煤矿巷道围岩非对称变形控制系统及其方法

本发明属于巷道支护，具体是煤矿巷道围岩非对称变形控制系统及其方法。

背景技术：

1、在煤矿开采过程中，随着巷道的不断掘进，容易导致地质断层发生活化，例如煤层采空区的形成对原有地质应力产生影响等，进而发生错动，巷道容易发生非对称变形，不利于巷道的长期稳定。

2、现有的巷道加固方式普遍采用支护加固，但巷道的变形主要由于周边围岩对巷道施加的不同应力变化或应力持续形变施压导致，原有支护只是对局部围岩进行巩固，当周边围岩施加的应力发生变化时，原有支护往往起不到相应的支护作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供煤矿巷道围岩非对称变形控制系统及其方法，能根据巷道周边的实际应力变化进行支撑，以实现对煤矿巷道围岩非对称变形的控制。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、煤矿巷道围岩非对称变形控制系统，包括位于巷道本体内的处理器和注浆机构，巷道本体外周向布置有若干监测机构；

4、巷道本体外沿由内到外的顺序依次设有破碎区、塑性区和弹性区；

5、监测机构包括管体，管体内依次设有可形变的第一形变带、可形变的第二形变带和可形变的第三形变带；第一形变带与破碎区对应，第二形变带与塑性区对应，第三形变带与弹性区对应；且监测机构内滑动配合配合有若干连接管，第一形变带通过连接管连通有第一液面传感器，第二形变带通过连接管连通有第二液面传感器，第三形变带通过连接管连通有第三液面传感器；

6、所述处理器用于录入已建立的巷道分布模型；并基于各监测机构对应的巷道分布位置标记添加至巷道分布模型中；

7、在单位时间内，第一液面传感器、第二液面传感器或第三液面传感器用于测量对应连接管的液面变化数据，并将液面变化数据发送至处理器，处理器基于液面变化数据获取对应的监测机构的巷道分布位置标记；

8、处理器再对液面变化数据添加对应的破碎区、塑性区或弹性区的区域位置标记，其中第一液面传感器对应的液面变化数据的区域位置标记为破碎区，第二液面传感器对应的液面变化数据的区域位置标记为塑性区，第三液面传感器对应的液面变化数据的区域位置标记为弹性区；

9、处理器再基于巷道分布位置标记和区域位置标记将液面变化数据标记至巷道分布模型中相应的破碎区、塑性区或弹性区进行显示；

10、处理器基于巷道分布模型中破碎区、塑性区或弹性区中相邻的液面变化数据计算第一相差值，并基于第一相差值在巷道分布模型标记变形影响范围，并结合巷道分布模型中的变形影响范围调整注浆机构的注浆量；

11、处理器再基于巷道分布模型中同一监测机构上的破碎区、塑性区或弹性区之间的液面变化数据计算第二相差值，并基于第二相差值调整巷道分布模型中变形影响范围，并结合调整后的变形影响范围再次调节注浆量。

12、采用上述方案后实现了以下有益效果：

13、因外界因素的影响，比如煤矿持续开采过程中对原有围岩应力的破坏，从而导致原有支护的失效，而使得巷道出现非对称变形的情况出现加强；

14、外界围岩发生变形情况后会对第一形变带、第二形变带和第三形变带施加压力，而外界压力的变化使得第一形变带、第二形变带和第三形变带内部产生挤压作用力，使液体压入对应的第一液面传感器、第二液面传感器或第三液面传感器中；

15、通过第一液面传感器、第二液面传感器或第三液面传感器对液面变化数据进行测量，从而对巷道周边的变形情况进行了解，以了解变形影响范围，以及基于巷道分布模型中的变形影响范围调整注浆机构的注浆量，从而对巷道周边的非对称变形进行加固，从而能根据巷道周边的实际应力变化进行支撑，以实现对煤矿巷道围岩非对称变形的控制。

16、进一步，监测机构的管体远离巷道本体一端还设有电控缸，电控缸并与处理器电连接；

17、电控缸一端固定连接有呈z型的弹片，且弹片位于弹性区内。

18、有益效果：当弹性区发生应力变形时，弹片会起到消减应力的作用，同时，弹片会对弹性区施加的应力施加反作用力，以防止应力变形；通过电控缸调紧弹片的夹紧力度，从而提高弹片对围岩施压的支撑效果。

