一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法

1.本发明涉及矿井支护变形监测领域技术领域，特别是涉及一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法。


背景技术：

2.矿井是形成地下矿山生产系统的井巷、硐室、装备、地面建筑物和构筑物的总称。
3.有时把矿山地下开拓中的斜井、竖井、平硐等也称为矿井。每一个矿井的生产能力和服务年限的确定，是矿井自体设计中必须解决好的关键问题之一。矿井为了防止坍塌，需要在矿井内壁添加支护，以防止坍塌。支护是为保证地下结构施工安全，对侧壁及周边环境采用的加固与保护措施。矿山巷道的支护主要有木支架、工字钢支架、u型钢支架和锚杆支护。当矿井出现应力变化时，会导致支护结构出现变形，降低支护的防护能力，考虑到井下巷道支护需要工作人员长期检查测量及维护支护结构，不仅提高了工作量，且每次测量都会存在一定的误差，导致测量结果的精确性低。
4.因此，亟需一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法，用来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法，包括：
7.支架，所述支架包括固定连接在巷道内部底端一侧的水泥柱，所述水泥柱顶端固定连接有钢支架，所述钢支架顶端固定连接有遮光箱；
8.固定监测组件，所述固定监测组件固定连接在所述遮光箱内；
9.监测系统，所述巷道内靠近所述水泥柱的一侧固定连接有支架垫板，所述监测系统包括固定连接在所述支架垫板上的移动监测组件，所述遮光箱靠近所述支架垫板的一端开设有通孔，所述移动监测组件远离所述支架垫板的一端通过所述通孔伸入到所述遮光箱内，且与所述固定监测组件对应设置。
10.优选的，所述移动监测组件包括一端固定连接在所述支架垫板上的光源支架和传感器支架，所述光源支架和所述传感器支架平行设置，且所述光源支架位于所述传感器支架上方，所述光源支架另一端固定连接有移动光源，所述传感器支架另一端固定连接有移动光敏图像传感器，所述移动光源和所述移动光敏图像传感器分别与所述固定监测组件对应设置。
11.优选的，所述固定监测组件包括固定连接在所述遮光箱内部底端的固定光源和固定连接在所述遮光箱内部顶端的固定光敏图像传感器，所述固定光源位于所述移动光敏图像传感器下方且与所述移动光敏图像传感器对应设置，所述固定光敏图像传感器位于所述
移动光源上方且与所述移动光源对应设置，所述移动光敏图像传感器和所述固定光敏图像传感器分别与终端电脑电性连接。
12.优选的，所述固定光源的照射方向和所述移动光敏图像传感器垂直设置，所述移动光源的照射方向和所述固定光敏图像传感器垂直设置，所述固定光源和所述移动光源均为激光源，所述激光源照射在所述移动光敏图像传感器、所述固定光敏图像传感器上成亮点显示。
13.优选的，所述移动光敏图像传感器、所述固定光敏图像传感器由cmos图像传感器拼接而成矩阵样式，所述矩阵样式上的矩阵点对应设置有横、纵坐标，所述横、纵坐标与所述激光源对应设置。
14.优选的，所述移动光敏图像传感器、所述固定光敏图像传感器对所述激光源的位移识别距离为0.9mm-1.1mm。
15.优选的，所述移动光源、所述固定光源的初始照射方向位于同一轴线上。
16.一种矿山井下巷道支护变形监测方法，具体方法如下：
17.s1、记录初始坐标：记录初始状态下固定监测组件和移动监测组件之间的相对坐标；
18.s2、记录变形坐标：记录变形状态下固定监测组件和移动监测组件之间的相对坐标；
19.s3、坐标计算判断：针对记录的变形状态下的坐标和初始状态下的坐标进行计算，判断巷道支护发生的不同情况。
