本發(fā)明涉及一種巷道頂板離層監(jiān)測裝置及使用方法，具體是一種激光測量巷道頂板離層裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

在煤礦生產(chǎn)中，頂板離層是巷道頂板事故的主要誘因之一，當(dāng)巷道頂板離層量超過一定范圍，如果不采取二次加固措施，便會發(fā)生頂板垮落事故。巷道頂板巖層與巖層之間容易產(chǎn)生離層；巷道圍巖存在軟弱節(jié)理面，當(dāng)巷道受到拉應(yīng)力及剪應(yīng)力，節(jié)理面會發(fā)生離層。因此，對巷道頂板離層進(jìn)行監(jiān)測，以便了解巷道頂板離層發(fā)育情況及頂板穩(wěn)定性，及時采取加固措施，從而有效的防止頂板垮落事故的發(fā)生，保障井下人員及財產(chǎn)安全。

目前，國內(nèi)外最常用的頂板離層監(jiān)測方式是在頂板內(nèi)安裝機(jī)械式頂板離層指示儀，通過離層指示儀所反映不同位置上的巖層位移作為離層量，這種測量方式得到的“離層量”不僅包括頂板的巖層間離層以及弱節(jié)理離層，還含有煤層開挖后，頂板巖層的彈塑性變形和遇水膨脹變形等，傳統(tǒng)的機(jī)械式頂板離層指示儀無法精確測量巷道頂板的離層量。常用的鉆孔窺視儀可以實現(xiàn)鉆孔內(nèi)部離層的可視化觀測，但鉆孔窺視儀只能通過肉眼粗略地觀測離層形態(tài)，且無法觀測離層內(nèi)部的延伸長度，導(dǎo)致技術(shù)人員無法準(zhǔn)確判斷頂板穩(wěn)定性，給巷道和采掘工程的安全性和可靠性帶來很大的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是為了提高巷道頂板離層探測精度，提高離層探測自動化程度，減少人為操作帶來的誤差，可靠性高，測量精度高，可實現(xiàn)自動探測的一種激光測量巷道頂板離層裝置及使用方法。

技術(shù)方案：為能達(dá)到本發(fā)明的目的，通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種激光測量巷道頂板離層裝置，其特征是：它由離層監(jiān)測探頭（1）、可控液壓升降系統(tǒng)（2）和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）構(gòu)成。所述的離層監(jiān)測探頭由探頭保護(hù)外殼（7）、發(fā)射光學(xué)窗口（8）、接收光學(xué)窗口（9）、激光發(fā)射裝置（10）、光電轉(zhuǎn)換裝置（11）、數(shù)據(jù)傳輸裝置（6）組成；所述的可控液壓升降系統(tǒng)（2）由液壓傳動系統(tǒng)（3）、多節(jié)升降桿（4）組成；所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）包括可控液壓升降機(jī)位置控制子系統(tǒng)、離層監(jiān)測探頭控制子系統(tǒng)；所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）通過數(shù)據(jù)傳輸裝置（6）分別與可控液壓升降系統(tǒng)（2）、離層監(jiān)測探頭（1）相連，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）處理數(shù)據(jù)并計算出激光的探測距離。

上述方案的優(yōu)選方案是，所述的離層監(jiān)測探頭（1）下部有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，所述的離層監(jiān)測探頭（1）可360°旋轉(zhuǎn)，可對鉆孔各個方向進(jìn)行探測。

上述方案的優(yōu)選方案是，所述的發(fā)射光學(xué)窗口（8）及所述的接收光學(xué)窗口（9）為高透光率材質(zhì)，以保護(hù)離層監(jiān)測探頭（1）內(nèi)的電子元器件。

上述方案的優(yōu)選方案是，所述的光電轉(zhuǎn)換裝置（11）與濾波電路相連接，濾波電路連接信號放大器，將接收到的光轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行電信號增益。

一種激光測量巷道頂板離層裝置的使用方法，包括以下內(nèi)容：

（1）鉆孔準(zhǔn)備：在錨桿（18）支護(hù)巷道斷面的頂板中部位置處，用液壓鉆機(jī)垂直于頂板鉆出一個直徑為40mm至50mm、長度為6m的鉆孔（14），清理孔內(nèi)的泥水與碎石，然后，將可控液壓升降系統(tǒng)（2）及其上方的離層監(jiān)測探頭（1）置于鉆孔正下方，將可控液壓升降系統(tǒng)底座固定于巷道底板，多節(jié)升降桿（4）抬升離層監(jiān)測探頭（1）至頂板鉆孔（14）初始位置。

