基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法

权利要求

1.使用基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，其特征在于：

所述基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，包括吸能防冲锚索、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、数据传输线(17)、数据采集装置、数据处理系统；所述吸能防冲锚索包括钢绞线锚索(2)、吸能防冲装置、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)、承压托盘(1)，所述吸能防冲装置包括外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、挤胀摩擦头(5)；所述外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、挤胀摩擦头(5)、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)依次共轴套装在钢绞线锚索(2)的末端；

所述外套筒(3)为外圆内圆套筒，所述外套筒(3)在首端端面设有与外套筒(3)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径且小于外套筒(3)内径的第一圆形通孔，所述外套筒(3)在末端加工有外螺纹；所述承压托盘(1)在首端设置为圆柱型连接头、在末端设置为圆柱体或四棱柱体，所述承压托盘(1)上设有与承压托盘(1)共轴的第二圆形通孔，所述第二圆形通孔的位于圆柱型连接头的部分设置有内螺纹；所述外套筒(3)的末端与所述承压托盘(1)的首端通过螺纹相连接；

所述承载限位基座(8)为圆柱体，所述承载限位基座(8)上设有与承载限位基座(8)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第三圆形通孔，所述承载限位基座(8)在末端端面加工有与所述承载限位基座(8)共轴的内径等于内套筒(4)内径且宽度等于内套筒(4)壁厚的环状限位凹槽；所述内套筒(4)坐于所述环状限位凹槽内；

所述挤胀摩擦头(5)为首端呈锥形的柱状刚性台，所述挤胀摩擦头(5)上设有与挤胀摩擦头(5)共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第四圆形通孔；所述主动增卸压液压装置(9)的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头(5)的末端端面，所述主动增卸压液压装置(9)在末端通过锚索锁具(18)约束紧固；

所述弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)设置在所述内套筒(4)内部、所述承载限位基座(8)与挤胀摩擦头(5)之间，所述环饼式压力传感器(10)上设有与环饼式压力传感器(10)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第五圆形通孔，所述环饼式压力传感器(10)的外径小于所述内套筒(4)的内径；所述挤胀摩擦头(5)上还设置有数据引线孔(6)，所述数据传输线(17)的一端与所述环饼式压力传感器(10)的输出端连接、另一端穿过所述数据引线孔(6)后与所述数据采集装置的输入端连接；

所述数据采集装置与所述数据处理系统有线或无线连接；

所述环饼式压力传感器(10)用于将自身监测到的压力p传输给所述数据采集装置，所述数据采集装置用于将接收到的压力p传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统用于根据压力p计算弹簧(7)的压缩位移用于根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算钢绞线锚索(2)在阻力F作用下产生的位移用于计算围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k为弹簧(7)的劲度系数，L、E、A分别为钢绞线锚索(2)的长度、弹性模量、横截面面积；

所述主动增卸压液压装置(9)包括缸筒(12)、活塞杆(11)；

所述缸筒(12)、活塞杆(11)上均开设有与所述缸筒(12)共轴的圆形通孔；

所述活塞杆(11)为工字形，所述缸筒(12)、活塞杆(11)之间形成互不连通的上腔(13)、下腔(14)；所述上腔(13)连通有上腔进油增压管路(15)，所述下腔(14)连通有下腔进油卸压管路(16)；

所述活塞杆(11)的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头(5)的末端端面，所述缸筒(12)在末端通过锚索锁具(18)约束紧固；

所述挤胀摩擦头(5)在末端端面设有退锚螺纹孔(19)；

利用所述基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，包括下述步骤：

步骤1：以三个围岩梯度变形监测装置为一个围岩梯度变形监测组，确定围岩梯度变形监测组内三根钢绞线锚索(2)的长度分别为L1＝n1×R0、L2＝n2×R0、L3＝n3×R0；其中，R0为掘进巷道围岩稳定后在巷帮煤体中部采用钻屑法测量的煤体峰值应力距煤壁的深度，n1、n2、n3均为系数，n1＝1.3～1.5，n2＝0.9～1.0，n3＝0.5～0.7；

