基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法，屬于礦業(yè)和巖土工程安全檢測與監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

地下空間圍巖存在片幫、頂板冒落、突水及巖爆動力災(zāi)害等危險，不僅造成支護(hù)失效，影響工程進(jìn)度，甚至產(chǎn)生地震，對工作人員和設(shè)備構(gòu)成了直接威脅。錨桿支護(hù)已成為世界各國礦井巷道及其它地下工程支護(hù)的一種主要形式，因此錨桿錨固區(qū)的穩(wěn)定性問題尤為重要。隨著地下空間開發(fā)和開采深度的不斷增加，地應(yīng)力越來越高，使得圍巖破壞頻度和強(qiáng)度越來越高，工程災(zāi)害日益嚴(yán)重，安全問題亟待解決。

目前利用極化率判斷圍巖災(zāi)害的方式，主要通過人工電流場一次場或激發(fā)場的作用，使具有不同電化學(xué)性質(zhì)的巖石或礦石，在電化學(xué)作用產(chǎn)生隨時間變化的二次電場(激發(fā)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(xiàn)象，但根據(jù)前兆現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測其結(jié)果準(zhǔn)確性比較低，極化率前兆機(jī)制尚不明確，圍巖破壞的極化率前兆信息監(jiān)測相對困難，監(jiān)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(fā)極化監(jiān)測方法的儀器不能大范圍的適用不同圍巖災(zāi)害監(jiān)測。

另外目前關(guān)于圍巖監(jiān)測主要是圍巖變形監(jiān)測，圍巖變形監(jiān)測中有的預(yù)警效果不理想，有的監(jiān)測成本高，有的無法實現(xiàn)全方位實時監(jiān)測。針對圍巖的聲發(fā)射監(jiān)測，其安裝監(jiān)測過程相對繁瑣復(fù)雜而且費(fèi)用高，對整個安裝質(zhì)量的要求也較高，監(jiān)測數(shù)據(jù)的后期分析復(fù)雜和不方便，實際使用效果并不理想。針對現(xiàn)有技術(shù)存在一定的技術(shù)問題，有必要探尋利用新的有效監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)實現(xiàn)圍巖災(zāi)害實時監(jiān)測的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的準(zhǔn)確性低、過程繁瑣、無法大范圍監(jiān)測災(zāi)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(zhǔn)確性較高、應(yīng)用范圍廣的基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法，其特征在于：設(shè)置地下空間圍巖災(zāi)害實時監(jiān)測裝置，包括供電電極、測量電極、電法儀、錨桿和主控計算機(jī)，主控計算機(jī)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(dǎo)線連接，供電電極和測量電極分別與在地下空間圍巖監(jiān)測區(qū)域錨桿連接，

監(jiān)測步驟如下：

步驟1001：在地下空間圍巖錨固監(jiān)測區(qū)，根據(jù)監(jiān)測范圍設(shè)置監(jiān)測區(qū)邊界錨桿，按監(jiān)測區(qū)邊界錨桿的間距布置供電電極，將供電電極與監(jiān)測區(qū)邊界錨桿連接；

步驟1002：監(jiān)測區(qū)邊界錨桿的間距內(nèi)，根據(jù)測量范圍設(shè)置測量區(qū)邊界錨桿，按測量區(qū)邊界錨桿的間距布置測量電極，將測量電極與測量區(qū)邊界錨桿連接；

步驟1003：將供電電極和測量電極通過導(dǎo)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(shè)備實施監(jiān)測，供電電極對監(jiān)測區(qū)邊界錨桿通電，電法儀通過測量電極測定測量區(qū)邊界錨桿之間圍巖的電阻率；

步驟1005：電法儀與主控計算機(jī)通信測量結(jié)果；

步驟1006：主控計算機(jī)對監(jiān)測到的地下空間圍巖錨固測量區(qū)的電阻率進(jìn)行實時記錄和分析；

步驟1007：判斷得到監(jiān)測范圍內(nèi)不同間隔時段的圍巖電阻率及其變化規(guī)律與特征，根據(jù)間隔時段圍巖電阻率的變化趨勢、規(guī)律與特征判斷是否符合設(shè)定的前兆模式，如果符合設(shè)定的前兆模式，進(jìn)入步驟1008，否則，返回步驟1006繼續(xù)監(jiān)測分析；

