蔡正委侯俊領(lǐng)袁 琳,3,4杜承航,3,4李垂宇,3,4謝 濤,3,4鄧金山,3,4 李 奇,3,4 劉 兵,3,4

(1、四川鑄創(chuàng)安全科技有限公司,四川 成都610041 2、攀枝花學(xué)院,四川 攀枝花617000 3、四川巖土智測(cè)科技有限公司,四川 攀枝花617000 4、四川鈦星工程科技有限責(zé)任公司,四川 攀枝花617000)

1 概述

譚云亮等研究了煤礦堅(jiān)硬頂板離層預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[1],李虎威等根據(jù)光纖光柵傳感原理和受力特性[2],提出一種可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的礦壓安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用于監(jiān)測(cè)頂板離層,支護(hù)體受力與變形和圍巖應(yīng)力等,在煤礦現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用并取得顯著效果。許多學(xué)者從巷道圍巖破壞特征的角度研究了巷道圍巖塑性區(qū)的演化規(guī)律及其致災(zāi)機(jī)理[3]；在頂板災(zāi)害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和儀器方面做了大量工作,豐富了礦壓監(jiān)測(cè)手段[4]。以上研究成果為礦山頂板災(zāi)害機(jī)理和預(yù)警提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。然而,由于礦山地質(zhì)條件的不確定性,災(zāi)害形成機(jī)理復(fù)雜,雖然馬念杰等眾多的專家學(xué)者針對(duì)礦山災(zāi)害預(yù)警防控的課題進(jìn)行了不斷探索研究,到目前為止,無(wú)論是從空間上還是從時(shí)間上,國(guó)內(nèi)外尚缺乏行之有效的礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法,難以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的有效預(yù)警[5]。

2 分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿研發(fā)

2.1 測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)原理

測(cè)力錨桿應(yīng)變技術(shù)監(jiān)測(cè)原理是根據(jù)惠斯通電橋平衡原理,惠斯通電橋由四個(gè)同等阻值的電阻組合而成,適用于檢測(cè)電阻的微小變化。當(dāng)測(cè)力錨桿桿體傳感器受力后,測(cè)點(diǎn)i應(yīng)變計(jì)會(huì)隨桿體變形而拉伸或收縮,從而改變電阻值,引起輸出電壓變化,反映傳感器應(yīng)變大小。圖1為惠斯通電橋。

圖1 惠斯通電橋

當(dāng)測(cè)力錨桿桿體受力時(shí),桿體形變所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變、拉伸應(yīng)力、軸力參數(shù),可根據(jù)公式計(jì)算得出:

當(dāng)測(cè)力錨桿桿體受力時(shí),桿體形變所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變、彎曲應(yīng)力、彎矩參數(shù),可根據(jù)公式計(jì)算得出:

2.2 測(cè)力錨桿設(shè)計(jì)及制備

測(cè)力錨桿設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)以及嵌入式軟件設(shè)計(jì),測(cè)力錨桿傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以主要包括如下幾個(gè)步驟:(1)錨桿開槽,選取粘貼應(yīng)變片或光纖等感知元件。(2)連接導(dǎo)線。(3)硅膠封槽,組裝錨桿和集線盒。制備工藝包括:(1)設(shè)計(jì)專用錨桿夾具、銑槽軌道,開發(fā)了錨桿銑槽工裝,實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。(2)創(chuàng)建多道灌封、高溫固化、電子元器件老化等工藝保障感知元件穩(wěn)定可靠。(3)建立標(biāo)定工裝,基于數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)編制誤差矯正算法,測(cè)量值誤差小于0.8%。標(biāo)定工裝主要由油泵、輪輻傳感器、拉伸機(jī)構(gòu)、機(jī)床和固定夾具等構(gòu)成,標(biāo)定時(shí)錨桿由螺母和固定夾具鎖緊,通過拉伸機(jī)構(gòu)拉動(dòng)錨桿進(jìn)行測(cè)定,輪輻傳感器將數(shù)據(jù)傳出,錨桿固定于機(jī)床的標(biāo)定槽內(nèi),以模擬巖壁作用。