步骤2：确定围岩梯度变形监测组内长度为L1、L2、L3的钢绞线锚索(2)对应的内套筒(4)的长度分别为(4％～8％)L1、(2％～4％)L2、(1％～2％)L3；

步骤3：确定围岩梯度变形监测组的空间布置参数：

步骤3.1：对工作面进行冲击危险性初步评价；所述工作面为掘进工作面或采煤工作面；

步骤3.2：在掘进工作面滞后迎头5～10m开始、在掘进相反方向上的100～200m范围内布置围岩梯度变形在线测点，在采煤工作面距离工作煤壁前10～20m开始、在采煤方向上的100～300m范围内布置围岩梯度变形在线测点；同一围岩梯度变形监测组内相邻吸能防冲锚索的间距为1～2m，根据冲击危险性初步评价结果确定相邻围岩梯度变形监测组沿巷道走向的间距a；

步骤4：进行巷道施工在每一个围岩梯度变形在线测点安设一个围岩梯度变形监测组；

步骤5：每个围岩梯度变形监测组内第i∈{1,2,3}个围岩梯度变形监测装置中的环饼式压力传感器(10)将自身监测到的压力pi通过数据采集装置传输给数据处理系统，数据处理系统根据压力pi计算第i个围岩梯度变形监测装置中弹簧(7)的压缩位移根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算第i个围岩梯度变形监测装置中钢绞线锚索(2)在阻力F作用下产生的位移计算第i个围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔLi＝Δli+Δli'，并计算该围岩梯度变形监测组监测到的巷道冲击危险性判别指标为并根据巷道冲击危险性判别指标判断巷道冲击危险性等级：

若则巷道冲击危险性等级为无；

若则巷道冲击危险性等级为弱；

若则巷道冲击危险性等级为中；

若则巷道冲击危险性等级为强；

其中，α为调整系数，0＜α≤1；

步骤6：根据的实时监测数据绘制随时间t变化的曲线，来实时显示监测区域的冲击危险性。

2.根据权利要求1所述使用基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，其特征在于，所述步骤3.2中，根据冲击危险性初步评价结果确定相邻围岩梯度变形监测组沿巷道走向的间距a，包括：若冲击危险性初步评价结果为强，则a＝10～15m；若冲击危险性初步评价结果为中，则a＝15～20m；若冲击危险性初步评价结果为弱，则a＝20～25m；若冲击危险性评价结果为无，则不布置在线测点。

3.根据权利要求2所述使用基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，其特征在于，随着掘进工作的进行，当掘进工作面迎头与距离掘进工作面迎头最近的监测组之间的距离大于25m时，将距离掘进工作面迎头最远的监测组移到距离掘进工作面迎头最近的监测组前方a处；随着采煤工作的进行，当采煤工作面与距离采煤工作面最近的监测组之间的距离小于10m时，将距离采煤工作面最近的监测组移到距离采煤工作面最远的监测组前方a处。

4.根据权利要求1所述使用基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，其特征在于，所述步骤3.1中，对工作面进行冲击危险性初步评价采用的方法是综合指数法。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山安全技术领域，特别是涉及基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法。

背景技术

煤炭是我国工业的基础，煤炭安全生产、高效利用无疑至关重要。然而，随着我国煤炭开采逐渐向深部发展，煤矿巷道冲击地压灾害成为了煤矿安全生产的重大威胁。冲击地压是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。也就是说，冲击地压的本质是围岩弹性变形能量的突然释放，而弹性变形能是采矿活动导致巷道围岩应力积聚的结果，因此有效监测与分析围岩应力在时间上和空间上的分布及其变化对冲击地压的预警、防治工作显得尤为重要。