步驟1008：執(zhí)行判斷災(zāi)害流程。

優(yōu)選的，所述的步驟1008中的判斷災(zāi)害流程，包括如下步驟：

步驟2001：電阻率的變化趨勢符合設(shè)定的前兆模式，進(jìn)入步驟2002；

步驟2002：主控計算機(jī)判斷是否存在發(fā)生圍巖災(zāi)害的可能性，如果存在發(fā)生圍巖災(zāi)害的可能性，執(zhí)行步驟2003，如果不存在發(fā)生圍巖災(zāi)害的可能性，執(zhí)行步驟2005；

步驟2003：確定圍巖災(zāi)害的范圍，并同時執(zhí)行步驟2004和步驟2005；

步驟2004：發(fā)布圍巖災(zāi)害的預(yù)警級別；

步驟2005：主控計算機(jī)進(jìn)行報警。

優(yōu)選的，所述的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測裝置還包括聲光報警裝置，聲光報警裝置與主控計算機(jī)相連接，主控計算機(jī)通過聲光報警裝置進(jìn)行報警。

優(yōu)選的，所述的測量區(qū)邊界錨桿位于監(jiān)測區(qū)邊界錨桿之間形成的直線上。

優(yōu)選的，所述的監(jiān)測區(qū)邊界錨桿間隔范圍為大于1.8m。

優(yōu)選的，所述的測量區(qū)邊界錨桿的間隔范圍小于等于在監(jiān)測區(qū)范圍內(nèi)與兩側(cè)的監(jiān)測區(qū)邊界錨桿相鄰的兩根錨桿的間距，大于等于監(jiān)測區(qū)邊界錨桿間隔范圍內(nèi)的兩根相鄰錨桿的最小間距。

本發(fā)明的工作原理為：兩端的供電電極通過監(jiān)測區(qū)邊界錨桿對監(jiān)測區(qū)邊界錨桿所在圍巖通電，使監(jiān)測的圍巖區(qū)域?qū)щ姡瑴y量電極設(shè)置在兩個供電電極之間，測量電極通過測量區(qū)邊界錨桿測量地下空間圍巖錨固測量區(qū)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(jī)，主控計算機(jī)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(jìn)入判斷災(zāi)害流程，若不符合返回繼續(xù)監(jiān)測。判斷災(zāi)害流程，通過主控計算機(jī)判斷圍巖災(zāi)害發(fā)生的可能性，判斷是否發(fā)出預(yù)警及判斷預(yù)警范圍和級別。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：

1、本發(fā)明的基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法，具有操作與后期分析簡單、自動化程度高、對圍巖無損傷、準(zhǔn)確性較高、應(yīng)用范圍廣、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時可靠并且可以實現(xiàn)分級預(yù)警的有益效果。

2、本發(fā)明操作與后期分析簡單：利用錨桿作為導(dǎo)體監(jiān)測錨固區(qū)及圍巖的電阻率，只需將四個電極與四個錨桿連接，連接過程簡單，監(jiān)測范圍就是與測量電極相連接的兩根錨桿之間的范圍，監(jiān)測范圍可任意調(diào)整，整個監(jiān)測過程不影響工程的正常進(jìn)行；后期分析簡單，電阻率的變化趨勢、規(guī)律與特征如果符合設(shè)定的前兆模式即發(fā)出預(yù)警，進(jìn)一步確保工作人員和設(shè)備的安全。

3、本發(fā)明自動化程度高：利用原有的錨桿，無需另外開挖圍巖，實現(xiàn)了對圍巖的無損監(jiān)測，由電法儀及主控計算機(jī)程序?qū)崟r采集和顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制圖形與分析，自動化程度進(jìn)一步增強(qiáng)，節(jié)省了人力、物力。

