监测仪器及使用方法.docx
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监测仪器及使用方法
巷道围岩结构和力学性质是巷道支护参数设计最重要基础数据。
这两个基础数据不同，将会产生不同的设计结果，所以准确掌握顶板岩层结构的变化趋势，为巷道支护参数设计提供基础依据，提高巷道安全具有重要意义。
而任何一项工程质量的保证，决定于设计是否符合实际及而后的施工是否到位，及时地进行监测是保证煤矿安全生产的根本保证。
1顶板岩层钻孔窥视
1.1实验仪器及测试原理
岩层钻孔探测仪是用来观察锚杆孔或其它小直径工程钻孔内部构造的仪器，见图1，它由探头、探杆、液晶显示、控制及防爆电源等几部分组成。
工作时将探头放在钻孔中，孔壁物质的图像经光路变换进入图像传感器，再放大后产生全电视信号，送至控制单元，作信号处理后显示在液晶显示屏上。
此时调节控制光源强度，使图像清晰，从而达到观测的目的。
观测探杆的刻度，就可确定图像在钻孔中的位置。
图1YTJ20型岩层钻孔探测仪
矿用岩层钻孔探测仪可以直接送入锚索锚杆钻孔和井下地质钻孔中，其输出的图像，直观地反映钻孔内岩体不连续面（如层理、节理、裂隙）、顶板离层，为支护设计、围岩稳定性评价提供依据，对于预防矿井巷道冒顶等安全隐患具有相当重要的意义。
1.2使用方法
（1）操作按键介绍
POWER
长按开/关机
REC
录制/保存视频
STOP
后退
REW
浏览/翻页
PLAY
打开文件
（2）录制视频操作
步骤
操作
备注
1
打孔，清孔
最好采用风动锚杆钻机干式打孔，打完钻孔须用风清孔。
当风压不够时可用湿式打孔，但得等到孔内无水时才可窥视。
2
伸钢卷尺
将卷尺深入钻孔直到底部
3
接通探头数据线
探头灯亮
4
戴纸帽
自制探头纸帽防止磨损探头，并在纸帽内编号
5
POWER
长按，开机后自动进入视频录制准备画面，并看见纸帽内编号
6
接探杆，送探杆
连接若干探杆，将探头送入钻孔底部
7
REC
开始录制，左上角开始计时
8
拉探杆，卸探杆
匀速拉出探头，适时卸探杆，直到探头离开钻孔口
9
REC
保存视频，画面会出现保存图标
10
STOP
返回资源管理根目录，看VEDIO文件夹视频个数增加则录制完成
11
POWER
长按，关机
（3）注意事项
编号
注意事项
1
在资源管理根目录下时，STOP会返回到录制准备界面
2
在录制准备界面时，STOP会返回到资源根目录
3
根目录下REW选择文件夹
4
PLAY打开文件夹，REW选择此文件夹里的文件，PLAY打开此文件
5
开机前若探头数据线未接，开机后界面出现“无效视频信号”字样；建议开机前接通探头数据线，探头亮，开机后，有视频图像，说明仪器正常。
6
探头直径25mm，考虑探头数据线和钻杆尺寸，钻孔应不小于30mm，32mm为宜，直径太大不行
7
钢卷尺白色、硬，卫生纸擦尺子时往一个方向，防止尺子刻度模糊。
往一个方向送钢卷尺，避免尺子在孔内成螺旋状；送入底部后要防止尺子掉下来。
8
探头与第一根探杆螺纹联接多一点，探杆之间螺纹不必完全联接。
井下放置探杆时不要让杂质进入螺纹孔。
9
探头直径25mm，纸帽直径要大于25mm，使得拉出探头时纸帽留在孔内。
做纸帽时要给纸帽的外表面粘上透明胶带，防止送入探头时将纸帽擦破。
10
保存完视频后，若马上就窥视下一个孔，不必关机。
11
使用仪器前要充电，结束后要清理仪器。
2岩石质量超声波测试
2.1测试仪器及测试原理
岩石质量声波测试应用超声波在不同介质中传播速度不同，来预测围岩的破坏情况。
测试物体是以弹性体为前提条件的，当煤体的尺寸较小、作用外力较小时，相应变形也较小，可以把煤体视为弹性体。