20.本发明公开了以下技术效果：
21.1、本发明提供的一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法，可以取代传统的测量法，不仅大幅降低了测量人员的工作强度，而且降低了人工成本，提高了工作效率。
22.2、本发明提供的一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法，监测数据精确，而且可以实现长期实时监测，及时反映巷道支护变形的情况，大大提高安全保障。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明整体结构示意图；
25.图2为本发明图1中a处局部放大图；
26.图3为本发明只发生水平位移变形前后对比示意图；
27.图4为本发明只发生倾斜变形前后对比示意图；
28.图5为本发明发生水平位移和倾斜变形前后对比示意图；
29.图6为本发明勾股定理和三角函数的原理示意图；
30.图7为本发明图6中遮光箱处放大示意图；
31.图8为本水平位移时移动光源与固定光敏图像传感器变形后示意图；
32.图9为本发明倾斜变形时固定光源与移动光敏图像传感器变形后示意图；
33.图10为本发明图9中遮光箱处放大示意图；
34.图11为本发明水平位移和倾斜变形时移动光源与固定光敏图像传感器变形后示意图；
35.图12为本发明图11中遮光箱处放大示意图；
36.其中，1、水泥柱；2、钢支架；3、遮光箱；4、支架垫板；5、光源支架；6、传感器支架；7、移动光源；8、移动光敏图像传感器；9、固定光源；10、固定光敏图像传感器。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.参考图1-12，本发明提供一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法，包括：
40.支架，支架包括固定连接在巷道内部底端一侧的水泥柱1，水泥柱1顶端固定连接有钢支架2，钢支架2顶端固定连接有遮光箱3；
41.固定监测组件，固定监测组件固定连接在遮光箱3内；
42.监测系统，巷道内靠近水泥柱1的一侧固定连接有支架垫板4，监测系统包括固定连接在支架垫板4上的移动监测组件，遮光箱3靠近支架垫板4的一端开设有通孔，移动监测组件远离支架垫板4的一端通过通孔伸入到遮光箱3内，且与固定监测组件对应设置。
43.进一步优化方案，移动监测组件包括一端固定连接在支架垫板4上的光源支架5和传感器支架6，光源支架5和传感器支架6平行设置，且光源支架5位于传感器支架6上方，光源支架5另一端固定连接有移动光源7，传感器支架6另一端固定连接有移动光敏图像传感器8，移动光源7和移动光敏图像传感器8分别于固定监测组件对应设置。
44.因为巷道底部为原始岩层，通过在巷道内侧壁上固定设置可移动的监测组件，并与水平面层水平设置，通过巷道侧壁移动带动移动光源7和移动光敏图像传感器8在遮光箱3内移动，从而实现对巷道支护变形的实时监测。
45.进一步优化方案，固定监测组件包括固定连接在遮光箱3内部底端的固定光源9和固定连接在遮光箱3内部顶端的固定光敏图像传感器10，固定光源9位于移动光敏图像传感器8下方且与移动光敏图像传感器8对应设置，固定光敏图像传感器10位于移动光源7上方且与移动光源7对应设置，移动光敏图像传感器8和固定光敏图像传感器10分别与终端电脑电性连接。
46.因为巷道底部为原始岩层，将水泥柱1浇筑在原始岩层内并与水平面垂直设置，保证遮光箱3的稳定，同时与巷道侧壁上的移动监测组件呈垂直设置，配合两光源和两传感器实现精准监测，移动光敏图像传感器8和固定光敏图像传感器10分别通过导线与终端电脑电性连接，移动光敏图像传感器8和固定光敏图像传感器10将从固定光源9和移动光源7上
