郭書英，王睿豐，曲 光

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083;2.北京四中，北京 102499;3.北京神龍安科技術(shù)發(fā)展中心，北京 100120)

0 引言

通過對煤礦巷道頂板冒頂隱患的探測研究分析，現(xiàn)有的判斷煤礦巷道頂板是否存在冒頂隱患主要是通過對巷道頂板進行離層監(jiān)測或錨桿錨索受力監(jiān)測[1－2]，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果判定巷道是否存在冒頂隱患，兩者對巷道冒頂預(yù)警起到了重要作用[3]，但這些方式都是利用錨桿錨索錨固支護后所進行的監(jiān)測預(yù)警，觀測周期長，且觀測點的布置有其本身固有的局限性。除此之外，國內(nèi)學(xué)者在頂板巖層結(jié)構(gòu)探測、分析方面也做了很多的工作:吳聯(lián)君[4]研發(fā)了巖層結(jié)構(gòu)探測儀用于探測頂板巖層的結(jié)構(gòu);鄧廣濤、馬念杰[5]提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法是把鉆孔內(nèi)各巖層的分布情況[6];鉆孔窺視儀的應(yīng)用對頂板巖層的探測也起到了一定的推動作用，但這些方法使用復(fù)雜，精確度不高，無法準(zhǔn)確預(yù)測冒頂隱患的存在。針對以上情況，論文研究設(shè)計了頂板冒頂隱患測試儀，該測試儀的設(shè)計依據(jù)為鉆削破巖理論[7]，該理論指出，錨桿鉆機在頂板鉆進破巖時反映出來的瞬時信息可以反映出所鉆進巖層的密度、強度、硬度等物理力學(xué)特征，因此，只要在掘進時能夠?qū)崟r完整地獲取這些信息，就能據(jù)此推斷出鉆孔所在點巷道頂板的巖層物理力學(xué)特征，該測試儀實時采集鉆機在鉆孔過程中所受到的推力，并依此分析判斷此處頂板冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍[8]，為巷道冒頂防治工作提供很好的幫助，并為煤礦的安全生產(chǎn)提供可靠保障。

1 頂板冒頂隱患測試儀原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 惠斯通電橋原理圖

圖2 惠斯通電橋等效原理圖

1.1 頂板冒頂隱患測試儀測試原理

鉆削破巖理論指出，錨桿鉆機在頂板鉆進破巖時反映出來的瞬時信息可以反映出所鉆進巖層的密度、強度、硬度等物理力學(xué)特征，因此，只要在鉆孔時能夠?qū)崟r完整地獲取這些信息，就能據(jù)此推斷出鉆孔所在點巷道頂板的巖層物理力學(xué)特征。而頂板冒頂隱患測試儀就是依據(jù)鉆機在對破碎巖層進行鉆孔時與對完整巖層進行鉆孔時所受到的力不同設(shè)計而成。

頂板冒頂隱患測試儀主要由壓力傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊組成，壓力傳感器主要用于測量鉆機在鉆孔過程中所受到的力;數(shù)據(jù)處理模塊主要用于采集壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)信息并對其進行處理分析。由于對破碎巖層進行鉆孔時與對完整巖層進行鉆孔時鉆機所受到的力不同，根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊采集到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過簡單的處理，形成鉆機推力曲線圖，并依此來判斷頂板此處冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍。

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器是由特殊工藝材料制成的彈性體、電阻應(yīng)變片及溫度補償電路組成，并采用非平衡電橋方式連接，最后密封在彈性體中。其中應(yīng)變片可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為了顯示和記錄應(yīng)變的大小，再將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，其采用的測量技術(shù)為惠斯通電橋測量法。圖1為惠斯通電橋原理圖，其中，四個電阻RX、R1、R2、R3，連成四邊形，稱為電橋的四個臂，其中 R1、R2、R3為固定電阻，RX為可變電阻，當(dāng) RX變化時UL的值也隨之改變。

根據(jù)戴維南定理，圖1所示的橋路可等效為圖2所示的二端口網(wǎng)絡(luò)，其中U0C為輸出端開路的輸出電壓，Ri為輸出阻抗，等效圖見圖3，可見

圖3 惠斯通電橋等效原理圖

惠斯通電橋的輸出采用的是負(fù)載很大近似于開路，所以在這種情況下RL→∞，所以得出:

令RX=RX0+△R，RX為被測電阻，RX0為其初始值，△R為電阻變化量。

通過整理，(1)、(2)式分別變?yōu)?

以上是一般形式的惠斯通電橋的輸出與被測電阻的函數(shù)關(guān)系，本文研究的頂板冒頂隱患測試儀采用的是等臂電橋，即電橋的四個橋臂阻值相等，即R1=R2=R3=RX0，此時(4)式簡化為:

當(dāng)被測電阻的△R＜＜RX0時，(5)式可進一步簡化為

由此可知U0與△R成線性關(guān)系，由此可由電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，進而根據(jù)電壓值的變化反映出外力作用的大小[6]。

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是指采集處理電路，主要包括處理器芯片，存儲器芯片，時鐘芯片等，數(shù)據(jù)處理模塊通過采集電阻的變化，并對其進行處理分析，從而得到鉆機所受到的外力作用的大小，可清晰觀察鉆機在鉆孔過程中的受力情況[9]，進而判斷此處頂板是否存在冒頂隱患及隱患存在的范圍。