超声波是由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号加在发射换能器，发射换能器受到激发产生瞬态的振动信号，该振动信号经发射换能器与煤体之间的耦合后在岩体介质中传播，从而携带煤体内部信息到达接收换能器，接收换能器把接收到的振动信号再转变成电信号传给声波仪，经声波仪放大处理后，显示出超声波穿过煤体的声时、波速等参数。
图10测试装置
根据弹性理论，由弹性波的波动方程通过弹性力学空间问题的静力方程推导，可得出超声波纵波波速与介质的弹性参数之间的关系，公式1，公式2。
（1）
（2）
式中：
VP—煤体的纵波速度；
VS—煤体的横波速度；
E—煤体的弹性模量；
μ—煤体的泊松比；
ρ—煤体的密度。
从上式中可以看出，超声波在煤体中的传播速度与煤体的弹性模量、泊松比以及密度有关，而煤体的弹性模量、泊松比和密度与煤块自身抗压强度、密实程度直接相关，因此煤体的波速就可以间接反映煤块抗压强度以及内部破坏情况，通过回采巷道两帮不同深度处声时和波速的变化规律，可以确定巷道周围围岩的松动圈大小。
2.2测试工艺及结果分析
围岩松动圈测试采用单孔测试法，测孔钻成后要及时进行测试，以防测孔变形或坍塌，测试前用压力水冲洗每个测孔，尽可能把测孔中的煤岩粉冲洗干净，耦合方式采用水耦合。
供应水使用常压就能满足要求，利用胶管将水源与4米长的空芯4分铁管连接，测试时将4分管与探头同时送入孔底进行水耦合。
然后拉动推杆将探头向外每移动20cm读一次声时，直到孔口为止。
声波在煤体中的传播速度按下式计算：
（3）
式中：
Vp——声波在煤体中传播速度，m/s；
L——探头接收传感器之间的距离，0.2m；
t——探头接收传感器声波的走时，S。
图11某矿测孔声波传播速度趋势图
从测孔（图11）测试结果可以看出，煤体的最高声速为3221m/s，而最低声速为1052m/s波速随孔深均有逐渐增大的趋势，在距孔口1.0m左右范围内波速较小，距孔口距离大于1.0m的区域波速较大，并且波速基本相对恒定在2500m/s左右。
分析得出，距离孔口大于1.0m的区域煤体较完整，没有受到扰动，而小于1.0m的区域裂隙较发育，所以孔初步确定煤柱的松动范围为1.0m。
3表面位移监测
3.1监测仪器
巷道表面相对位移的测量仪器种类很多，主要有适用于小跨度巷道的钢卷尺、游标卡尺式测杆，但这些仪器的精度一般比较低，对于精度要求比较高的测量可以选用收敛仪、测枪等，这些仪器结构简单、使用方便，进行一般测量时精度足够。
对于精度要求高的测量，可以采用超声波断面测量仪等这些精密的仪器进行测量。
3.2测试方法
一般情况下对一条巷道进行围岩稳定性监测，通常可设三个测站，测站间距可取100~200m，尽量选取具有代表性的围岩条件，或选择特殊条件进行专项观测。
对于不同的巷道围岩情况和监测目的，测点的布置方式也不一样。
（1）十字布置
这种布置方式被普遍用于国内外矿山巷道地压观测，如图16所示。
这种布置方式分别在巷道顶底板跨度和两帮高度的中点处各布置一对测点，主要用于观测巷
道开挖后顶底板移近量和两帮移近量随时间的变化与发展。
图16十字布置
在选择好测点的位置和布置形式后便可进行测点的施工，施工时先在顶板上选择好的测点位置打一个深100～200mm、直径Φ40mm的钻眼，在眼中打入木塞，木塞上钉入作为测量基准点的铁质基钉，铁钉头部有圆穴。
同时，在上述基点垂线方向的底板上，以同样的方法在底板设基点。
在测量过程中，避免移动或损坏基点，以保证测量的精确度。
两帮观测基点的安设方法与上述方法基本相同，但要尽可能使观测截面内每队观测点在同一水平面上。
4深部围岩多基点位移监测仪
4.1测试仪器及测试原理
