本發(fā)明涉及巖層橫向與縱向位移測(cè)量，具體涉及一種用于巖層橫向與縱向位移測(cè)量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在煤礦巷道的頂板巖層，橫向和縱向位移的產(chǎn)生常受到多種因素的綜合影響，這反映了巖層穩(wěn)定性的復(fù)雜性和多樣性。地質(zhì)構(gòu)造是其中至關(guān)重要的因素之一。地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜變化可能導(dǎo)致巖層內(nèi)部應(yīng)力分布的不均勻性，從而為位移的發(fā)生創(chuàng)造了條件。這種不均勻性可能在特定地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)或相鄰地質(zhì)體之間產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中和釋放，引發(fā)巖層位移現(xiàn)象。采礦活動(dòng)也是影響巖層位移的重要因素之一。在地下開(kāi)挖和支護(hù)操作過(guò)程中，巖層受到了機(jī)械力學(xué)和工程活動(dòng)的直接影響，從而可能引發(fā)巖層的位移。采礦活動(dòng)所造成的地表和地下工程變形不僅僅影響了巖層的穩(wěn)定性，還可能通過(guò)巖層之間的相互作用傳遞應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致巷道頂板巖層的橫向和縱向位移。地下水位的變化也是巖層位移的重要影響因素之一。地下水對(duì)巖層的孔隙水壓力和地下水位的變化可能會(huì)影響巖層的穩(wěn)定性。尤其是在季節(jié)性或長(zhǎng)期性的地下水位變化情況下，地下水對(duì)巖層的滲透和承載能力可能會(huì)產(chǎn)生顯著影響，加劇了巖層的變形和位移。

2、洞室作為礦山內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)，其巖層位移情況同樣具有復(fù)雜性和多變性。與礦巷相比，洞室的形態(tài)和大小更加多樣化，因此巖層位移可能受到更多復(fù)雜因素的影響。除了地質(zhì)構(gòu)造和采礦活動(dòng)外，洞室周?chē)膸r層還可能受到巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)裂縫和斷層等因素的影響，這些因素進(jìn)一步增加了洞室?guī)r層的位移風(fēng)險(xiǎn)。

3、邊坡位移情況在露天開(kāi)采煤礦中備受關(guān)注，這與地質(zhì)構(gòu)造、降雨侵蝕和人為開(kāi)采等因素密切相關(guān)。邊坡巖層的橫向和縱向位移可能導(dǎo)致邊坡的不穩(wěn)定和塌方，對(duì)礦山生產(chǎn)和周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，對(duì)于這些因素的綜合影響對(duì)煤礦巷道頂板巖層、洞室和邊坡的位移情況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估和監(jiān)測(cè)，以確保礦山的安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。

4、然而，現(xiàn)有測(cè)量方法難以滿足對(duì)精度、可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性的高要求。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠準(zhǔn)確、快速、安全地測(cè)量煤礦頂板巖層橫向位移的方法和系統(tǒng)，對(duì)于提高煤礦生產(chǎn)的安全性和效率具有重要意義。

5、在所述背景技術(shù)部分公開(kāi)的上述信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本公開(kāi)的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種用于巖層橫向與縱向位移測(cè)量方法及系統(tǒng)，通過(guò)桿中的傾角傳感器和伸縮傳感器，反映監(jiān)測(cè)設(shè)備在巖層中的傾角和長(zhǎng)度變化，可以有效計(jì)算出巖層在縱向與橫向的運(yùn)動(dòng)位移，使用傾角傳感器來(lái)測(cè)量重力加速度在不同軸向上的數(shù)據(jù)，以反映物體在x、y和z軸上的角度，結(jié)合桿件長(zhǎng)度及巖層中伸縮長(zhǎng)度，通過(guò)將公式轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系下的角度并計(jì)算各桿件中節(jié)點(diǎn)初始空間坐標(biāo)，以監(jiān)測(cè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)1為監(jiān)測(cè)設(shè)備坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建大地坐標(biāo)系，通過(guò)矢量累加獲得各節(jié)點(diǎn)相對(duì)節(jié)點(diǎn)1處的坐標(biāo)，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)前后坐標(biāo)點(diǎn)即可計(jì)算各節(jié)點(diǎn)相對(duì)初始狀態(tài)的位移，通過(guò)前后獲取的累加后節(jié)點(diǎn)n處的坐標(biāo)值，能夠準(zhǔn)確計(jì)算該節(jié)點(diǎn)發(fā)生的位移情況及位移空間方向，通過(guò)比較不同時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)值，可以確定節(jié)點(diǎn)的位移量和位移方向，從而深入了解該處結(jié)構(gòu)的變化和演化過(guò)程，以解決上述背景技術(shù)中的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種用于巖層橫向與縱向位移測(cè)量方法，包括以下步驟：

