基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法與流程
2023-05-03 17:38:11
基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法，屬於礦業和巖土工程安全檢測與監控技術領域。
背景技術：
地下空間圍巖存在片幫、頂板冒落、突水及巖爆動力災害等危險，不僅造成支護失效，影響工程進度，甚至產生地震，對工作人員和設備構成了直接威脅。錨杆支護已成為世界各國礦井巷道及其它地下工程支護的一種主要形式，因此錨杆錨固區的穩定性問題尤為重要。隨著地下空間開發和開採深度的不斷增加，地應力越來越高，使得圍巖破壞頻度和強度越來越高，工程災害日益嚴重，安全問題亟待解決。
目前利用極化率判斷圍巖災害的方式，主要通過人工電流場一次場或激發場的作用，使具有不同電化學性質的巖石或礦石，在電化學作用產生隨時間變化的二次電場(激發極化場)，二次場電位差與一次場電位差的比值稱為極化率。圍巖破裂前有突跳、波動、加速下降或急劇上升等極化率前兆現象，但根據前兆現象進行預測其結果準確性比較低，極化率前兆機制尚不明確，圍巖破壞的極化率前兆信息監測相對困難，監測過程繁瑣。同時需要另外開挖圍巖埋伏電極，會對圍巖造成二次破壞。激發極化監測方法的儀器不能大範圍的適用不同圍巖災害監測。
另外目前關於圍巖監測主要是圍巖變形監測，圍巖變形監測中有的預警效果不理想，有的監測成本高，有的無法實現全方位實時監測。針對圍巖的聲發射監測，其安裝監測過程相對繁瑣複雜而且費用高，對整個安裝質量的要求也較高，監測數據的後期分析複雜和不方便，實際使用效果並不理想。針對現有技術存在一定的技術問題，有必要探尋利用新的有效監測與預警技術實現圍巖災害實時監測的方法。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：針對現有技術的準確性低、過程繁瑣、無法大範圍監測災害、對圍巖二次破壞的不足，提供一種操作簡單、對圍巖無損傷、準確性較高、應用範圍廣的基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：該基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法，其特徵在於：設置地下空間圍巖災害實時監測裝置，包括供電電極、測量電極、電法儀、錨杆和主控計算機，主控計算機與電法儀相連接，供電電極和測量電極分別與電法儀通過導線連接，供電電極和測量電極分別與在地下空間圍巖監測區域錨杆連接，
監測步驟如下：
步驟1001：在地下空間圍巖錨固監測區，根據監測範圍設置監測區邊界錨杆，按監測區邊界錨杆的間距布置供電電極，將供電電極與監測區邊界錨杆連接；
步驟1002：監測區邊界錨杆的間距內，根據測量範圍設置測量區邊界錨杆，按測量區邊界錨杆的間距布置測量電極，將測量電極與測量區邊界錨杆連接；
步驟1003：將供電電極和測量電極通過導線分別與電法儀的輸出端和輸入端相連，電法儀通過測量電極測量；
步驟1004：開啟設備實施監測，供電電極對監測區邊界錨杆通電，電法儀通過測量電極測定測量區邊界錨杆之間圍巖的電阻率；
步驟1005：電法儀與主控計算機通信測量結果；
步驟1006：主控計算機對監測到的地下空間圍巖錨固測量區的電阻率進行實時記錄和分析；
步驟1007：判斷得到監測範圍內不同間隔時段的圍巖電阻率及其變化規律與特徵，根據間隔時段圍巖電阻率的變化趨勢、規律與特徵判斷是否符合設定的前兆模式，如果符合設定的前兆模式，進入步驟1008，否則，返回步驟1006繼續監測分析；
步驟1008：執行判斷災害流程。
優選的，所述的步驟1008中的判斷災害流程，包括如下步驟：
步驟2001：電阻率的變化趨勢符合設定的前兆模式，進入步驟2002；
步驟2002：主控計算機判斷是否存在發生圍巖災害的可能性，如果存在發生圍巖災害的可能性，執行步驟2003，如果不存在發生圍巖災害的可能性，執行步驟2005；
步驟2003：確定圍巖災害的範圍，並同時執行步驟2004和步驟2005；
步驟2004：發布圍巖災害的預警級別；
步驟2005：主控計算機進行報警。
優選的，所述的地下空間圍巖災害電阻率實時監測裝置還包括聲光報警裝置，聲光報警裝置與主控計算機相連接，主控計算機通過聲光報警裝置進行報警。
優選的，所述的測量區邊界錨杆位於監測區邊界錨杆之間形成的直線上。
優選的，所述的監測區邊界錨杆間隔範圍為大於1.8m。
優選的，所述的測量區邊界錨杆的間隔範圍小於等於在監測區範圍內與兩側的監測區邊界錨杆相鄰的兩根錨杆的間距，大於等於監測區邊界錨杆間隔範圍內的兩根相鄰錨杆的最小間距。