巷道开挖破坏了巷道围岩原始平衡状态，巷道围岩体内的原始应力发生二次分布，如果二次应力超过围岩强度极限，巷道围岩将产生失稳破坏。
巷道顶板多点离层监测仪可以实时监测记录顶板各位置岩层位移情况，及时掌握巷道围岩动态信息，以便根据具体情况，及时采取补救措施和调整支护参数，确保矿井的安全生产和高效开采。
图20为多基点深基点位移监测仪外观及主要部件。
图20多基点深基点位移监测仪
根据巷道围岩运动机理[2～6]，不同深度处的围岩下沉量不同。
因此，可在巷道顶板监测位置钻孔，并在钻孔内不同深度处布置深基点，这样就能得到不同深度的顶板下沉量，进而得到顶板不同层位的岩层的位移差，由此可判断出巷道顶板离层量。
机械式深基点位移放大器内部装有四个齿轮，对应四个深基点，图21为机械式深基点位移放大器结构的一半，另一半与这半部分大致对称，工作时，缠绕钢丝绳的小直径圆柱柱头转动转化为大直径的齿轮转动，以此达到放大岩层移动位移的作用，每个齿轮与一个微动开关配合工作，齿轮转动一个齿，微动开关即开关一次。
当岩层移动时，通过合理的结构设计，岩层移动带动钢丝绳，然后带动齿轮转动，这样岩层位移量就可以转化为齿轮的转动，即微动开关的开关量。
开关量所产生的电信号可通过深基点位移计转化成数字信号，根据数字信号的大小，可由相应的计算公式换算出相应点岩层移动位移的大小。
图21机械式深基点位移放大器内部结构图图22巷道顶板多点离层监测仪安装图
4.2测试工艺及结果分析
4.2.1测试方法
巷道多点离层监测仪采用钻孔式安装，钻孔的直径Φ27～29mm，四个位移基点分别安装在不同的深度，位移基点的安装深度根据现场条件而定。
安装方法如图22所示，注意深基点位移计安装应尽量避开淋水处，安装步骤如下：
（1）深基点监测仪安装步骤
步骤
操作
备注
1
打钻孔
钻孔直径Φ27～29mm，Φ28mm为宜。
2
推入锚爪
用安装杆将A、B、C、D四个基点的锚爪推到钻孔所需的深度。
3
安装放大器
将钢丝绳穿过导管，分清各个钢丝绳所在基点，放入放大器相应的钢丝绳槽内，固定导管与放大器，导管推入钻孔，拉紧钢丝绳，将钢丝绳缠绕在放大器旋钮上。
4
安装位移计
将深基点位移计悬挂于合适位置，并与放大器数据线连接。
5
开电源并清零
打开深基点位移计的电源开关，将位移计清零。
（2）使用软件安装（电脑32位，XP和win7系统）
步骤
操作
备注
1
安装vc6
打开vc和usb文件/vc6.0/vc6/AUTORUN,安装在c盘根目录下,详见c++6.0安装说明
2
安装驱动
打开vc和usb文件/HL-232-340，安装驱动
3
建文件夹
c盘根目录新建文件夹矿山压力监测，在该文件夹里建文件夹深基点位移
（3）深基点监测仪操作
编号
操作
备注
放
大
器
放大器旋钮
（1）缠绕钢丝绳前先将钢丝绳一端放入旋钮的固定槽内并拉紧；
（2）放大器旋钮所示箭头方向即钢丝绳缠绕方向；
（3）缠绕钢丝绳后，通过向所示箭头相反方向旋转旋钮进一步拉紧钢丝绳。
放大器数据线
接头要与放大器相应插孔连接，连接后旋转紧固圈，无紧固圈的要缠胶带紧固
位
移
计
光电开关
有灯光照射时，位移计显示屏就会显示，安装仪器结束后要在光电开关处贴黑胶带。
显示屏
（1）照射光电开关时会交替出现各基点的数据，数据第一位数字代表基点序号，1为最浅部，4为最深部，2、3介于1和4之间。
（2）照射光电开光超过一定时间后，显示屏会变暗，挡着光电开关，再照射时会再次显示。
（3）显示屏显示的时候，即使有位移，位移计也不会记录，所以贴黑胶带。
（4）某基点位移过大时，过载和欠载灯会亮会出现。
电源键
长按电源键开/关机
电源通信灯
开机时，亮一次又变暗；
有显示时，挡着光电开关后，亮一次又变暗；