目前，巷道围岩的应力监测大多采用传统的深浅孔应力计。专利CN102914393 B公开了一种主动承压式可定位钻孔应力计及其使用方法，该专利具有主动承压功能，能及时判定动应力的变化规律，全程动态定量监测危险区域的应力变化情况。专利CN103454020 B提供一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测系统及方法，该方法能够实时在线监测应力值及其变化。CN108507708 A公布了一种煤岩钻孔应力测量装置及其测量方法，其利用悬臂梁结构，可测出煤岩应力变化值，计算出平面最大最小主应力并通过磁传感器判别出主应力方向。以上应力计的设计均从工程实际给出了创新突破。

冲击地压巷道开挖后，在采动应力与原岩应力的作用下，巷道围岩在径向方向上形成弹性区、塑性区和破碎区的梯度围岩结构。目前，现有的应力监测装置与方法均监测2～3倍巷道跨度范围内的塑性区和破碎区内围岩垂直于应力计轴向的相对应力。而现场冲击地压监测工程表明，在围岩强度低、损伤劣化的煤层巷道中，2～3倍巷道跨度深的应力计根本无法有效监测出煤体的真实应力变化，甚至随着巷帮移近变形，应力计出现大量应力监测值降低的异常情况。其原因在于：(1)深部煤体巷道围岩更加破碎，围岩松动破碎圈更加发育且常常大于2～3倍巷道跨度，传统应力计本身的缺陷导致其只能安装在钻孔中，而钻孔深度往往达不到深部煤体，导致安装于巷道围岩松动圈中的传统应力计多处于煤岩软化、残余应力环境中，无法有效监测到导致有害弹性变形能积聚的煤岩应力及其变化；(2)传统应力计本身的缺陷导致其只能测量钻孔径向变形，目前还无法有效监测采动应力或是水平构造应力导致的巷道围岩沿钻孔径向压缩的方向的相对应力。而专利CN109209457A提供了一种吸能防冲锚索及其使用方法，但未给出利用其监测巷道围岩变形及进行冲击地压预警的相关方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法，能够利用锚索实现带阻让位测量围岩形变，提高围岩梯度变形监测的精度和巷道冲击地压预警的实时性、准确性，并降低监测和预警成本。

本发明的技术方案为：

一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，其特征在于：包括吸能防冲锚索、弹簧、环饼式压力传感器、数据传输线、数据采集装置、数据处理系统；所述吸能防冲锚索包括钢绞线锚索、吸能防冲装置、主动增卸压液压装置、锚索锁具、承压托盘，所述吸能防冲装置包括外套筒、承载限位基座、内套筒、挤胀摩擦头；所述外套筒、承载限位基座、内套筒、弹簧、环饼式压力传感器、挤胀摩擦头、主动增卸压液压装置、锚索锁具依次共轴套装在钢绞线锚索的末端；

所述外套筒为外圆内圆套筒，所述外套筒在首端端面设有与外套筒共轴的直径大于钢绞线锚索直径且小于外套筒内径的第一圆形通孔，所述外套筒在末端加工有外螺纹；所述承压托盘在首端设置为圆柱型连接头、在末端设置为圆柱体或四棱柱体，所述承压托盘上设有与承压托盘共轴的第二圆形通孔，所述第二圆形通孔的位于圆柱型连接头的部分设置有内螺纹；所述外套筒的末端与所述承压托盘的首端通过螺纹相连接；

所述承载限位基座为圆柱体，所述承载限位基座上设有与承载限位基座共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第三圆形通孔，所述承载限位基座在末端端面加工有与所述承载限位基座共轴的内径等于内套筒内径且宽度等于内套筒壁厚的环状限位凹槽；所述内套筒坐于所述环状限位凹槽内；

所述挤胀摩擦头为首端呈锥形的柱状刚性台，所述挤胀摩擦头上设有与挤胀摩擦头共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第四圆形通孔；所述主动增卸压液压装置的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头的末端端面，所述主动增卸压液压装置在末端通过锚索锁具约束紧固；