（2）參數(shù)設(shè)置：在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）內(nèi)置的可控液壓升降系統(tǒng)控制子系統(tǒng)中，設(shè)置多節(jié)升降桿（4）的最大上升距離為6m，即離層監(jiān)測探頭（1）所需探測的最大高度為6m，同時設(shè)置可控液壓升降系統(tǒng)（2）的每次抬升的距離為1mm；在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）內(nèi)置的離層監(jiān)測探頭控制子系統(tǒng)中，離層監(jiān)測探頭（1）每次探測時間為2秒，重置離層監(jiān)測探頭（1）的初始角度為0°，離層監(jiān)測探頭每結(jié)束一次激光探測時，離層監(jiān)測探頭旋轉(zhuǎn)45°。

（3）離層探測：

a、多節(jié)升降桿（4）抬升1mm，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄離層監(jiān)測探頭（1）位置及初始角度，多節(jié)升降桿（4）及微型電動機(jī)（12）保持靜止2秒，這期間離層監(jiān)測探頭（1）向水平方向發(fā)出激光光束，并接收反射回來的激光光束，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）根據(jù)光在空氣中的傳播時間計算出探測距離。

b、保持多節(jié)升降桿（4）位置不變，通過微型電動機(jī)（12）帶動離層監(jiān)測探頭（1）旋轉(zhuǎn)45°，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）記錄離層監(jiān)測探頭（1）位置及所處角度，多節(jié)升降桿（4）及微型電動機(jī)（12）保持靜止2秒，這期間再次進(jìn)行激光的探測工作，并計算出此次探測距離。

c、重復(fù)b步驟直至離層監(jiān)測探頭（1）旋轉(zhuǎn)一周，即完成了內(nèi)某一豎直位置處，鉆孔四周的離層測量；重復(fù)a、b步驟直至多節(jié)升降桿（4）的抬升距離達(dá)到所設(shè)置的探測最大值x，此時完成了對該鉆孔的全部離層測量工作。

d、在靠近兩幫位置處分別打第一離層檢驗鉆孔（16）、第二離層檢驗鉆孔（17），并完成兩個鉆孔的離層探測工作，用檢驗鉆孔的測量結(jié)果與頂板中部鉆孔的測量結(jié)果進(jìn)行對比，保證離層探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（4）離層判別及計算

激光監(jiān)測探頭（1）所處頂板位置x0，離層監(jiān)測探頭（1）未進(jìn)入頂板離層（13）區(qū)域時，激光的探測距離為發(fā)射光學(xué)窗口（8）至鉆孔孔壁的長度l，在非離層區(qū)域內(nèi)該長度理論上是一個定值。但考慮到現(xiàn)場實際情況，鉆孔孔壁上存在破碎的巖塊，導(dǎo)致孔壁表面凹凸不平，非離層區(qū)域內(nèi)的激光探測距離會有小幅度波動，該探測距離的變化范圍很小。離層監(jiān)測探頭（1）進(jìn)入離層（13）區(qū)域，任意位置時的探測長度為l0。激光探測的距離會持續(xù)增大，增大到其最大值l1后，會快速減小至l，達(dá)到穩(wěn)定，且激光探測的離層區(qū)域內(nèi)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射光學(xué)窗口（8）至鉆孔孔壁的長度l。激光探測的距離開始發(fā)生突然變化且探測距離持續(xù)增大的位置即為離層初始位置，此位置處的多節(jié)升降桿（4）抬升高度為x1；激光探測的距離由最大值逐漸減小到l時的位置即為離層終止位置，此位置處的多節(jié)升降桿（4）抬升高度為x2，由此可得到離層量y=x2-x1，離層的延伸半徑即為激光探測的最大距離l1。

本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）采用可控液壓升降系統(tǒng)及監(jiān)測探頭旋轉(zhuǎn)裝置，可以探測出頂板離層的所處層位，頂板離層在豎直方向上的離層量，水平方向上的頂板離層延伸范圍，實現(xiàn)了頂板鉆孔范圍內(nèi)的頂板離層全方位精確測量。