接收到的信号输送至终端电脑上进行实时监测，降低了测量人员的工作强度，降低了人工成本，提高了工作效率，并且实现了实时监测，提高了安全保障。
47.进一步优化方案，固定光源9的照射方向和移动光敏图像传感器8垂直设置，移动光源7的照射方向和固定光敏图像传感器10垂直设置，固定光源9和移动光源7均为激光源，激光源照射在移动光敏图像传感器8、固定光敏图像传感器10上成亮点显示。
48.固定光源9和移动光源7均选定激光源，呈垂直状态分别照射在移动光敏图像传感器8和固定光敏图像传感器10上，便于计算初始坐标和变形后的坐标，后期通过终端电脑进行计算，便于计算的同时保证了测量数据的精准。
49.进一步优化方案，移动光敏图像传感器8、固定光敏图像传感器10由cmos图像传感器拼接而成矩阵样式，矩阵样式上的矩阵点对应设置有横、纵坐标，横、纵坐标与激光源对应设置。
50.通过设置矩阵样式的图像传感器，将矩阵点对应设置横、纵坐标，通过xy轴计算激光源的精准坐标，提高装置整体的测量精度。
51.进一步优化方案，移动光敏图像传感器8、固定光敏图像传感器10对激光源的位移识别距离为0.9mm-1.1mm。
52.具体的标识距离为1mm，进一步保证其测量的精准性。
53.进一步优化方案，移动光源7、固定光源9的初始照射方向位于同一轴线上。
54.通过将移动光源7和固定光源9的初始照射方向调整为同一轴线，便于对其初始坐标进行记录，保证其初始坐标的一致性，后期便于测量计算，保证测量的精准。
55.一种矿山井下巷道支护变形监测方法，具体方法如下：
56.s1、记录初始坐标：记录初始状态下固定监测组件和移动监测组件之间的相对坐标；
57.记录初始坐标：初始状态下固定光源9照射在移动光敏图像传感器8的坐标为a(x0,y0)；移动光源7照射在固定光敏图像传感器10上的坐标为a1(x1,y1)；支架垫板4到a(x0,y0)的距离为ap＝l；
58.s2、记录变形坐标：记录变形状态下固定监测组件和移动监测组件之间的相对坐标；
59.记录变形后的坐标：变形后固定光源9照射在移动光敏图像传感器8的坐标为a
′
(x0′
,y0′
)；移动光源7照射在固定光敏图像传感器10上的坐标为a1′
(x1′
,y1′
)；
60.s3、坐标计算判断：针对记录的变形状态下的坐标和初始状态下的坐标进行计算，判断巷道支护发生的不同情况；
61.判断结果如下：
62.水平位移：
63.如果y1′‑
y1＝0，x1′‑
x1≠0，则判定巷道支护仅发生水平位移；
64.s＝x1′‑
x1(s为位移)；
65.倾斜变形：
66.如果y1′‑
y1≠0，x1′‑
x1＝0，则判定巷道支护仅发生倾斜变形；
67.水平及倾斜变形：
68.如果y1′‑
y1≠0，x1′‑
x1≠0，则判定巷道支护既发生水平位移，又发生倾斜变形；
69.巷道支护倾斜变形角度θ：
[0070][0071]
其中：a、a1、a
′
、a1′
的含义是相对应的坐标位置，图中其余字母为便于计算的辅助标注。
[0072]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0073]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种矿山井下巷道支护变形监测装置，其特征在于，包括：支架，所述支架包括固定连接在巷道内部底端一侧的水泥柱(1)，所述水泥柱(1)顶端固定连接有钢支架(2)，所述钢支架(2)顶端固定连接有遮光箱(3)；固定监测组件，所述固定监测组件固定连接在所述遮光箱(3)内；监测系统，所述巷道内靠近所述水泥柱(1)的一侧固定连接有支架垫板(4)，所述监测系统包括固定连接在所述支架垫板(4)上的移动监测组件，所述遮光箱(3)靠近所述支架垫板(4)的一端开设有通孔，所述移动监测组件远离所述支架垫板(4)的一端通过所述通孔伸入到所述遮光箱(3)内，且与所述固定监测组件对应设置。