3、根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果和監(jiān)測(cè)需求規(guī)劃鉆孔位置，按照預(yù)先確定的孔洞位置，在巖層中逐步鉆探，鉆孔過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整鉆探參數(shù)，確?？锥吹馁|(zhì)量和準(zhǔn)確度；

4、安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備；

5、進(jìn)行對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的檢查和調(diào)整，確保檢測(cè)設(shè)備安裝正確并有效地覆蓋到所需測(cè)試的區(qū)域；

6、安裝數(shù)據(jù)采集器，確保其有效地對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、處理，建立數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；

7、通過(guò)傾角傳感器測(cè)量重力加速度在不同軸上的數(shù)據(jù)，并結(jié)合兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度計(jì)算相對(duì)大地坐標(biāo)系下各桿件的初始狀態(tài)及各節(jié)點(diǎn)處的空間坐標(biāo)；

8、對(duì)傾角傳感器測(cè)量重力加速度的測(cè)量精度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)傾角傳感器測(cè)量重力加速度的測(cè)量精度影響進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；

9、以監(jiān)測(cè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)1為原點(diǎn)(0，0，0)構(gòu)建大地坐標(biāo)系，通過(guò)矢量累加獲得整個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備中各節(jié)點(diǎn)處的坐標(biāo)值；

10、經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，通過(guò)各桿件位置情況計(jì)算桿件長(zhǎng)度變化情況；

11、根據(jù)前后獲取的累加后節(jié)點(diǎn)n處的坐標(biāo)值，計(jì)算該節(jié)點(diǎn)處的位移情況和位移空間方向；

12、在數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取節(jié)點(diǎn)處的位移情況和位移空間方向信息，并生成圖像顯示結(jié)果。

13、優(yōu)選的，安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備的具體步驟如下：

14、操作人員將準(zhǔn)備好的陣列式監(jiān)測(cè)設(shè)備帶至現(xiàn)場(chǎng)，并準(zhǔn)備好所需的測(cè)試桿和配件，其中傾角傳感器及伸縮傳感器使用rs485通訊線纜連接；

15、逐一將測(cè)試桿放入預(yù)制的孔洞中，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確覆蓋到需要測(cè)試的區(qū)域；

16、通過(guò)特定卡扣將測(cè)試桿固定在指定位置，并根據(jù)布局圖紙將測(cè)試桿按照特定排列方式安裝到孔洞中。

17、優(yōu)選的，設(shè)定時(shí)間間隔g，基于時(shí)間間隔g記錄各桿件因巖層運(yùn)動(dòng)與x軸、y軸、z軸產(chǎn)生的傾斜角度，并將傾斜角度分別記為α、β、γ，以每根桿上端節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，通過(guò)下式轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系下的角度進(jìn)行計(jì)算各桿件中桿末端節(jié)點(diǎn)大地坐標(biāo)，因此節(jié)點(diǎn)n相對(duì)節(jié)點(diǎn)n-1的坐標(biāo)系中表示為(lnx，lny，lnz)，其中，rzyx＝rz(γ)*ry(β)*rx(α)，rzyx表示旋轉(zhuǎn)矩陣，用于計(jì)算坐標(biāo)的變換，rx(α)，ry(β)，rz(γ)：分別是繞x軸旋轉(zhuǎn)α角度，繞y軸旋轉(zhuǎn)β角度以及繞z軸旋轉(zhuǎn)γ角度的旋轉(zhuǎn)矩陣，每個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣都與一個(gè)特定的軸和角度相對(duì)應(yīng)。

18、優(yōu)選的，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，(lnx，lny，lnz)表示的是從一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)n-1到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)n的三維空間位移，這些值是基于傾角傳感器測(cè)量的結(jié)果，用來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)n相對(duì)于節(jié)點(diǎn)n-1的空間位置，lnx＝l*cos(β)*cos(α)，lny＝l*cos(β)*sin(α)，lnz＝l*sin(β)；

19、結(jié)合上述公式得出：l表示兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度，lnx表示某桿件在x軸上的投影值，lny表示某桿件在y軸上的投影值，lnz表示某桿件在z軸上的投影值。

