通過錨索鎖具18約束緊固。

本實施例中，如圖4至圖5所示，主動增卸壓液壓裝置9為一個液壓控制的環(huán)形液壓器，包括缸筒12、活塞桿11。所述缸筒12、活塞桿11上均開設(shè)有與所述缸筒12共軸的圓形通孔。所述活塞桿11為工字形，所述缸筒12、活塞桿11之間形成互不連通的上腔13、下腔14；所述上腔13連通有上腔進油增壓管路15，所述下腔14連通有下腔進油卸壓管路16。所述活塞桿11的首端端面抵靠在所述擠脹摩擦頭5的末端端面，所述缸筒12在末端通過錨索鎖具18約束緊固。

在本發(fā)明的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置安裝完畢后，可采用液壓油泵通過上腔進油增壓管路15將油泵入上腔13內(nèi)使活塞桿11伸出，實現(xiàn)錨索支護系統(tǒng)的隨時主動增壓預(yù)緊補強，提高圍巖變形監(jiān)測的精度?？赏ㄟ^下腔進油卸壓管路16將油泵入下腔14內(nèi)使活塞桿11縮回，主動卸壓，實現(xiàn)外套筒3、彈簧7、環(huán)餅式壓力傳感器10、擠脹摩擦頭5、主動增卸壓液壓裝置9、錨索鎖具18的靈活拆卸與重復(fù)利用，大大降低巷道圍巖梯度變形監(jiān)測與沖擊地壓危險性預(yù)警的成本。

本發(fā)明的主動增卸壓液壓裝置9可為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的錨索退錨機，如TMQ22-400錨索退錨機。

所述彈簧7、環(huán)餅式壓力傳感器10設(shè)置在所述內(nèi)套筒4內(nèi)部、所述承載限位基座8與擠脹摩擦頭5之間，所述環(huán)餅式壓力傳感器10上設(shè)有與環(huán)餅式壓力傳感器10共軸的直徑大于鋼絞線錨索2直徑的第五圓形通孔，所述環(huán)餅式壓力傳感器10的外徑小于所述內(nèi)套筒4的內(nèi)徑。如圖6和圖7所示，所述擠脹摩擦頭5上還設(shè)置有數(shù)據(jù)引線孔6。所述數(shù)據(jù)傳輸線17的一端與所述環(huán)餅式壓力傳感器10的輸出端連接、另一端穿過所述數(shù)據(jù)引線孔6后與所述數(shù)據(jù)采集裝置的輸入端連接。本實施例中，如圖6和圖8所示，擠脹摩擦頭5還在末端端面設(shè)有退錨螺紋孔19，便于拆卸。

所述數(shù)據(jù)采集裝置與所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有線或無線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有線或無線傳輸。其中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以為便攜式電腦監(jiān)測儀，也可以為礦上監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的上位機。

如圖2所示，為本發(fā)明基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。巷道圍巖變形時，吸能防沖錨索的擠脹摩擦頭5在內(nèi)套筒4內(nèi)滑移，滑移阻力為吸能防沖錨索的設(shè)計阻力F，滑移過程中壓縮內(nèi)置的彈簧7與環(huán)餅式壓力傳感器10，利用錨索實現(xiàn)帶阻讓位測量圍巖形變，確保緊密切合圍巖，提高圍巖變形監(jiān)測的精度。其中，所述環(huán)餅式壓力傳感器10用于將自身監(jiān)測到的壓力p傳輸給所述數(shù)據(jù)采集裝置，所述數(shù)據(jù)采集裝置用于將接收到的壓力p傳輸給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于利用胡克定律根據(jù)壓力p計算彈簧7的壓縮位移用于根據(jù)所述吸能防沖錨索的設(shè)計吸能阻力F計算鋼絞線錨索2在阻力F作用下產(chǎn)生的位移用于計算圍巖梯度變形監(jiān)測裝置監(jiān)測的巷道圍巖變形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k為彈簧7的勁度系數(shù)，彈簧7的勁度系數(shù)k與環(huán)餅式壓力傳感器10的測力精度相匹配，L、E、A分別為鋼絞線錨索2的長度、彈性模量、橫截面面積。