4、本發(fā)明對圍巖無損傷：利用圍巖層中原有的錨桿連接電極，代替電極在圍巖層中的作用，因此無需在圍巖層中另外設(shè)置電極，節(jié)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(fā)明準(zhǔn)確性較高：監(jiān)測的電阻率，是巖石電學(xué)特性最重要的參數(shù)，通過觀測巖石電阻率的變化，可反推巖石的力學(xué)性質(zhì)，可判斷巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，可對巖石破壞進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測機(jī)制比較明確，準(zhǔn)確性較高，監(jiān)測過程相對簡單。

6、本發(fā)明應(yīng)用范圍廣：基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測可應(yīng)用于圍巖的大變形、片幫、底鼓、頂板冒落、巖爆動力災(zāi)害、突水等預(yù)測預(yù)報上，本發(fā)明所采用的儀器可采用電法檢測方面的所有儀器，相比激發(fā)極化監(jiān)測方法的儀器，所適用儀器更廣泛，操作更方便。

7、本發(fā)明監(jiān)測數(shù)據(jù)實時可靠：基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測，監(jiān)測精度高，受外界的干擾影響小，使得監(jiān)測到的數(shù)據(jù)更真實可靠；電法儀及主控計算機(jī)程序?qū)崟r采集和顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制圖形與分析，實現(xiàn)了對圍巖的全程控實時監(jiān)測。

8、本發(fā)明災(zāi)害監(jiān)測實現(xiàn)分級預(yù)警：通過對監(jiān)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(guī)律與特征，根據(jù)其符合設(shè)定的前兆模式的情況，判斷其是否發(fā)生災(zāi)害及確定災(zāi)害范圍，發(fā)出預(yù)警并根據(jù)災(zāi)害范圍發(fā)布預(yù)警級別。

附圖說明

圖1實施例1基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法示意圖。

圖2供電電極和測量電極布置示意圖。

圖3基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法流程圖。

圖4基于圖3的判斷災(zāi)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(jī)5、聲光報警裝置6、監(jiān)測區(qū)邊界錨桿7、測量區(qū)邊界錨桿。

具體實施方式

圖1~4是本發(fā)明的最佳實施例，下面結(jié)合附圖1~4對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法，包括一個實時監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)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(jī)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(jī)4相連，主控計算機(jī)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(shè)置有處于同一條直線上的多根錨桿，相鄰兩根錨桿之間的間距為0.4~1.6m，最外端的兩根錨桿為監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6，兩根監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6間隔范圍≥1.8m，兩根監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6間隔形成位于地下空間圍巖中的監(jiān)測區(qū)域，兩根監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6與相應(yīng)的供電電極1共同形成監(jiān)測區(qū)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(jiān)測區(qū)邊界錨桿6接觸圍巖，向圍巖發(fā)射電流，以建立人工電場。

位于兩根監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6之間有若干錨桿，按一定間隔范圍選擇兩根錨桿與兩根測量電極2相連，選中的錨桿為測量區(qū)邊界錨桿7，測量區(qū)邊界錨桿7與相應(yīng)的測量電極2共同構(gòu)成測量區(qū)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(qū)邊界錨桿7的間隔范圍mn小于等于在監(jiān)測區(qū)范圍內(nèi)與兩側(cè)的監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6相鄰的兩根錨桿的間距，大于等于監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6間隔范圍內(nèi)的兩根相鄰錨桿的最小間距。mn之間可以間隔不同數(shù)量的錨桿，使測量范圍mn擴(kuò)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(dǎo)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(jī)4相互通信，主控計算機(jī)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(jiān)測區(qū)域相應(yīng)的錨桿連接，電法儀3與主控計算機(jī)4對監(jiān)測到的地下空間圍巖及錨固區(qū)的電阻率進(jìn)行實時記錄和分析。針對錨桿支護(hù)區(qū)監(jiān)測，利用錨桿作為導(dǎo)體監(jiān)測錨固區(qū)及圍巖的電阻率。在本實時監(jiān)測系統(tǒng)中，利用圍巖層中原有的錨桿連接電極，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(dú)設(shè)置電極，節(jié)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范圍內(nèi)不斷變化，圍巖電阻率的變化會隨著地應(yīng)力的升高不斷降低，但降低幅度越來越小，最后圍巖發(fā)生破壞時電阻率升高，因此通過對圍巖電阻率的變化的監(jiān)測來判斷圍巖及錨固區(qū)的穩(wěn)定性。在本基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法中，通過觀測巖石電阻率的變化反推出巖石的力學(xué)性質(zhì)，從而可以對巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行判斷，實現(xiàn)了對巖石破壞的預(yù)測。而比較傳統(tǒng)的利用電場對圍巖進(jìn)行判斷的技術(shù)方案中，一般通過極化率實現(xiàn)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(xiàn)象實現(xiàn)判斷，而這種技術(shù)方案準(zhǔn)確性較低，極化率前兆機(jī)制尚不明確，圍巖破壞的極化率前兆信息監(jiān)測相對困難，監(jiān)測過程繁瑣。因此本申請的相比較傳統(tǒng)的技術(shù)方案，具有預(yù)測機(jī)制明確，準(zhǔn)確性高，且監(jiān)測過程相對簡單的優(yōu)點。

