蘇 蕾,杜獻(xiàn)杰,段振雄

(1.太原學(xué)院 機(jī)電與車輛工程系,太原 030032;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

在巷道開挖后,圍巖的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變,導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形[1],尤其當(dāng)巷道埋深加大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜或受采動(dòng)影響時(shí),巷道圍巖的變形破壞十分明顯[2-3]。而煤礦巷道在開采運(yùn)輸、通風(fēng)安全及人員通行中起著關(guān)鍵作用,因此巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)及其相關(guān)測(cè)量裝置的研發(fā)對(duì)穩(wěn)定控制巷道意義重大。

巷道表面位移的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法大多使用的是標(biāo)尺監(jiān)測(cè)法、測(cè)桿監(jiān)測(cè)法、收斂計(jì)監(jiān)測(cè)法等[4-5]。上述幾種檢測(cè)方法測(cè)量操作繁瑣、不易控制,導(dǎo)致測(cè)量效率低、數(shù)據(jù)誤差大。目前,測(cè)量巷道表面變形量的常用設(shè)備為激光測(cè)距儀[6-7],其攜帶方便、操作簡單,測(cè)試原理先進(jìn)可靠。但是,井下巷道變形測(cè)量大多是與掘進(jìn)施工或開采生產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行,測(cè)試儀器及測(cè)試過程設(shè)計(jì)不合理容易引起相互干擾。尤其當(dāng)測(cè)距儀沒有穩(wěn)定可靠的固定方式或只能采用人工手持時(shí),不能保證每次激光測(cè)距儀都能對(duì)準(zhǔn)預(yù)設(shè)的測(cè)點(diǎn),每次測(cè)量難以保證在同一個(gè)機(jī)位,并且在測(cè)距儀點(diǎn)擊按壓測(cè)量時(shí)往往造成機(jī)身晃動(dòng),導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果受人為因素影響而誤差偏大。當(dāng)巷道斷面較大時(shí),操作激光測(cè)距儀需要登高作業(yè),既不方便又不安全。

基于以上需要,本文研制了一種適用于測(cè)量不同角度巷道變形量的激光測(cè)距儀固定裝置,能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測(cè)量巷道變形,同時(shí)具有廣泛的適用性。

1 測(cè)量固定裝置的設(shè)計(jì)思路

測(cè)量固定裝置是用于激光測(cè)距儀的固定與巷道表面變形監(jiān)測(cè),主要解決巷道測(cè)距過程中激光測(cè)距儀不易固定、易抖動(dòng)、誤差大、測(cè)量角度單一等問題。解決好這些問題,該測(cè)量固定裝置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下四點(diǎn)要求。

1)要與巷道幫部已有錨桿固定連接,使用簡單方便,解決測(cè)距儀不易固定、誤差大的問題。

2)固定裝置可在±90°范圍內(nèi)調(diào)整角度,便于巷道全斷面、全方位進(jìn)行收斂測(cè)量。

3)選用合理的激光測(cè)距點(diǎn)擊方式,避免因直接點(diǎn)擊測(cè)距儀按鈕而造成整體托架上行晃動(dòng)帶來的測(cè)量誤差。

4)測(cè)距儀前后、左右位置要可調(diào)整,以適用多種型號(hào)的測(cè)距儀。

2 測(cè)量固定裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上設(shè)計(jì)思路與要求,該測(cè)量固定裝置應(yīng)包括五大組成部分,即安裝固定機(jī)構(gòu)、儀器定位機(jī)構(gòu)、角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、激光測(cè)距儀及外接按壓機(jī)構(gòu),并在研究分析的基礎(chǔ)上初步形成裝置設(shè)計(jì)?？勺兘嵌燃す鉁y(cè)距儀的固定裝置包括:激光測(cè)距儀、固定桿、轉(zhuǎn)動(dòng)桿、固定盒、彈簧片和外接按鈕裝置。測(cè)量固定裝置組成圖如圖1所示。其中,激光測(cè)距儀設(shè)置在固定盒內(nèi),并通過固定盒內(nèi)的彈簧片和擋板固定;裝置固定盒與連接桿為一體,裝置固定盒通過連接桿與固定桿鉸接,固定桿固定在巷幫錨桿上,固定盒可通過連接桿上下轉(zhuǎn)動(dòng),從而保證測(cè)量裝置能對(duì)巷道周邊不同角度進(jìn)行測(cè)量。