如圖9所示，為傳統(tǒng)應(yīng)力計與本發(fā)明的基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置測量巷道圍巖變形的原理對比圖。傳統(tǒng)煤巖應(yīng)力計只能安裝在鉆孔中從而只能測量鉆孔徑向變形，而且鉆孔深度往往達不到深部煤體，導致安裝于巷道圍巖松動圈中的傳統(tǒng)應(yīng)力計多處于煤巖軟化、殘余應(yīng)力環(huán)境中，無法有效監(jiān)測到導致有害彈性變形能積聚的煤巖應(yīng)力及其變化，導致傳統(tǒng)應(yīng)力計在深部圍巖破碎發(fā)育巷道中監(jiān)測精度降低或失效。而本發(fā)明的基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置由于可以安裝入深部煤體，從而可以在深部圍巖破碎發(fā)育巷道中有效監(jiān)測圍巖變形，而且本發(fā)明的吸能防沖錨索內(nèi)置的彈簧7的勁度系數(shù)可調(diào)，可以通過彈簧7的微小變形測量圍巖的大變形，使得本發(fā)明的裝置監(jiān)測巷道圍巖變形的準確性比基于應(yīng)力解除、鉆孔縮徑壓縮的傳統(tǒng)應(yīng)力計更高。

如圖10所示，本發(fā)明的使用上述基于防沖錨索的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置進行沖擊預(yù)警的方法包括下述步驟：

步驟1：以三個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置為一個圍巖梯度變形監(jiān)測組(也即一個監(jiān)測站)，確定圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)三根鋼絞線錨索2的長度分別為L1＝n1×R0、L2＝n2×R0、L3＝n3×R0；其中，R0為掘進巷道圍巖穩(wěn)定后在巷幫煤體中部采用鉆屑法測量的煤體峰值應(yīng)力距煤壁的深度，n1、n2、n3均為系數(shù)，n1＝1.3～1.5，n2＝0.9～1.0，n3＝0.5～0.7。其中，圍巖梯度變形監(jiān)測組中鋼絞線錨索長度為L2的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置位于鋼絞線錨索長度為L1和L3的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置之間。

步驟2：確定圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)長度為L1、L2、L3的鋼絞線錨索2對應(yīng)的內(nèi)套筒4的長度分別為(4％～8％)L1、(2％～4％)L2、(1％～2％)L3。

步驟3：確定圍巖梯度變形監(jiān)測組的空間布置參數(shù)：

步驟3.1：對工作面進行沖擊危險性初步評價；所述工作面為掘進工作面或采煤工作面；

步驟3.2：在掘進工作面滯后迎頭5～10m開始、在掘進相反方向上的100～200m范圍內(nèi)布置圍巖梯度變形在線測點，在采煤工作面距離工作煤壁前10～20m開始、在采煤方向上的100～300m范圍內(nèi)布置圍巖梯度變形在線測點。同一圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)相鄰吸能防沖錨索的間距為1～2m，根據(jù)沖擊危險性初步評價結(jié)果確定相鄰圍巖梯度變形監(jiān)測組沿巷道走向的間距a。

步驟3.1中，對工作面進行沖擊危險性初步評價的方法可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任何方法。

步驟3.2中，根據(jù)沖擊危險性初步評價結(jié)果確定相鄰圍巖梯度變形監(jiān)測組沿巷道走向的間距a，包括：若沖擊危險性初步評價結(jié)果為強，則a＝10～15m；若沖擊危險性初步評價結(jié)果為中，則a＝15～20m；若沖擊危險性初步評價結(jié)果為弱，則a＝20～25m；若沖擊危險性評價結(jié)果為無，則不布置在線測點。

本實施例中，采用綜合指數(shù)法進行沖擊危險性初步評價。如表1所示，根據(jù)工作面的沖擊地壓危險性綜合評定指數(shù)W＝max{W1,W2}來確定巷道沖擊地壓危險性等級。