本發明的工作原理為：兩端的供電電極通過監測區邊界錨杆對監測區邊界錨杆所在圍巖通電，使監測的圍巖區域導電，測量電極設置在兩個供電電極之間，測量電極通過測量區邊界錨杆測量地下空間圍巖錨固測量區的電阻率，電法儀的輸出端和輸入端分別與供電電極和測量電極相連，測量的電阻率傳遞給電法儀，電法儀通信到主控計算機，主控計算機分析電阻率的變化情況，判斷是否符合前兆模式，若符合，則啟動聲光報警裝置，進入判斷災害流程，若不符合返回繼續監測。判斷災害流程，通過主控計算機判斷圍巖災害發生的可能性，判斷是否發出預警及判斷預警範圍和級別。
與現有技術相比，本發明所具有的有益效果是：
1、本發明的基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法，具有操作與後期分析簡單、自動化程度高、對圍巖無損傷、準確性較高、應用範圍廣、監測數據實時可靠並且可以實現分級預警的有益效果。
2、本發明操作與後期分析簡單：利用錨杆作為導體監測錨固區及圍巖的電阻率，只需將四個電極與四個錨杆連接，連接過程簡單，監測範圍就是與測量電極相連接的兩根錨杆之間的範圍，監測範圍可任意調整，整個監測過程不影響工程的正常進行；後期分析簡單，電阻率的變化趨勢、規律與特徵如果符合設定的前兆模式即發出預警，進一步確保工作人員和設備的安全。
3、本發明自動化程度高：利用原有的錨杆，無需另外開挖圍巖，實現了對圍巖的無損監測，由電法儀及主控電腦程式實時採集和顯示監測數據並繪製圖形與分析，自動化程度進一步增強，節省了人力、物力。
4、本發明對圍巖無損傷：利用圍巖層中原有的錨杆連接電極，代替電極在圍巖層中的作用，因此無需在圍巖層中另外設置電極，節約了材料成本，避免了在安裝電極時對圍巖層造成的二次破壞。
5、本發明準確性較高：監測的電阻率，是巖石電學特性最重要的參數，通過觀測巖石電阻率的變化，可反推巖石的力學性質，可判斷巖石內部的應力狀態，可對巖石破壞進行預測，預測機制比較明確，準確性較高，監測過程相對簡單。
6、本發明應用範圍廣：基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測可應用於圍巖的大變形、片幫、底鼓、頂板冒落、巖爆動力災害、突水等預測預報上，本發明所採用的儀器可採用電法檢測方面的所有儀器，相比激發極化監測方法的儀器，所適用儀器更廣泛，操作更方便。
7、本發明監測數據實時可靠：基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測，監測精度高，受外界的幹擾影響小，使得監測到的數據更真實可靠；電法儀及主控電腦程式實時採集和顯示監測數據並繪製圖形與分析，實現了對圍巖的全程控實時監測。
8、本發明災害監測實現分級預警：通過對監測到的圍巖電阻率的實時分析，得到間隔時段圍巖電阻率的變化趨勢、規律與特徵，根據其符合設定的前兆模式的情況，判斷其是否發生災害及確定災害範圍，發出預警並根據災害範圍發布預警級別。
附圖說明
圖1實施例1基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法示意圖。
圖2供電電極和測量電極布置示意圖。
圖3基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法流程圖。
圖4基於圖3的判斷災害流程圖。
其中：1、供電電極2、測量電極3、電法儀4、主控計算機5、聲光報警裝置6、監測區邊界錨杆7、測量區邊界錨杆。
具體實施方式
圖1~4是本發明的最佳實施例，下面結合附圖1~4對本發明做進一步說明。
如圖1所示，基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法，包括一個實時監測系統，監測系統包括一組供電電極1、一組測量電極2、電法儀3和主控計算機4，供電電極1與電法儀3的輸出端相連，測量電極2與電法儀3輸入端相連，電法儀3與主控計算機4相連，主控計算機4還與聲光報警裝置5相連。
如圖2所示，在地下空間圍巖中設置有處於同一條直線上的多根錨杆，相鄰兩根錨杆之間的間距為0.4~1.6m，最外端的兩根錨杆為監測區邊界錨杆6，兩根監測區邊界錨杆6間隔範圍≥1.8m，兩根監測區邊界錨杆6間隔形成位於地下空間圍巖中的監測區域，兩根監測區邊界錨杆6與相應的供電電極1共同形成監測區域邊界的電極，兩個供電電極1分別記為供電電極a和供電電極b，a、b兩個供電電極1通過監測區邊界錨杆6接觸圍巖，向圍巖發射電流，以建立人工電場。