如圖3所示，本基于錨桿的地下空間圍巖災(zāi)害電阻率實時監(jiān)測方法，具體監(jiān)測步驟如下：

步驟1001：在地下空間圍巖錨固監(jiān)測區(qū)，根據(jù)監(jiān)測范圍設(shè)置監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6，按監(jiān)測區(qū)邊界錨桿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(jiān)測區(qū)邊界錨桿6連接；

步驟1002：監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6的間距內(nèi)，根據(jù)測量范圍設(shè)置測量區(qū)邊界錨桿7，按測量區(qū)邊界錨桿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(qū)邊界錨桿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(dǎo)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(shè)備實施監(jiān)測，a、b兩個供電電極1對監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6通電，電法儀3通過m、n兩個測量電極2測定測量區(qū)邊界錨桿7之間圍巖的電阻率；

步驟1005：電法儀3與主控計算機(jī)4通信測量結(jié)果；

步驟1006：主控計算機(jī)4對監(jiān)測到的地下空間圍巖錨固測量區(qū)的電阻率進(jìn)行實時記錄和分析；

步驟1007：判斷得到監(jiān)測范圍內(nèi)不同間隔時段的圍巖電阻率及其變化規(guī)律與特征，根據(jù)間隔時段圍巖電阻率的變化趨勢、規(guī)律與特征判斷是否符合設(shè)定的前兆模式，如果符合設(shè)定的前兆模式，進(jìn)入步驟1008，否則，返回步驟1006繼續(xù)監(jiān)測分析；

步驟1008：執(zhí)行判斷災(zāi)害流程。

如圖4所示，所述的步驟1008的判斷災(zāi)害流程如下：

步驟2001：電阻率的變化趨勢符合設(shè)定的前兆模式，進(jìn)入步驟2002；

步驟2002：主控計算機(jī)4判斷是否存在發(fā)生圍巖災(zāi)害的可能性，如果存在發(fā)生圍巖災(zāi)害的可能性，執(zhí)行步驟2003，如果不存在發(fā)生圍巖災(zāi)害的可能性，執(zhí)行步驟2005；

步驟2003：確定圍巖災(zāi)害的范圍，并同時執(zhí)行步驟2004和步驟2005；

步驟2004：發(fā)布圍巖災(zāi)害的預(yù)警級別；

步驟2005：主控計算機(jī)4驅(qū)動聲光報警裝置5進(jìn)行報警。

本實施例的工作過程為：a、b兩個供電電極1對監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測區(qū)邊界錨桿6通電，m、n兩個測量電極2與測量區(qū)的測量區(qū)邊界錨桿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(qū)的電阻率，通信到主控計算機(jī)4，主控計算機(jī)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(jī)4繼續(xù)監(jiān)測電阻率的變化情況是否符合前兆模式。進(jìn)入前兆模式后，判斷監(jiān)測區(qū)域是否發(fā)生災(zāi)害及確定災(zāi)害范圍，若發(fā)生災(zāi)害，啟動聲光報警裝置5，發(fā)出預(yù)警并根據(jù)災(zāi)害范圍發(fā)布預(yù)警級別，若不發(fā)生，只啟動聲光報警裝置5。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)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(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。