（2）采用激光測量頂板離層量時，激光探測具有精度高、操作簡單、可靠性高的特點，能夠適應(yīng)煤礦這種惡劣條件下的頂板離層測量。

（3）通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)頂板離層的自動探測，減少人工操作工序，可以有效減小測量誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的離層探測整體布置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的離層監(jiān)測探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的巷道頂板非離層區(qū)域探測初始位置示意圖；

圖4為本發(fā)明的巷道頂板離層區(qū)域探測進(jìn)入離層區(qū)示意圖；

圖5為本發(fā)明的巷道頂板離層區(qū)域探測離開離層區(qū)示意圖。

圖中：1、離層監(jiān)測探頭；2、可控液壓升降系統(tǒng)；3、液壓傳動系統(tǒng)；4、多節(jié)升降桿；5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；6、數(shù)據(jù)傳輸裝置；7、探頭保護(hù)外殼；8、發(fā)射光學(xué)窗口；9、接收光學(xué)窗口；10、激光發(fā)射裝置；11、光電轉(zhuǎn)換裝置；12、微型電動機(jī)；13、頂板離層；14、鉆孔；15、頂板巖層；16、第一離層檢驗鉆孔；17、第二離層檢驗鉆孔；18、錨桿。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步的描述：

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一種激光測量巷道頂板離層裝置，它由離層監(jiān)測探頭（1）、可控液壓升降系統(tǒng)（3）和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）構(gòu)成。

具體而言，離層監(jiān)測探頭（1）通過其底部的微型電動機(jī)（12），固定在多節(jié)升降桿（4）的上端頭，多節(jié)升降桿（4）下端與液壓傳動系統(tǒng)（3）相連，由液壓傳動系統(tǒng)（3）驅(qū)動多節(jié)升降桿（4），從而實現(xiàn)離層監(jiān)測探頭（1）在豎直方向上的移動；沿著多節(jié)升降桿（4）內(nèi)部含有數(shù)據(jù)傳輸裝置（6），離層監(jiān)測探頭（1）通過該數(shù)據(jù)傳輸裝置（6）與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）進(jìn)行信息交換，液壓傳動系統(tǒng)（3）通過數(shù)據(jù)傳輸裝置（6）與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）相連，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）內(nèi)部含有可控液壓升降系統(tǒng)控制子系統(tǒng)，由該系統(tǒng)進(jìn)行液壓傳動系統(tǒng)（3）的動作控制。

如圖2所示，離層監(jiān)測探頭（1）主要包括探頭保護(hù)外殼（7）、發(fā)射光學(xué)窗口（8）、接收光學(xué)窗口（9）、激光發(fā)射裝置（10）、光電轉(zhuǎn)換裝置（11）、微型電動機(jī)（12）。

具體而言，發(fā)射光學(xué)窗口（8）與激光發(fā)射裝置（10）前端相連接，激光發(fā)射裝置（10）通過數(shù)據(jù)傳輸裝置（6）與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）連接，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）內(nèi)置的離層監(jiān)測探頭控制子系統(tǒng)控制激光光束的發(fā)射，激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光光束穿過發(fā)射光學(xué)窗口（8），沿水平方向照射至離層（13）位置；接收光學(xué)窗口（9）與光電轉(zhuǎn)換裝置（11）前端相連，光電轉(zhuǎn)換裝置（11）與濾波電路前端相連，濾波電路與信號放大器前端連接，信號放大器通過數(shù)據(jù)傳輸裝置（4）與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）連接，由離層位置反射的激光光束穿過接收光學(xué)窗口（9），經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置（11）轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過濾波電路的整流與信號放大器的放大，輸入至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5），并根據(jù)激光傳播時間，計算出激光的探測距離。

優(yōu)選的，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如圖2所示，離層監(jiān)測探頭（1）底部安裝有微型電動機(jī)（12），該微型電動機(jī)（12）使離層監(jiān)測探頭（1）以豎直中心線為軸，可旋轉(zhuǎn)360°探測鉆孔（14）一周。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一種激光測量巷道頂板離層裝置的使用方法，具體包括以下內(nèi)容：

（1）鉆孔準(zhǔn)備：在錨桿支護(hù)巷道斷面的頂板中部位置處，用液壓鉆機(jī)垂直于頂板鉆出一個直徑為40mm至50mm、長度為6m的鉆孔（14），清理孔內(nèi)的泥水與碎石，然后，將可控液壓升降系統(tǒng)（2）及其上方的離層監(jiān)測探頭（1）置于鉆孔正下方，將可控液壓升降系統(tǒng)底座固定于巷道底板，多節(jié)升降桿（4）抬升離層監(jiān)測探頭（1）至頂板鉆孔（14）初始位置。