20、優(yōu)選的，為了對(duì)傾角傳感器測(cè)量重力加速度的測(cè)量精度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取傾角傳感器測(cè)量重力加速度的噪聲水平指數(shù)、漂移指數(shù)、分辨率指數(shù)，將噪聲水平指數(shù)、漂移指數(shù)、分辨率指數(shù)進(jìn)行綜合分析，生成影響指數(shù)，通過(guò)影響指數(shù)對(duì)傾角傳感器測(cè)量重力加速度的測(cè)量精度影響進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

21、優(yōu)選的，噪聲水平指數(shù)的計(jì)算公式為：其中，s(t)為在時(shí)間t的傳感器讀數(shù)，為這段時(shí)間內(nèi)讀數(shù)的平均值，t是總時(shí)間，nli為噪聲水平指數(shù)；

22、漂移指數(shù)的計(jì)算公式為：其中，s(m)和s(0)分別是在時(shí)間m和開(kāi)始時(shí)的傳感器讀數(shù)，漂移指數(shù)測(cè)量的是開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間的讀數(shù)差，di表示漂移指數(shù)，m表示時(shí)間點(diǎn)的總數(shù)；

23、分辨率指數(shù)的計(jì)算公式為：δs是能被傳感器檢測(cè)到的最小信號(hào)變化量，δt'是時(shí)間間隔，ri為分辨率指數(shù)。

24、優(yōu)選的，通過(guò)對(duì)傾角傳感器測(cè)量重力加速度時(shí)生成的噪聲水平指數(shù)、漂移指數(shù)、分辨率指數(shù)進(jìn)行綜合分析，生成測(cè)影響指數(shù)θθτ，用于評(píng)估傳感器的整體性能，影響指數(shù)生成的計(jì)算公式為：

25、

26、，式中，x1、x2、x3分別為噪聲水平指數(shù)nli、漂移指數(shù)di以及分辨率指數(shù)ri的預(yù)設(shè)比例系數(shù)，且x1、x2、x3均大于0。

27、優(yōu)選的，將傾角傳感器測(cè)量重力加速度時(shí)生成的測(cè)影響指數(shù)與預(yù)先設(shè)定的測(cè)影響指數(shù)參考閾值進(jìn)行比對(duì)分析，若測(cè)影響指數(shù)大于等于測(cè)影響指數(shù)參考閾值，則生成測(cè)量精度影響信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)發(fā)出異常提示，通知相關(guān)工作人員知曉，若若測(cè)影響指數(shù)小于測(cè)影響指數(shù)參考閾值，則生成測(cè)量精度精確信號(hào)，不對(duì)該信號(hào)發(fā)出異常提示，此時(shí)表明傾角傳感器可對(duì)重力加速度精確測(cè)量。

28、優(yōu)選的，將節(jié)點(diǎn)用n進(jìn)行表示，節(jié)點(diǎn)n相對(duì)節(jié)點(diǎn)1的坐標(biāo)系中表示為：(l2x+l3x+…+lnx,l2y+l3y+…+lny,l2z+l3z+…+lnz)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，此時(shí)兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度為l'，l'＝l+δl，其中δl為伸縮傳感器在巖層作用下伸長(zhǎng)或縮短量；

29、計(jì)算部分參照步驟五、步驟六，變換后節(jié)點(diǎn)n處的坐標(biāo)表示為(l'2x+l3'x+…+l'nx,l'2y+l3'y+…+l'ny,l'2z+l3'z+…+l'nz)，通過(guò)比較前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)值變化，確定節(jié)點(diǎn)在空間中的位移量和位移方向。

30、一種用于巖層橫向與縱向位移測(cè)量系統(tǒng)，包括鉆孔與參數(shù)調(diào)整模塊、設(shè)備檢查與調(diào)整模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、空間坐標(biāo)計(jì)算模塊、測(cè)量精度監(jiān)控模塊、坐標(biāo)系統(tǒng)建立模塊、桿件長(zhǎng)度變化計(jì)算模塊、位移分析模塊以及數(shù)據(jù)處理與顯示模塊；

31、鉆孔與參數(shù)調(diào)整模塊，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果和監(jiān)測(cè)需求規(guī)劃鉆孔位置，按照預(yù)先確定的孔洞位置，在巖層中逐步鉆探，鉆孔過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整鉆探參數(shù)，確?？锥吹馁|(zhì)量和準(zhǔn)確度；

32、設(shè)備檢查與調(diào)整模塊，進(jìn)行對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的檢查和調(diào)整，確保檢測(cè)設(shè)備安裝正確并有效地覆蓋到所需測(cè)試的區(qū)域；