3 頂板安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)構(gòu)架

礦山頂板安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)是一個(gè)具備遠(yuǎn)程遙測(cè)監(jiān)測(cè)分站執(zhí)行配置、采集與現(xiàn)場(chǎng)同步的系統(tǒng),通過以太網(wǎng)絡(luò)擺脫現(xiàn)有測(cè)力錨桿需要現(xiàn)場(chǎng)讀取數(shù)據(jù),提高監(jiān)測(cè)的效率與便捷性,真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)人監(jiān)守和自動(dòng)化。同時(shí)結(jié)合云計(jì)算資源,可實(shí)時(shí)查看、分析實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù),增加了系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)變能力。并將云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)緊密結(jié)合,利用大數(shù)據(jù)具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價(jià)值密度低的四大特征,對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析與學(xué)習(xí),智能提高安全預(yù)警的效率與準(zhǔn)確度。

平臺(tái)以F1監(jiān)測(cè)分站為控制終端,通過RS485電纜同1-10根錨桿通訊,交互應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)。F1分站所獲得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過以太網(wǎng)鏈路傳輸至地面控制中心,監(jiān)控人員可通過使用中心計(jì)算機(jī)、訪問WEB端以及使用Android端設(shè)備獲取實(shí)時(shí)信息及發(fā)出動(dòng)態(tài)指令。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)錨桿軸力、剪力、彎矩、富余系數(shù)等支護(hù)體工況信息進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并且為井巷動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)信息化施工提供技術(shù)基礎(chǔ),為井巷頂板安全預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供了有效方法。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分構(gòu)成。

4 錨桿軸力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果分析

4.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

巷內(nèi)每隔200-300m安設(shè)一臺(tái)移動(dòng)基站,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)在巷道內(nèi)就近接入環(huán)網(wǎng),從交換機(jī)引485主傳輸電纜至巷道內(nèi)的監(jiān)測(cè)分站處,每個(gè)分站接入1組測(cè)站,每組測(cè)站連接1臺(tái)分站和電源箱,電源箱和分站接電取巷道照明127V供電線路。

錨桿受力直接反應(yīng)巷道支護(hù)狀態(tài),是巷道監(jiān)測(cè)重要內(nèi)容,沿巷道走向布置6個(gè)測(cè)站,對(duì)錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測(cè),每個(gè)測(cè)站斷面布置多點(diǎn)應(yīng)力錨桿7根,分別布置在左幫中,左幫上部,左頂肩窩,左頂,中頂,右頂,右?guī)?。測(cè)力錨桿從左幫到右?guī)鸵来螛?biāo)號(hào)為1～7號(hào)測(cè)力錨桿。下面以第6測(cè)站1號(hào)錨桿為例進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

6-1號(hào)錨桿:最大值與桿體屈服力之比為60%左右,最小富余系數(shù)為40%,表明目前的支護(hù)能較好的控制頂板。根據(jù)巷道使用年限、重要程度以及安全系數(shù)等因素,可在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置安全閾值,當(dāng)軸力、彎矩、剪力等達(dá)到該值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警,現(xiàn)場(chǎng)可采取具體措施加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 錨桿軸力沿程曲線圖

圖3 錨桿軸力沿時(shí)曲線圖

圖4 錨桿彎矩沿時(shí)曲線圖

圖5 錨桿彎矩沿程曲線圖

5 結(jié)論

5.1 研發(fā)了分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿,構(gòu)建了頂板災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨桿軸力、剪力、彎矩等工況信息,并實(shí)時(shí)給出錨桿強(qiáng)度富余系數(shù),當(dāng)桿體某處軸力超過安全閾值時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出安全預(yù)警信息。

5.2 頂板災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)在淮南礦區(qū)顧橋礦動(dòng)壓巷道成功應(yīng)用,得出巷道錨桿在采動(dòng)影響下軸力響應(yīng)規(guī)律,采動(dòng)期間錨桿軸力顯著高于掘進(jìn)期間,錨桿軸力峰值點(diǎn)為距工作面27m處。

5.3 實(shí)測(cè)軸力最大值與桿體屈服力之比為60%左右,最小富余系數(shù)為40%,表明目前的支護(hù)能較好的控制頂板。

5.4 根據(jù)巷道使用年限、重要程度以及安全系數(shù)等因素,可在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置安全閾值,當(dāng)軸力、彎矩、剪力等達(dá)到該值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警,現(xiàn)場(chǎng)可采取具體措施加強(qiáng)支護(hù)。