（2）參數(shù)設(shè)置：在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）內(nèi)置的可控液壓升降控制子系統(tǒng)中，輸入多節(jié)升降桿（4）的最大上升距離6m，即離層監(jiān)測探頭（1）所需探測的最大高度6m，同時設(shè)置多節(jié)升降桿（4）的每次抬升的距離1mm；在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）內(nèi)置的離層監(jiān)測探頭控制子系統(tǒng)中，離層監(jiān)測探頭（1）每次探測時間為2秒，重置離層監(jiān)測探頭（1）的初始角度為0°，每結(jié)束一次激光探測時，離層監(jiān)測探頭（1）旋轉(zhuǎn)45°。

（3）離層探測：

a、多節(jié)升降桿（4）抬升1mm，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）記錄離層監(jiān)測探頭（1）位置及初始角度，多節(jié)升降桿（4）及微型電動機(jī)（12）保持靜止2秒，這期間離層監(jiān)測探頭（1）向水平方向發(fā)出激光光束，并接收反射回來的激光光束，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）根據(jù)光在空氣中的傳播時間計算出探測距離。

b、保持多節(jié)升降桿（4）位置不變，通過微型電動機(jī)（12）帶動離層監(jiān)測探頭（1）旋轉(zhuǎn)45°，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5）記錄離層監(jiān)測探頭（1）位置及所處角度，多節(jié)升降桿（4）及微型電動機(jī)（12）保持靜止2秒，這期間再次進(jìn)行激光的，探測工作，并計算出此次探測距離。

c、重復(fù)b步驟直至離層監(jiān)測探頭（1）旋轉(zhuǎn)一周，即完成了內(nèi)某一豎直位置處，鉆孔四周的離層測量；重復(fù)a、b步驟直至多節(jié)升降桿（4）的抬升距離達(dá)到所設(shè)置的探測最大值x，此時完成了對該鉆孔的全部離層測量工作。

d、在靠近兩幫位置處分別打第一離層檢驗鉆孔（16）、第二離層檢驗鉆孔（17），并完成兩個鉆孔的離層探測工作，用檢驗鉆孔的測量結(jié)果與頂板中部鉆孔的測量結(jié)果進(jìn)行對比，保證離層探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（4）離層判別及計算

如圖3所示，激光監(jiān)測探頭（1）所處頂板位置x0，離層監(jiān)測探頭（1）未進(jìn)入離層區(qū)域時，激光的探測距離為發(fā)射光學(xué)窗口（8）至鉆孔孔壁的長度l，在非離層區(qū)域內(nèi)該長度理論上是一個定值。但考慮到現(xiàn)場實際情況，鉆孔孔壁上存在破碎的巖塊，導(dǎo)致孔壁表面凹凸不平，非離層區(qū)域內(nèi)的激光探測距離會有小幅度波動，該探測距離的變化范圍很小。

如圖4所示，離層監(jiān)測探頭（1）進(jìn)入離層（13）區(qū)域任意位置時的探測長度為l0。激光探測的距離會持續(xù)增大，增大到其最大值l1后，會快速減小至l，達(dá)到穩(wěn)定，且激光探測的離層區(qū)域內(nèi)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射光學(xué)窗口（8）至鉆孔孔壁的長度l。激光探測的距離開始發(fā)生突然變化且探測距離持續(xù)增大的位置即為離層初始位置，此位置處的多節(jié)升降桿（4）抬升高度為x1；激光探測的距離由最大值逐漸減小到l時的位置即為離層終止位置，此位置處的多節(jié)升降桿（4）抬升高度為x2，由此可得到離層量y=x2-x1，離層的延伸范圍即為激光探測的最大距離l1。

通過以上的具體實施，本發(fā)明提供了一種激光測量巷道頂板離層裝置及使用方法，采用的激光測具有高精度，高可靠性，同時井下測量安全、方便，可以探測出頂板離層所處的具體位置、離層量以及離層在水平方向上的延伸長度，真正實現(xiàn)巷道頂板離層的精確測量。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確快速的獲得頂板巖層變形情況，為圍巖條件復(fù)雜多變的巷道頂板維護(hù)及二次加固施工提供依據(jù)，在錨網(wǎng)支護(hù)巷道的安全施工、頂板圍巖變形機(jī)理研究等方面具有重要意義。