19、进一步，弹片的两端分别固定连接有支撑片，弹片并通过支撑片与电控缸固定连接，相邻的支撑片之间填充有海绵。

20、有益效果：通过支撑片能增大弹片与围岩的接触面积，而海绵能阻碍外界土壤进入弹片内部，为弹片的变形提供变形空间。

21、进一步，监测机构上还设有扩张机构，扩张机构位于监测机构上第一形变带、第二形变带或第三形变带的一侧；

22、扩张机构包括呈环形的滑动块，滑动块与监测机构滑动配合，滑动块并与第一形变带、第二形变带或第三形变带相抵，滑动块的上下两侧均固定连接有卡块，卡块包括倾斜部和卡槽部，监测机构靠近滑动块的一侧还开有滑槽，卡块位于滑槽内，卡块并与滑槽滑动配合；滑槽还连通有若干垂直的辅助槽，辅助槽内滑动配合有呈直角三角形的顶块，顶块与辅助槽的底部之间设有弹簧；

23、当顶块与卡块的倾斜部接触时，顶块与卡块滑动配合，当顶块与卡块的卡槽部接触时，顶块与卡块相抵。

24、有益效果：当第一形变带、第二形变带或第三形变带受外界围岩的挤压作用力而收缩时，第一形变带、第二形变带或第三形变带会发生横向位移，从而推动滑动块进行移动，当滑动块的卡块的倾斜部克服弹簧对顶块施加的阻力而进行横向移动后，顶块会与卡槽部相抵，因顶块的平行面与卡槽部的槽口相互平行，因此滑动块滑动后不能往后进行移动，从而增大监测机构上的开口，以增大注浆时的出浆口，从而增加浆液的扩散范围。

25、进一步，连接管内还设有流速传感器，流速传感器用于测量间隔时间的流速数据，并将流速数据发送至处理器，处理器基于间隔时间前后的流速数据，得到流速变化值，并将流速变化值与设定的警戒值进行对比，若流速变化值大于警戒值，则处理器向外界发送警戒指令，若流速变化值小于警戒值，则向处理器发送持续比对指令。

26、有益效果：通过对间隔时间的流速变化值进行确定，以便于确定外界围岩的变形情况是否出现较大波动或监测机构是否出现破碎情况，从而发出警戒指令进行提醒工作人员进行处理。

27、进一步，煤矿巷道围岩非对称变形的控制方法，根据上述的煤矿巷道围岩非对称变形控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一、在巷道本体上周向钻取安装孔，并将监测机构放置于安装孔内，使弹片位于弹性区内并与监测机构的电控缸相抵，使监测机构的第一形变带、第二形变带和第三形变带布置在破碎区、塑性区和弹性区内；

28、步骤二、通过连接管向第一形变带、第二形变带或第三形变带内注入液体进行填充，使第一形变带、第二形变带或第三形变带与外界围岩进行接触，再将第一液面传感器、第二液面传感器或第三液面传感器分别与对应的连接管连接，并根据第一液面传感器、第二液面传感器或第三液面传感器显示的液面数据作为基础参照数据存储至处理器内，并将巷道分布模型输入并保存至处理器中；

29、同时，第一形变带、第二形变带或第三形变带通过推动扩张机构调整监测机构上的开口大小；

30、步骤三、处理器基于各监测机构对应的第一液面传感器、第二液面传感器或第三液面传感器测量的液面变化数据标记在巷道分布模型中对应的破碎区、塑性区和弹性区位置，并基于当前时间的液面变化数据确定变形影响范围，再基于变形影响范围调节各破碎区、塑性区和弹性区的注浆量，并基于变形影响范围调整电控缸的伸出长度；

31、并通过连接管将第一形变带、第二形变带或第三形变带内的液体抽出，再按由内到外的顺序将收缩的第一形变带、第二形变带和第三形变带从监测机构取出，并通过注浆机构沿监测机构内部注入调整后的注浆量进行巩固。

32、有益效果：通过第一形变带、第二形变带和第三形变带对不同区域进行监测，以确定破碎区、塑性区或弹性区的应力变形情况；同时监测机构能启动锚杆支撑的作用，能对周边围岩进行加固。

33、利用第一形变带、第二形变带或第三形变带通过推动扩张机构调整监测机构上的开口大小，以适应后续注浆过程中注浆量大小的需要，便于扩大注浆巩固范围。

34、再通过实时测量的液面变化数据调节注浆量，从而能根据巷道周边的实际应力变化进行支撑，以实现对煤矿巷道围岩非对称变形的控制。

35、进一步，巷道本体内壁上还固定连接有支撑网。

36、有益效果：通过支撑网对巷道本体表面进行支撑，在巷道本体局部发生变化时，周边能对局部进行拉伸巩固。

37、进一步，在步骤三中，当变形影响范围大于设定的最大变形范围时，还用于人工插入锚索对变形影响范围对应的巷道本体进行加固。

38、有益效果：通过锚索对应力变形大的区域进行辅助加固，以提高该区域的稳固性，预防非对称变形。