33、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，安裝數(shù)據(jù)采集器，確保其有效地對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、處理，建立數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；

34、空間坐標(biāo)計(jì)算模塊，通過(guò)傾角傳感器測(cè)量重力加速度在不同軸上的數(shù)據(jù)，并結(jié)合兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度計(jì)算相對(duì)大地坐標(biāo)系下各桿件的初始狀態(tài)及各節(jié)點(diǎn)處的空間坐標(biāo)；

35、測(cè)量精度監(jiān)控模塊，對(duì)傾角傳感器測(cè)量重力加速度的測(cè)量精度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)傾角傳感器測(cè)量重力加速度的測(cè)量精度影響進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；

36、坐標(biāo)系統(tǒng)建立模塊，以監(jiān)測(cè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)1為原點(diǎn)(0，0，0)構(gòu)建大地坐標(biāo)系，通過(guò)矢量累加獲得整個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備中各節(jié)點(diǎn)處的坐標(biāo)值；

37、桿件長(zhǎng)度變化計(jì)算模塊，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，通過(guò)各桿件位置情況計(jì)算桿件長(zhǎng)度變化情況；

38、位移分析模塊，根據(jù)前后獲取的累加后節(jié)點(diǎn)n處的坐標(biāo)值，計(jì)算該節(jié)點(diǎn)處的位移情況和位移空間方向；

39、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊，在數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取節(jié)點(diǎn)處的位移情況和位移空間方向信息，并生成圖像顯示結(jié)果。

40、在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

41、本發(fā)明通過(guò)桿中的傾角傳感器和伸縮傳感器，反映監(jiān)測(cè)設(shè)備在巖層中的傾角和長(zhǎng)度變化，可以有效計(jì)算出巖層在縱向與橫向的運(yùn)動(dòng)位移，使用傾角傳感器來(lái)測(cè)量重力加速度在不同軸向上的數(shù)據(jù)，以反映物體在x、y和z軸上的角度，結(jié)合桿件長(zhǎng)度及巖層中伸縮長(zhǎng)度，通過(guò)將公式轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系下的角度并計(jì)算各桿件中節(jié)點(diǎn)初始空間坐標(biāo)，以監(jiān)測(cè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)1為監(jiān)測(cè)設(shè)備坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建大地坐標(biāo)系，通過(guò)矢量累加獲得各節(jié)點(diǎn)相對(duì)節(jié)點(diǎn)1處的坐標(biāo)，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)前后坐標(biāo)點(diǎn)即可計(jì)算各節(jié)點(diǎn)相對(duì)初始狀態(tài)的位移，通過(guò)前后獲取的累加后節(jié)點(diǎn)n處的坐標(biāo)值，能夠準(zhǔn)確計(jì)算該節(jié)點(diǎn)發(fā)生的位移情況及位移空間方向，通過(guò)比較不同時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)值，可以確定節(jié)點(diǎn)的位移量和位移方向，從而深入了解該處結(jié)構(gòu)的變化和演化過(guò)程。

42、本發(fā)明適用于多種監(jiān)測(cè)情況，包括頂板巖層、洞室和邊坡，對(duì)于頂板巖層監(jiān)測(cè)，本發(fā)明可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖層的位移情況，預(yù)警可能的巖石坍塌或頂板失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，在洞室監(jiān)測(cè)方面，該發(fā)明可幫助監(jiān)測(cè)洞室內(nèi)部巖體的變形和位移，及時(shí)發(fā)現(xiàn)洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)的損壞或變形，保障洞室的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，針對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)。

43、本發(fā)明能夠?qū)吰逻M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警邊坡的位移和滑坡風(fēng)險(xiǎn)，為防災(zāi)減災(zāi)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，該監(jiān)測(cè)設(shè)備適用于各種安裝角度，包括橫向、傾斜和縱向等各種安裝條件，并且在這些情況下都能正常運(yùn)行。

44、本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析傾角傳感器的測(cè)量影響指數(shù)，并與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，可以有效地提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和精確性，這種方法使得任何超出閾值的情況能夠迅速被檢測(cè)并通過(guò)異常提示通知相關(guān)工作人員，從而可以及時(shí)進(jìn)行設(shè)備調(diào)整或維修，避免因設(shè)備精度下降而引起的數(shù)據(jù)誤差和可能的安全風(fēng)險(xiǎn)，此外，當(dāng)測(cè)量指數(shù)在閾值之下時(shí)，確認(rèn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和巖層移動(dòng)分析的準(zhǔn)確性，提高了整體作業(yè)的效率和安全性。