表1

沖擊地壓危險性綜合評定指數(shù)W巷道沖擊地壓危險性等級W<0.25無0.25≤W＜0.5弱0.5≤W＜0.75中W≥0.75強

其中，W1為考慮地質(zhì)因素對沖擊地壓的影響計算的沖擊地壓危險性評定指數(shù)；W2為考慮采礦技術(shù)因素對沖擊地壓的影響計算的沖擊地壓危險性評定指數(shù)。

m、n分別為地質(zhì)因素總數(shù)、采礦技術(shù)因素總數(shù)；w1i為第i個地質(zhì)因素的權(quán)重，w1imax為第i個地質(zhì)因素的權(quán)重最大值；w2j為第j個采礦技術(shù)因素的權(quán)重，w2jmax為第j個采礦技術(shù)因素的權(quán)重最大值。

本實施例中，根據(jù)1303工作面的地質(zhì)條件，對各地質(zhì)因素、采礦技術(shù)因素的權(quán)重進行確定，如表2和表3所示：

表2

表3

根據(jù)表2和表3，計算得到W1＝0.71，W2＝0.46，從而W＝max{W1,W2}＝0.71。根據(jù)表1，判斷得出1303工作面的沖擊地壓危險性等級為中，從而在本實施例中a＝15～20m。

步驟4：進行巷道施工在每一個圍巖梯度變形在線測點安設(shè)一個圍巖梯度變形監(jiān)測組。

如圖11，隨著掘進工作的進行，當掘進工作面迎頭與距離掘進工作面迎頭最近的監(jiān)測組之間的距離大于25m時，將距離掘進工作面迎頭最遠的監(jiān)測組移到距離掘進工作面迎頭最近的監(jiān)測組前方a處，監(jiān)測組交替向前移動。如圖12所示，隨著采煤工作的進行，當采煤工作面與距離采煤工作面最近的監(jiān)測組之間的距離小于10m時，將距離采煤工作面最近的監(jiān)測組移到距離采煤工作面最遠的監(jiān)測組前方a處，監(jiān)測組交替向前移動。

如圖13所示，為本實施例中圍巖梯度變形監(jiān)測組監(jiān)測圍巖應(yīng)力的布置剖面圖。其中，鋼絞線錨索2采用樹脂錨固劑進行端部錨固。

步驟5：每個圍巖梯度變形監(jiān)測組內(nèi)第i∈{1,2,3}個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中的環(huán)餅式壓力傳感器10將自身監(jiān)測到的壓力pi通過數(shù)據(jù)采集裝置傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)壓力pi計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中彈簧7的壓縮位移根據(jù)所述吸能防沖錨索的設(shè)計吸能阻力F計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置中鋼絞線錨索2在阻力F作用下產(chǎn)生的位移計算第i個圍巖梯度變形監(jiān)測裝置監(jiān)測的巷道圍巖變形量ΔLi＝Δli+Δli'，并計算該圍巖梯度變形監(jiān)測組監(jiān)測到的巷道沖擊危險性判別指標為并根據(jù)巷道沖擊危險性判別指標判斷巷道沖擊危險性等級：

若則巷道沖擊危險性等級為無；

若則巷道沖擊危險性等級為弱；

若則巷道沖擊危險性等級為中；

若則巷道沖擊危險性等級為強；

其中，α為調(diào)整系數(shù)，0＜α≤1。α與煤巖條件有關(guān)。

步驟6：根據(jù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制隨時間t變化的曲線，來實時顯示監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險性。

本發(fā)明的方法利用三個錨索長度不同的圍巖梯度變形監(jiān)測裝置構(gòu)成變形監(jiān)測組，能夠有效監(jiān)測巷道深部圍巖徑向絕對變形量與梯度變形量，有效防止錨索支護力過大不能真實反映區(qū)域圍巖的梯度變形特征，提高圍巖梯度變形監(jiān)測的精度。本發(fā)明對巷道圍巖不同深度處圍巖變形大小、梯度及其增量進行實時監(jiān)測，同時考慮巷幫“深部-淺部”圍巖的梯度變形特征與梯度變形的時間效應(yīng)來實時判斷巷道沖擊地壓的危險等級，提高巷道沖擊地壓預(yù)警的實時性、準確性，實現(xiàn)支護、監(jiān)測、預(yù)警的一體化，且不受監(jiān)測密度高致施工量大的限制。

顯然，上述實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。上述實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定?；谏鲜鰧嵤├绢I(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，也即凡在本申請的精神和原理之內(nèi)所作的所有修改、等同替換和改進等，均落在本發(fā)明要求的保護范圍內(nèi)。