(a)平面構(gòu)成圖

(b)側(cè)面構(gòu)成圖 1-錨桿;2-固定桿;3-齒輪刻度盤;4-連接桿;5-固定盒; 6-激光測(cè)距儀;7-彈簧片;8-擋板; 9-外接按壓裝置;10-防護(hù)罩圖1 測(cè)量固定裝置組成圖Fig.1 Composition of the fixing device of laser range finder

該可變角度激光測(cè)距固定裝置具有以下特點(diǎn):

1)激光測(cè)距儀固定設(shè)置在固定盒內(nèi),固定盒內(nèi)側(cè)設(shè)有彈簧片、擋板。彈簧片固定在盒內(nèi)兩側(cè),為弧狀結(jié)構(gòu),富有彈性,起左右定位作用;擋板設(shè)在固定盒內(nèi)側(cè),其后部焊接有調(diào)距螺桿,通過轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)、外螺母調(diào)整擋板前后位置,起調(diào)節(jié)位置與固定作用。

2)固定盒由其連接桿通過滾軸與固定桿相連接,固定桿兩端焊接有齒輪,齒輪上刻有角度指示盤。由此,固定盒可上下調(diào)整角度,并通過連接桿上的齒輪卡齒將測(cè)試裝置固定在一定的角度上進(jìn)行測(cè)量,轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-90°～90°。

3)固定盒設(shè)有外部按壓裝置,由固定邊、活動(dòng)邊和彈簧組成,活動(dòng)邊內(nèi)側(cè)端頭設(shè)置有按鈕,用于控制激光測(cè)距儀的開關(guān)。

4)整個(gè)測(cè)量固定裝置通過固定桿固定在巷幫已有的錨桿上,不需要另外設(shè)置固定基點(diǎn),安裝簡單、固定方便,操作快捷。

3 測(cè)量固定裝置的應(yīng)用操作

可變角度激光測(cè)距固定裝置包括安裝固定、儀器定位、角度調(diào)整、激光測(cè)距及外接按壓等五大部分,應(yīng)用過程應(yīng)根據(jù)該裝置五大機(jī)構(gòu)的具體特點(diǎn)與功能進(jìn)行應(yīng)用操作。具體使用方法和操作步驟如下：

1)首先將測(cè)量裝置通過固定桿上連接塊的螺栓孔固定在巷道幫部錨桿端頭上,將測(cè)量裝置調(diào)校為水平位置,擰緊固定螺母;

2)將激光測(cè)距儀插入固定盒內(nèi)兩彈簧片之間,通過旋轉(zhuǎn)調(diào)距螺母調(diào)整擋板前后位置,使激光測(cè)距儀的開關(guān)按鍵對(duì)準(zhǔn)外接按壓裝置上的按鈕鍵;

3)按壓外接按壓裝置進(jìn)行激光測(cè)距,記錄巷道水平方向的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);

4)通過齒輪、卡齒調(diào)整固定測(cè)試裝置角度,使其對(duì)準(zhǔn)巷道頂板中央位置進(jìn)行測(cè)量,記錄齒輪上對(duì)應(yīng)的角度與激光測(cè)試數(shù)據(jù);

5)通過多次測(cè)量結(jié)果計(jì)算巷道斷面變形。

可變角度激光測(cè)距固定裝置的優(yōu)點(diǎn):

1)可與既有錨桿外端固定,解決測(cè)距儀不易固定、誤差大的問題;

2)固定裝置可±90°范圍內(nèi)調(diào)整,便于巷道全斷面、全方位進(jìn)行收斂測(cè)量;

3)采用外接方式間接點(diǎn)擊激光測(cè)距儀按鈕進(jìn)行測(cè)距,避免了因直接點(diǎn)擊測(cè)距儀按鈕造成整體托架晃動(dòng)帶來的測(cè)量誤差;

4)測(cè)距儀前后、左右位置可調(diào)整,適用多種型號(hào)的測(cè)距儀。

4 巷道變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)例

某礦3320工作面位于一單斜構(gòu)造之上,主采煤層厚度3.75 m,為復(fù)合煤層,含有多層泥巖夾矸層,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。巷道頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,底板為碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖。3320回采面運(yùn)輸巷為矩形斷面,寬5.4 m,高3.8 m。巷道頂板支護(hù)采用Φ20 mm×2 400 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,配W加厚鋼帶聯(lián)合支護(hù),每排布置7根錨桿,頂錨桿間排距為800 mm×1 000 mm;煤柱一幫采用Φ20 mm×2 000 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,另一采煤幫為切割方便采用Φ20 mm×2 000 mm有機(jī)玻璃鋼錨桿支護(hù),幫部配合W型護(hù)板豎放聯(lián)合支護(hù),每排布置4根錨桿,間排距900 mm×1 000 mm;頂板錨索采用Φ21.6 mm×6 400 mm的高強(qiáng)低松弛鋼絞線,配合400 mm×400 mm×16 mm專用錨索托板支護(hù),錨索沿巷道軸向采用“3-4”布置。