位於兩根監測區邊界錨杆6之間有若干錨杆，按一定間隔範圍選擇兩根錨杆與兩根測量電極2相連，選中的錨杆為測量區邊界錨杆7，測量區邊界錨杆7與相應的測量電極2共同構成測量區邊界的電極，兩個測量電極2分別記為測量電極m和測量電極n。測量區邊界錨杆7的間隔範圍mn小於等於在監測區範圍內與兩側的監測區邊界錨杆6相鄰的兩根錨杆的間距，大於等於監測區邊界錨杆6間隔範圍內的兩根相鄰錨杆的最小間距。mn之間可以間隔不同數量的錨杆，使測量範圍mn擴大。
a、b兩個供電電極1和m、n兩個測量電極2通過連接導線分別與電法儀3的輸出端和輸入端相連，電法儀3與主控計算機4相互通信，主控計算機4與聲光報警裝置5通信，將a、b兩個供電電極1和m、n兩個測量電極2分別與在地下空間圍巖監測區域相應的錨杆連接，電法儀3與主控計算機4對監測到的地下空間圍巖及錨固區的電阻率進行實時記錄和分析。針對錨杆支護區監測，利用錨杆作為導體監測錨固區及圍巖的電阻率。在本實時監測系統中，利用圍巖層中原有的錨杆連接電極，代替電極在圍巖層中的作用，因此無需在圍巖層中另外單獨設置電極，節約了材料成本，同時避免了在安裝電極時對圍巖層造成的二次破壞。
不同的圍巖電阻率一般在10ω·m到100000ω·m範圍內不斷變化，圍巖電阻率的變化會隨著地應力的升高不斷降低，但降低幅度越來越小，最後圍巖發生破壞時電阻率升高，因此通過對圍巖電阻率的變化的監測來判斷圍巖及錨固區的穩定性。在本基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法中，通過觀測巖石電阻率的變化反推出巖石的力學性質，從而可以對巖石內部的應力狀態進行判斷，實現了對巖石破壞的預測。而比較傳統的利用電場對圍巖進行判斷的技術方案中，一般通過極化率實現判斷，具體而言通過圍巖破裂前的突跳、波動、加速下降或急劇上升等極化率前兆現象實現判斷，而這種技術方案準確性較低，極化率前兆機制尚不明確，圍巖破壞的極化率前兆信息監測相對困難，監測過程繁瑣。因此本申請的相比較傳統的技術方案，具有預測機制明確，準確性高，且監測過程相對簡單的優點。
如圖3所示，本基於錨杆的地下空間圍巖災害電阻率實時監測方法，具體監測步驟如下：
步驟1001：在地下空間圍巖錨固監測區，根據監測範圍設置監測區邊界錨杆6，按監測區邊界錨杆6的間距布置a、b兩個供電電極1，將a、b兩個供電電極1與監測區邊界錨杆6連接；
步驟1002：監測區邊界錨杆6的間距內，根據測量範圍設置測量區邊界錨杆7，按測量區邊界錨杆7的間距布置m、n兩個測量電極2，將m、n兩個測量電極2與測量區邊界錨杆7連接；
步驟1003：將a、b兩個供電電極1和m、n兩個測量電極2通過導線分別與電法儀3的輸出端和輸入端相連，電法儀3通過m、n兩個測量電極2測量電阻率；
步驟1004：開啟設備實施監測，a、b兩個供電電極1對監測區邊界錨杆6通電，電法儀3通過m、n兩個測量電極2測定測量區邊界錨杆7之間圍巖的電阻率；
步驟1005：電法儀3與主控計算機4通信測量結果；
步驟1006：主控計算機4對監測到的地下空間圍巖錨固測量區的電阻率進行實時記錄和分析；
步驟1007：判斷得到監測範圍內不同間隔時段的圍巖電阻率及其變化規律與特徵，根據間隔時段圍巖電阻率的變化趨勢、規律與特徵判斷是否符合設定的前兆模式，如果符合設定的前兆模式，進入步驟1008，否則，返回步驟1006繼續監測分析；
步驟1008：執行判斷災害流程。
如圖4所示，所述的步驟1008的判斷災害流程如下：
步驟2001：電阻率的變化趨勢符合設定的前兆模式，進入步驟2002；
步驟2002：主控計算機4判斷是否存在發生圍巖災害的可能性，如果存在發生圍巖災害的可能性，執行步驟2003，如果不存在發生圍巖災害的可能性，執行步驟2005；
步驟2003：確定圍巖災害的範圍，並同時執行步驟2004和步驟2005；
步驟2004：發布圍巖災害的預警級別；
步驟2005：主控計算機4驅動聲光報警裝置5進行報警。
本實施例的工作過程為：a、b兩個供電電極1對監測區的監測區邊界錨杆6通電，m、n兩個測量電極2與測量區的測量區邊界錨杆7相連接，電法儀3的兩個輸入端連接m、n兩個測量電極2，m、n兩個測量電極2測量地下空間圍巖錨固測量區的電阻率，通信到主控計算機4，主控計算機4分析電阻率的變化情況，判斷是否符合前兆模式，若符合，則啟動聲光報警裝置5，若不符合，主控計算機4繼續監測電阻率的變化情況是否符合前兆模式。進入前兆模式後，判斷監測區域是否發生災害及確定災害範圍，若發生災害，啟動聲光報警裝置5，發出預警並根據災害範圍發布預警級別，若不發生，只啟動聲光報警裝置5。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。