所述弹簧、环饼式压力传感器设置在所述内套筒内部、所述承载限位基座与挤胀摩擦头之间，所述环饼式压力传感器上设有与环饼式压力传感器共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第五圆形通孔，所述环饼式压力传感器的外径小于所述内套筒的内径；所述挤胀摩擦头上还设置有数据引线孔，所述数据传输线的一端与所述环饼式压力传感器的输出端连接、另一端穿过所述数据引线孔后与所述数据采集装置的输入端连接；

所述数据采集装置与所述数据处理系统有线或无线连接。

进一步的，所述环饼式压力传感器用于将自身监测到的压力p传输给所述数据采集装置，所述数据采集装置用于将接收到的压力p传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统用于根据压力p计算弹簧的压缩位移用于根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算钢绞线锚索在阻力F作用下产生的位移用于计算围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k为弹簧的劲度系数，L、E、A分别为钢绞线锚索的长度、弹性模量、横截面面积。

进一步的，所述主动增卸压液压装置包括缸筒、活塞杆；

所述缸筒、活塞杆上均开设有与所述缸筒共轴的圆形通孔；

所述活塞杆为工字形，所述缸筒、活塞杆之间形成互不连通的上腔、下腔；所述上腔连通有上腔进油增压管路，所述下腔连通有下腔进油卸压管路；

所述活塞杆的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头的末端端面，所述缸筒在末端通过锚索锁具约束紧固。

进一步的，所述挤胀摩擦头在末端端面设有退锚螺纹孔。

一种使用上述基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：以三个围岩梯度变形监测装置为一个围岩梯度变形监测组，确定围岩梯度变形监测组内三根钢绞线锚索的长度分别为L1＝n1×R0、L2＝n2×R0、L3＝n3×R0；其中，R0为掘进巷道围岩稳定后在巷帮煤体中部采用钻屑法测量的煤体峰值应力距煤壁的深度，n1、n2、n3均为系数，n1＝1.3～1.5，n2＝0.9～1.0，n3＝0.5～0.7；

步骤2：确定围岩梯度变形监测组内长度为L1、L2、L3的钢绞线锚索对应的内套筒的长度分别为(4％～8％)L1、(2％～4％)L2、(1％～2％)L3；

步骤3：确定围岩梯度变形监测组的空间布置参数：

步骤3.1：对工作面进行冲击危险性初步评价；所述工作面为掘进工作面或采煤工作面；

步骤3.2：在掘进工作面滞后迎头5～10m开始、在掘进相反方向上的100～200m范围内布置围岩梯度变形在线测点，在采煤工作面距离工作煤壁前10～20m开始、在采煤方向上的100～300m范围内布置围岩梯度变形在线测点；同一围岩梯度变形监测组内相邻吸能防冲锚索的间距为1～2m，根据冲击危险性初步评价结果确定相邻围岩梯度变形监测组沿巷道走向的间距a；

步骤4：进行巷道施工在每一个围岩梯度变形在线测点安设一个围岩梯度变形监测组；

步骤5：每个围岩梯度变形监测组内第i∈{1,2,3}个围岩梯度变形监测装置中的环饼式压力传感器将自身监测到的压力pi通过数据采集装置传输给数据处理系统，数据处理系统根据压力pi计算第i个围岩梯度变形监测装置中弹簧的压缩位移根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算第i个围岩梯度变形监测装置中钢绞线锚索在阻力F作用下产生的位移计算第i个围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔLi＝Δli+Δli'，并计算该围岩梯度变形监测组监测到的巷道冲击危险性判别指标为并根据巷道冲击危险性判别指标判断巷道冲击危险性等级：