由于3320工作面巷道埋深大、斷面寬度大,圍巖夾層多、裂隙發(fā)育,并受地質(zhì)構(gòu)造及動(dòng)壓影響,巷道圍巖控制難度較大。為了掌握巷道圍巖變形及穩(wěn)定性變化規(guī)律,為支護(hù)方案的優(yōu)化提供依據(jù),在3320運(yùn)輸巷緊跟掘進(jìn)工作面連續(xù)布置3個(gè)測(cè)站,每個(gè)測(cè)站間隔30 m,分別對(duì)運(yùn)輸巷圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)工作載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)站布置位置如圖2所示。其中,巷道變形監(jiān)測(cè)采用了傳統(tǒng)的手持式激光測(cè)距儀和新研制的可變角度激光測(cè)距固定裝置兩種方式,以作應(yīng)用對(duì)比研究。

圖2 巷道測(cè)站位置圖Fig.2 Location of measuring stations in roadways

掘進(jìn)頭3個(gè)監(jiān)測(cè)工作站先后依次布置,要求緊跟掘進(jìn)工作面,隨掘進(jìn)的推進(jìn)及時(shí)布置、及時(shí)監(jiān)測(cè)。每個(gè)測(cè)站的具體布置:錨桿、錨索測(cè)力計(jì)布置于巷道頂板3套,左、右?guī)透?套,兩幫測(cè)點(diǎn)距地面距離1.5 m,錨桿(索)測(cè)力計(jì)安裝于錨桿托板與巖面之間,達(dá)到初錨力要求。

巷道表面位移收斂測(cè)量。每個(gè)測(cè)站斷面于幫部布置手持式激光測(cè)距儀2個(gè)點(diǎn),新研制的可變角度激光測(cè)距固定裝置2個(gè)點(diǎn),幫部測(cè)點(diǎn)距地面1.5 m。

儀器調(diào)試、校準(zhǔn)后每天觀測(cè)一次,做好記錄,持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間約一個(gè)月,巷道共掘進(jìn)了268 m。

圖3(a)、圖3(b)分別為兩種不同測(cè)試方式下巷道變形監(jiān)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線。

(a)手持式測(cè)距儀

(b)可變固定測(cè)試裝置圖3 巷道變形實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of measured roadway deformation

圖3(a)為手持式激光測(cè)距儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)散點(diǎn)回歸為曲線方程為y=9.017lnx-4.741,其均方差為R2=0.868;圖3(b)為新研制的可變角度激光測(cè)距固定裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),同樣將散點(diǎn)回歸為曲線方程為y=9.326lnx-2.909,其均方差為R2=0.969;對(duì)比反映觀測(cè)數(shù)據(jù)離散性的均方差可知,采用可變角度激光測(cè)距固定裝置比傳統(tǒng)的手持式所得數(shù)據(jù)的離散性誤差減小11.6 %,從而保證了測(cè)試精度和數(shù)據(jù)的可靠性。

實(shí)測(cè)工程中發(fā)現(xiàn),手持式測(cè)距儀存在找基點(diǎn)困難、定位不準(zhǔn)確等問題,尤其選擇角度向上的兩側(cè)巷道頂?shù)装遄冃螘r(shí)難度更大,更具有不確定性;而采用可變角度測(cè)量固定裝置則具有固定方便、操作簡單、測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

1)巷道收斂可變角激光測(cè)距固定裝置由主要固定桿、激光測(cè)距儀、固定盒及外接按鈕裝置等組成。

2)固定測(cè)量裝置由螺母固定在巷幫已有的錨桿端頭,激光測(cè)距儀插入固定盒內(nèi)。固定測(cè)試盒與固定桿采用鉸接方式連接,可以通過齒輪調(diào)節(jié)上下角度實(shí)現(xiàn)巷道斷面全方位變形監(jiān)測(cè)。激光測(cè)距采用外部間接按壓方式,可避免由于儀器晃動(dòng)引起測(cè)量誤差。

3)該測(cè)量裝置簡易輕便、易于安裝與拆卸,改變了傳統(tǒng)測(cè)距模式存在的測(cè)量角度單一、測(cè)點(diǎn)難以固定、測(cè)量誤差大等問題,且適用性較強(qiáng)。