2.根据权利要求1所述的一种矿山井下巷道支护变形监测装置，其特征在于：所述移动监测组件包括一端固定连接在所述支架垫板(4)上的光源支架(5)和传感器支架(6)，所述光源支架(5)和所述传感器支架(6)平行设置，且所述光源支架(5)位于所述传感器支架(6)上方，所述光源支架(5)另一端固定连接有移动光源(7)，所述传感器支架(6)另一端固定连接有移动光敏图像传感器(8)，所述移动光源(7)和所述移动光敏图像传感器(8)分别与所述固定监测组件对应设置。3.根据权利要求2所述的一种矿山井下巷道支护变形监测装置，其特征在于：所述固定监测组件包括固定连接在所述遮光箱(3)内部底端的固定光源(9)和固定连接在所述遮光箱(3)内部顶端的固定光敏图像传感器(10)，所述固定光源(9)位于所述移动光敏图像传感器(8)下方且与所述移动光敏图像传感器(8)对应设置，所述固定光敏图像传感器(10)位于所述移动光源(7)上方且与所述移动光源(7)对应设置，所述移动光敏图像传感器(8)和所述固定光敏图像传感器(10)分别与终端电脑电性连接。4.根据权利要求3所述的一种矿山井下巷道支护变形监测装置，其特征在于：所述固定光源(9)的照射方向和所述移动光敏图像传感器(8)垂直设置，所述移动光源(7)的照射方向和所述固定光敏图像传感器(10)垂直设置，所述固定光源(9)和所述移动光源(7)均为激光源，所述激光源照射在所述移动光敏图像传感器(8)、所述固定光敏图像传感器(10)上成亮点显示。5.根据权利要求4所述的一种矿山井下巷道支护变形监测装置，其特征在于：所述移动光敏图像传感器(8)、所述固定光敏图像传感器(10)由cmos图像传感器拼接而成矩阵样式，所述矩阵样式上的矩阵点对应设置有横、纵坐标，所述横、纵坐标与所述激光源对应设置。6.根据权利要求5所述的一种矿山井下巷道支护变形监测装置，其特征在于：所述移动光敏图像传感器(8)、所述固定光敏图像传感器(10)对所述激光源的位移识别距离为0.9mm-1.1mm。7.根据权利要求6所述的一种矿山井下巷道支护变形监测装置，其特征在于：所述移动光源(7)、所述固定光源(9)的初始照射方向位于同一轴线上。8.一种矿山井下巷道支护变形监测方法，通过权利要求1所述的一种矿山井下巷道支护变形监测装置实现，其特征在于：具体方法如下：s1、记录初始坐标：记录初始状态下固定监测组件和移动监测组件之间的相对坐标；s2、记录变形坐标：记录变形状态下固定监测组件和移动监测组件之间的相对坐标；s3、坐标计算判断：针对记录的变形状态下的坐标和初始状态下的坐标进行计算，判断巷道支护发生的不同情况。

技术总结
本发明公开了一种矿山井下巷道支护变形监测装置及其监测方法，包括支架，所述支架包括固定连接在巷道内部底端一侧的水泥柱，所述水泥柱顶端固定连接有钢支架，所述钢支架顶端固定连接有遮光箱；固定监测组件，所述固定监测组件固定连接在所述遮光箱内；监测系统，所述巷道内靠近所述水泥柱的一侧固定连接有支架垫板，所述监测系统包括固定连接在所述支架垫板上的移动监测组件，所述遮光箱靠近所述支架垫板的一端开设有通孔，所述移动监测组件远离所述支架垫板的一端通过所述通孔伸入到所述遮光箱内，且与所述固定监测组件对应设置。本发明整体监测数据精确，大大提高了安全保障，降低了测量人员的工作强度和人工成本，提高了工作效率。高了工作效率。高了工作效率。


技术研发人员：郑禄林 黄港 郑禄璟 刘伦 朱淳 尹乾 金开玥 张文潮
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21