若则巷道冲击危险性等级为无；

若则巷道冲击危险性等级为弱；

若则巷道冲击危险性等级为中；

若则巷道冲击危险性等级为强；

其中，α为调整系数，0＜α≤1；

步骤6：根据的实时监测数据绘制随时间t变化的曲线，来实时显示监测区域的冲击危险性。

进一步的，所述步骤3.2中，根据冲击危险性初步评价结果确定相邻围岩梯度变形监测组沿巷道走向的间距a，包括：若冲击危险性初步评价结果为强，则a＝10～15m；若冲击危险性初步评价结果为中，则a＝15～20m；若冲击危险性初步评价结果为弱，则a＝20～25m；若冲击危险性评价结果为无，则不布置在线测点。

进一步的，随着掘进工作的进行，当掘进工作面迎头与距离掘进工作面迎头最近的监测组之间的距离大于25m时，将距离掘进工作面迎头最远的监测组移到距离掘进工作面迎头最近的监测组前方a处；随着采煤工作的进行，当采煤工作面与距离采煤工作面最近的监测组之间的距离小于10m时，将距离采煤工作面最近的监测组移到距离采煤工作面最远的监测组前方a处。

进一步的，所述步骤3.1中，对工作面进行冲击危险性初步评价采用的方法是综合指数法。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的装置在吸能防冲锚索中设置弹簧与环饼式压力传感器，通过数据处理系统对环饼式压力传感器传输来的压力数据进行处理得到巷道围岩变形量，能够利用锚索实现带阻让位测量围岩形变，确保紧密切合围岩，提高围岩变形监测的精度，解决传统煤岩应力计在深部围岩破碎发育巷道中监测精度降低或失效的技术问题。

(2)本发明的装置在吸能防冲锚索中设置主动增卸压液压装置，能够实现锚索支护系统随时增压预紧补强，进一步提高围岩变形监测的精度，还能够实现吸能防冲锚索的灵活拆卸、重复利用，大大降低巷道围岩梯度变形监测与冲击地压危险性预警的成本。

(3)本发明的方法利用三个锚索长度不同的围岩梯度变形监测装置构成变形监测组，能够有效监测巷道深部围岩径向绝对变形量与梯度变形量，有效防止锚索支护力过大不能真实反映区域围岩的梯度变形特征，提高围岩梯度变形监测的精度；对巷道围岩不同深度处围岩变形大小、梯度及其增量进行实时监测，同时考虑梯度变形的时间效应来实时判断巷道冲击地压的危险等级，提高巷道冲击地压预警的实时性、准确性，实现支护、监测、预警的一体化，且不受监测密度高致施工量大的限制。

附图说明

图1为本发明基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置在安装状态下的结构示意图。

图2为本发明基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置在工作状态下的结构示意图。

图3为本发明主动增卸压液压装置、挤胀摩擦头、环饼式压力传感器、弹簧在钢绞线锚索上的组装结构示意图。

图4为图3中主动增卸压液压装置的主视图。

图5为图4中主动增卸压液压装置的C-C向剖视图。

图6为图3中挤胀摩擦头的左视图。

图7为图6中挤胀摩擦头的A-A向剖视图。

图8为图6中挤胀摩擦头的B-B向剖视图。

图9为传统应力计与本发明的基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置测量巷道围岩变形的原理对比图。

图10为本发明使用基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法的流程图。

图11为具体实施方式中掘进工作面围岩梯度变形监测组的布置示意图。

图12为具体实施方式中采煤工作面围岩梯度变形监测组的布置示意图。

图13为具体实施方式中围岩梯度变形监测组监测围岩应力的布置剖面图。

图中，1－承压托盘；2－钢绞线锚索；3－外套筒；4－内套筒；5－挤胀摩擦头；6－数据引线孔；7－弹簧；8－承载限位基座；9－主动增卸压液压装置；10－环饼式压力传感器；11－活塞杆；12－缸筒；13－上腔；14－下腔；15－上腔进油增压管路；16－下腔进油卸压管路；17－数据传输线；18－锚索锁具；19－退锚螺纹孔。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