长照射光电开关无显示时，挡着光电开关亮一次又变暗；
电池没电时会一直亮；
转移数据到转移设备时，会与转移设备的电源通信灯同时闪烁几次
通信键
不使用
恢复键
挡着光电开关，电源通信灯闪一次后，长按恢复键十多秒，清零位移计数据
转
移
设
备
光电开关
摆设，灯光照射不起作用。
显示屏
摆设，不显示任何东西
电源键
长按电源键开/关机
通信键
转移数据到电脑时打开
恢复键
转移位移计数据到转移设备时打开
（4）数据转移及处理
位移计数据到转移设备
（1）转移设备开机，揭开位移计光电开关黑胶带，显示屏亮；
（2）用光照着光电开关的同时按转移设备的恢复键进行转移，转移时接收设备和转移设备各自电源通信灯会同步闪烁，当接收设备上的数据从亮变为暗再变亮的时候说明转移结束。
（3）完成一次转移后，再重复一次，确保转移成功。
（4）在转移设备光电开关处贴黑胶带。
转移设备数据到电脑
（1）转移设备开机并打开通信键；
（2）用转移设备数据线连接转移设备和电脑；
（3）在电脑属性/设备管理器/端口里找到USB-SERIALCH3400（COM*）,记住*
（4）打开仪器数据处理/vc版本控制界面20090519/转移设别控制/Debug,单击control
（5）在弹出的对话框里，串口序号选择为COM*,点击连接设备，出现ok字样，再点击读取数据，此时转移设备左上角电源通信灯闪烁，转移结束后会出现读取结束字样。
（6）到c盘的文件夹深基点位移，看数据转移是否成功，在文件夹深基点位移会有jixie*，其中*为深基点位移计的编号。
（7）将里面的文件全部复制到自己将来要处理数据的地方，确保复制粘贴成功后，删除深基点位移文件夹里的所有文件。
（8）回到6弹出的对话框中，点击擦除存储器，擦除结束后，点击关闭设备，此时仪器可以与电脑断开。
记录数据格式转换
（1）回到（7）粘贴后的文件位置，右击jixie*，重命名，在jixie*后缀.txt。
（2）打开仪器数据处理/深部位移，会出现应变片数据读取程序界面，点击从文件中读取，在弹出对话框找到重名后的文件，点击打开。
（3）点击应变片数据读取程序界面中间的》》，转换后再点击保存到文件，保存位置为深基点位移文件夹或将来处理数据地方，在弹出对话框里给文件命名转移设备编号，格式为txt。
（4）打开上步每个文件，看是否有本包时间一样的，若有，需删掉重复的，并保存。
数据处理
（1）新建Excle，命名深基点位移计编号
（2）打开此文档，数据/自文本，找到（三）（4）所保存文件，点击导入
（3）在弹出的文件导入向导中，第一步：
直接点下一步，第二部：
滚动右侧的滚动条，保证三列数据之间被分列线分开，任何一列数据要完整，不能被分割。
不能满足时，拖动分列线。
再点击下一步/完成。
（4）在Excle文档合适位置导入数据，点击确定。
（1）第一列数据为基点编号。
第二列为时间，单位秒。
第三列为脉冲数，单位个，一个脉冲0.2mm。
（2）将相邻行间，基点编号和时间一样的保留脉冲个数最大的，其他的删掉，因数据庞大，一般有几千行。
（3）处理公式见深基点数据处理。
4.2.2现场应用与分析
图23监测点位移曲线图
从图23中可以得出巷道围岩的位移总量为99mm，3-4m支架位移量比较，占总量的40%左右。
在30天趋于稳定。
上述观测表明这种深基点位移监测仪能够全面、准确地测量巷道围岩深部位移变化情况，并能实时掌握围岩深部位移发生的具体位置，为科学地选取支护参数提供切实可靠的地质依据，也为巷道冒顶、片帮和底鼓等危险报警提供一定的数据支持，从而尽可能地避免了巷道事故的发生，为煤矿安全生产创造了有利条件。
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