該采集處理電路以符合國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志為基本要求，采用低功耗芯片進行設(shè)計，以單片機MSP430F5438為核心，用于采集處理壓力傳感器產(chǎn)生的電壓信號，傳感器信號經(jīng)過放大后利用芯片 ADS1248進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將其存儲至AT24C1024串行EEPROM芯片;時鐘芯片采用PCF8563，射頻芯片采用NRF24L01。

該冒頂隱患測試儀為智能化數(shù)字儀表，內(nèi)置RS232C異步通訊接口，可直接與PC機連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后，利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件進行處理從而得出各種曲線和報表。

2 頂板冒頂隱患測試儀的安裝使用

2.1 適用條件

頂板冒頂隱患測試儀密封性較好，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，其使用條件為如下:工作環(huán)境溫度:0℃ ～﹢40℃;工作環(huán)境相對濕度:≤95%(+25℃);大氣壓力:80 kPa～110 kPa;在具有甲烷，煤塵爆炸性混合物的煤礦井下[10]，無破壞絕緣的腐蝕性物質(zhì)的場合均可使用。

2.2 頂板冒頂隱患測試儀的安裝使用

頂板冒頂隱患測試儀尾部通過釬桿與鉆機機身相連，其頭部為凹槽結(jié)構(gòu)，可將釬桿至于凹槽內(nèi)，安裝方式如下圖所示，將其安裝于鉆機機身與鉆桿之間，在鉆機開始進行鉆孔之前打開頂板冒頂隱患測試儀的開關(guān)即可開始采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，鉆孔完成后將采集到的數(shù)據(jù)通過有線傳至計算機，用相應(yīng)的軟件進行處理后形成鉆機推力曲線圖，并依此來判斷頂板此處冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍。

圖4 頂板冒頂隱患測試儀安裝圖

3 現(xiàn)場工程實踐研究

該試驗地點選在中煤集團的五家溝礦，五家溝礦煤層較厚，巷道沿煤層底板掘進，煤層頂板與巖層頂板相比，強度較弱，支護不及時將會發(fā)生冒頂危險，局部地區(qū)頂板淋水較為嚴(yán)重。煤層巷道在回采過程中，頂板下沉量較大，存在冒頂隱患，本試驗需要通過研究確定巷道冒頂危險區(qū)。

根據(jù)五家溝礦的地質(zhì)條件、煤層開采情況和項目試驗研究需要，在5203運輸巷道和5203輔助運輸巷道進行試驗，在5203運輸巷道距開切眼50m處和距開切眼150m處各設(shè)置一個測點，在5203輔助運輸巷道距開切眼50 m處和距開切眼250 m處各設(shè)置一個測點，各個測點詳細(xì)的布置位置如表1所示。每個安裝位置的頂板孔位于頂板中間，測試孔深10 m，直徑28 mm。

表1 試驗點位置

將頂板冒頂隱患測試儀采集到的數(shù)據(jù)利用軟件處理后得到鉆機在鉆進過程中的受力圖如下圖5－8所示。

圖5表明在5203輔助運輸巷道距開切眼150 m處進行頂板鉆進時鉆機受力較為平穩(wěn)，鉆機受力穩(wěn)定在5～8 kN之間，說明頂板此處不存在破碎巖層，頂板較為穩(wěn)定，不存在冒頂隱患;圖6表明在5203輔助運輸巷道距開切眼250m處進行頂板鉆孔時，鉆機在距離頂板3.3 m處的受力急劇下降，由7 kN下降至3.5 kN，3.3～5.6 m處趨于平穩(wěn)，5.6 m處急劇上升由2.5 kN上升至7 kN，說明此處在距頂板3.3～5.6 m有破碎巖層，此處存在冒頂隱患;同理，圖7表明在5203運輸巷道距開切眼50 m處，在距離頂板5.5～7.8 m處有破碎巖層，此處存在冒頂隱患，圖8表明5203運輸巷道距開切眼150 m處頂板較為穩(wěn)定，不存在冒頂隱患。將此圖與鉆機采樣的巖芯進行對比，發(fā)現(xiàn)與其測試結(jié)果一致，效果良好。

圖5 5203輔助運輸巷道距開切眼50 m處鉆機受力圖

圖6 5203輔助運輸巷道距開切眼250 m處鉆機受力圖

圖7 5203運輸巷道距開切眼50 m處鉆機受力圖

圖8 5203運輸巷道距開切眼150 m處鉆機受力圖

4 結(jié)論

1)頂板冒頂隱患測試儀根據(jù)鉆機在對破碎巖層進行鉆孔時與對完整巖層進行鉆孔時鉆機所受到的力不同，來判斷頂板此處冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍，壓力傳感器可實時監(jiān)測鉆機鉆孔過程中的推力，數(shù)據(jù)處理模塊對壓力傳感器的數(shù)據(jù)信息進行采集、處理，形成鉆機推力曲線圖。

2)壓力傳感器核心結(jié)構(gòu)彈性體由特殊工藝材料加工，并采用非平衡電橋方式連接，保證了該傳感器的可靠性，數(shù)據(jù)處理模塊采用低功耗芯片進行設(shè)計，以單片機MSP430F5438為核心，同時進行了密封設(shè)計，保證了該探測儀具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

3)現(xiàn)場的試驗表明，該頂板冒頂隱患測試儀可以有效實現(xiàn)對錨桿鉆機鉆進是的推力進行同步、連續(xù)的采集存儲，并能利用采集到的數(shù)據(jù)判定此處頂板是否存在冒頂隱患及隱患存在的范圍，效果良好，在煤炭行業(yè)和其他領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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