如图1所示，为本发明基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置在安装状态下的结构示意图。本发明的基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置包括吸能防冲锚索、弹簧7、环饼式压力传感器10、数据传输线17、数据采集装置(图中未示出)、数据处理系统(图中未示出)。所述吸能防冲锚索包括钢绞线锚索2、吸能防冲装置、主动增卸压液压装置9、锚索锁具18、承压托盘1，所述吸能防冲装置包括外套筒3、承载限位基座8、内套筒4、挤胀摩擦头5。所述外套筒3、承载限位基座8、内套筒4、弹簧7、环饼式压力传感器10、挤胀摩擦头5、主动增卸压液压装置9、锚索锁具18依次共轴套装在钢绞线锚索2的末端。

所述外套筒3为外圆内圆套筒，所述外套筒3在首端端面设有与外套筒3共轴的直径大于钢绞线锚索2直径且小于外套筒3内径的第一圆形通孔，所述外套筒3在末端加工有外螺纹；所述承压托盘1在首端设置为圆柱型连接头、在末端设置为圆柱体或四棱柱体，所述承压托盘1上设有与承压托盘1共轴的第二圆形通孔，所述第二圆形通孔的位于圆柱型连接头的部分设置有内螺纹；所述外套筒3的末端与所述承压托盘1的首端通过螺纹相连接。

所述承载限位基座8为圆柱体，所述承载限位基座8上设有与承载限位基座8共轴的直径大于钢绞线锚索2直径的第三圆形通孔，所述承载限位基座8在末端端面加工有与所述承载限位基座8共轴的内径等于内套筒4内径且宽度等于内套筒4壁厚的环状限位凹槽；所述内套筒4坐于所述环状限位凹槽内。

如图3所示，所述挤胀摩擦头5为首端呈锥形的柱状刚性台，所述挤胀摩擦头5上设有与挤胀摩擦头5共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第四圆形通孔；所述主动增卸压液压装置9的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头5的末端端面，所述主动增卸压液压装置9在末端通过锚索锁具18约束紧固。

本实施例中，如图4至图5所示，主动增卸压液压装置9为一个液压控制的环形液压器，包括缸筒12、活塞杆11。所述缸筒12、活塞杆11上均开设有与所述缸筒12共轴的圆形通孔。所述活塞杆11为工字形，所述缸筒12、活塞杆11之间形成互不连通的上腔13、下腔14；所述上腔13连通有上腔进油增压管路15，所述下腔14连通有下腔进油卸压管路16。所述活塞杆11的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头5的末端端面，所述缸筒12在末端通过锚索锁具18约束紧固。

在本发明的围岩梯度变形监测装置安装完毕后，可采用液压油泵通过上腔进油增压管路15将油泵入上腔13内使活塞杆11伸出，实现锚索支护系统的随时主动增压预紧补强，提高围岩变形监测的精度。可通过下腔进油卸压管路16将油泵入下腔14内使活塞杆11缩回，主动卸压，实现外套筒3、弹簧7、环饼式压力传感器10、挤胀摩擦头5、主动增卸压液压装置9、锚索锁具18的灵活拆卸与重复利用，大大降低巷道围岩梯度变形监测与冲击地压危险性预警的成本。

本发明的主动增卸压液压装置9可为本领域技术人员熟知的锚索退锚机，如TMQ22-400锚索退锚机。

所述弹簧7、环饼式压力传感器10设置在所述内套筒4内部、所述承载限位基座8与挤胀摩擦头5之间，所述环饼式压力传感器10上设有与环饼式压力传感器10共轴的直径大于钢绞线锚索2直径的第五圆形通孔，所述环饼式压力传感器10的外径小于所述内套筒4的内径。如图6和图7所示，所述挤胀摩擦头5上还设置有数据引线孔6。所述数据传输线17的一端与所述环饼式压力传感器10的输出端连接、另一端穿过所述数据引线孔6后与所述数据采集装置的输入端连接。本实施例中，如图6和图8所示，挤胀摩擦头5还在末端端面设有退锚螺纹孔19，便于拆卸。

所述数据采集装置与所述数据处理系统有线或无线连接，实现数据的有线或无线传输。其中，数据处理系统可以为便携式电脑监测仪，也可以为矿上监控系统内的上位机。

如图2所示，为本发明基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置在工作状态下的结构示意图。巷道围岩变形时，吸能防冲锚索的挤胀摩擦头5在内套筒4内滑移，滑移阻力为吸能防冲锚索的设计阻力F，滑移过程中压缩内置的弹簧7与环饼式压力传感器10，利用锚索实现带阻让位测量围岩形变，确保紧密切合围岩，提高围岩变形监测的精度。其中，所述环饼式压力传感器10用于将自身监测到的压力p传输给所述数据采集装置，所述数据采集装置用于将接收到的压力p传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统用于利用胡克定律根据压力p计算弹簧7的压缩位移用于根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算钢绞线锚索2在阻力F作用下产生的位移用于计算围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k为弹簧7的劲度系数，弹簧7的劲度系数k与环饼式压力传感器10的测力精度相匹配，L、E、A分别为钢绞线锚索2的长度、弹性模量、横截面面积。

如图9所示，为传统应力计与本发明的基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置测量巷道围岩变形的原理对比图。传统煤岩应力计只能安装在钻孔中从而只能测量钻孔径向变形，而且钻孔深度往往达不到深部煤体，导致安装于巷道围岩松动圈中的传统应力计多处于煤岩软化、残余应力环境中，无法有效监测到导致有害弹性变形能积聚的煤岩应力及其变化，导致传统应力计在深部围岩破碎发育巷道中监测精度降低或失效。而本发明的基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置由于可以安装入深部煤体，从而可以在深部围岩破碎发育巷道中有效监测围岩变形，而且本发明的吸能防冲锚索内置的弹簧7的劲度系数可调，可以通过弹簧7的微小变形测量围岩的大变形，使得本发明的装置监测巷道围岩变形的准确性比基于应力解除、钻孔缩径压缩的传统应力计更高。

如图10所示，本发明的使用上述基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法包括下述步骤：

步骤1：以三个围岩梯度变形监测装置为一个围岩梯度变形监测组(也即一个监测站)，确定围岩梯度变形监测组内三根钢绞线锚索2的长度分别为L1＝n1×R0、L2＝n2×R0、L3＝n3×R0；其中，R0为掘进巷道围岩稳定后在巷帮煤体中部采用钻屑法测量的煤体峰值应力距煤壁的深度，n1、n2、n3均为系数，n1＝1.3～1.5，n2＝0.9～1.0，n3＝0.5～0.7。其中，围岩梯度变形监测组中钢绞线锚索长度为L2的围岩梯度变形监测装置位于钢绞线锚索长度为L1和L3的围岩梯度变形监测装置之间。

步骤2：确定围岩梯度变形监测组内长度为L1、L2、L3的钢绞线锚索2对应的内套筒4的长度分别为(4％～8％)L1、(2％～4％)L2、(1％～2％)L3。

步骤3：确定围岩梯度变形监测组的空间布置参数：

步骤3.1：对工作面进行冲击危险性初步评价；所述工作面为掘进工作面或采煤工作面；

步骤3.2：在掘进工作面滞后迎头5～10m开始、在掘进相反方向上的100～200m范围内布置围岩梯度变形在线测点，在采煤工作面距离工作煤壁前10～20m开始、在采煤方向上的100～300m范围内布置围岩梯度变形在线测点。同一围岩梯度变形监测组内相邻吸能防冲锚索的间距为1～2m，根据冲击危险性初步评价结果确定相邻围岩梯度变形监测组沿巷道走向的间距a。

步骤3.1中，对工作面进行冲击危险性初步评价的方法可以为本领域技术人员熟知的任何方法。

步骤3.2中，根据冲击危险性初步评价结果确定相邻围岩梯度变形监测组沿巷道走向的间距a，包括：若冲击危险性初步评价结果为强，则a＝10～15m；若冲击危险性初步评价结果为中，则a＝15～20m；若冲击危险性初步评价结果为弱，则a＝20～25m；若冲击危险性评价结果为无，则不布置在线测点。

本实施例中，采用综合指数法进行冲击危险性初步评价。如表1所示，根据工作面的冲击地压危险性综合评定指数W＝max{W1,W2}来确定巷道冲击地压危险性等级。

表1

冲击地压危险性综合评定指数W巷道冲击地压危险性等级W<0.25无0.25≤W＜0.5弱0.5≤W＜0.75中W≥0.75强

其中，W1为考虑地质因素对冲击地压的影响计算的冲击地压危险性评定指数；W2为考虑采矿技术因素对冲击地压的影响计算的冲击地压危险性评定指数。

m、n分别为地质因素总数、采矿技术因素总数；w1i为第i个地质因素的权重，w1imax为第i个地质因素的权重最大值；w2j为第j个采矿技术因素的权重，w2jmax为第j个采矿技术因素的权重最大值。

本实施例中，根据1303工作面的地质条件，对各地质因素、采矿技术因素的权重进行确定，如表2和表3所示：

表2

表3

根据表2和表3，计算得到W1＝0.71，W2＝0.46，从而W＝max{W1,W2}＝0.71。根据表1，判断得出1303工作面的冲击地压危险性等级为中，从而在本实施例中a＝15～20m。

步骤4：进行巷道施工在每一个围岩梯度变形在线测点安设一个围岩梯度变形监测组。

如图11，随着掘进工作的进行，当掘进工作面迎头与距离掘进工作面迎头最近的监测组之间的距离大于25m时，将距离掘进工作面迎头最远的监测组移到距离掘进工作面迎头最近的监测组前方a处，监测组交替向前移动。如图12所示，随着采煤工作的进行，当采煤工作面与距离采煤工作面最近的监测组之间的距离小于10m时，将距离采煤工作面最近的监测组移到距离采煤工作面最远的监测组前方a处，监测组交替向前移动。

如图13所示，为本实施例中围岩梯度变形监测组监测围岩应力的布置剖面图。其中，钢绞线锚索2采用树脂锚固剂进行端部锚固。

步骤5：每个围岩梯度变形监测组内第i∈{1,2,3}个围岩梯度变形监测装置中的环饼式压力传感器10将自身监测到的压力pi通过数据采集装置传输给数据处理系统，数据处理系统根据压力pi计算第i个围岩梯度变形监测装置中弹簧7的压缩位移根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算第i个围岩梯度变形监测装置中钢绞线锚索2在阻力F作用下产生的位移计算第i个围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔLi＝Δli+Δli'，并计算该围岩梯度变形监测组监测到的巷道冲击危险性判别指标为并根据巷道冲击危险性判别指标判断巷道冲击危险性等级：

若则巷道冲击危险性等级为无；

若则巷道冲击危险性等级为弱；

若则巷道冲击危险性等级为中；

若则巷道冲击危险性等级为强；

其中，α为调整系数，0＜α≤1。α与煤岩条件有关。

步骤6：根据的实时监测数据绘制随时间t变化的曲线，来实时显示监测区域的冲击危险性。

本发明的方法利用三个锚索长度不同的围岩梯度变形监测装置构成变形监测组，能够有效监测巷道深部围岩径向绝对变形量与梯度变形量，有效防止锚索支护力过大不能真实反映区域围岩的梯度变形特征，提高围岩梯度变形监测的精度。本发明对巷道围岩不同深度处围岩变形大小、梯度及其增量进行实时监测，同时考虑巷帮“深部-浅部”围岩的梯度变形特征与梯度变形的时间效应来实时判断巷道冲击地压的危险等级，提高巷道冲击地压预警的实时性、准确性，实现支护、监测、预警的一体化，且不受监测密度高致施工量大的限制。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。