侯俊領(lǐng)，呂曉雪，李垂宇，胡 冰

(1.攀枝花學(xué)院 釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000；4.淮河能源(集團(tuán))股份有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

隨著淺部煤礦資源逐漸枯竭，煤礦開采不斷向深部轉(zhuǎn)移[1]。但隨著開采深度的增加，頂板事故也逐年加劇，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，煤礦歷年因頂板事故死亡人數(shù)占煤礦各類事故死亡總?cè)藬?shù)的35%～40%，頂板事故已成為我國煤礦各類事故中發(fā)生頻率最高、死亡人數(shù)最多的事故[2]。頂板事故因其分布范圍廣、類型多樣和機(jī)理復(fù)雜而具有多發(fā)性、散發(fā)性、偶發(fā)性的特點(diǎn)，給事故預(yù)防治理帶來很大困難。頂板事故嚴(yán)重影響了人民生產(chǎn)生活以及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)社會(huì)造成了嚴(yán)重的不良影響[3，4]。

為有效預(yù)防和治理深部頂板災(zāi)害，科技部《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006—2022年)》中明確提出“以信息、智能化技術(shù)應(yīng)用為先導(dǎo)，重點(diǎn)研發(fā)監(jiān)測(cè)、預(yù)警技術(shù)”。為此，許多學(xué)者做了大量研究，研究了煤巖體失穩(wěn)破壞特點(diǎn)及誘使其失穩(wěn)的因素，并分析了煤巖體破壞過程中產(chǎn)生的紅外、聲波、微震、電磁輻射等物理信息及其捕捉技術(shù)[5，7]，這些一般為宏觀采場回采過程中遠(yuǎn)場巖層的采動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，如巖層運(yùn)動(dòng)、破壞等。李虎威[8]、李正杰[9]、柴敬[10]等對(duì)深部巷道圍巖監(jiān)測(cè)研究，通過光纖光纜傳感器的原理和受力特征監(jiān)測(cè)頂板巷道圍巖，提出了一種可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和長期監(jiān)測(cè)的礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。馬念杰[11]、袁亮[12]、余國鋒[13]等從頂板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，優(yōu)化頂板災(zāi)害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和儀器。周李兵，閆相宏等在頂板圍巖的深部和淺部埋入位移傳感器[14，15]，利用多因素分析法和錨桿最大延伸值法確定頂板離層的報(bào)警閾值，設(shè)計(jì)了一種頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。杜巖，霍磊晨等在邊坡工程監(jiān)測(cè)預(yù)警中引入多種時(shí)域動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)[16]，通過振動(dòng)幅值、峭度指標(biāo)等時(shí)域動(dòng)力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，可有效識(shí)別巖體分離破壞前兆現(xiàn)象。陳佳林，付恩三基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出了柔性神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的決策樹風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型[17]?？导t普[18]、譚云亮[19]、何富連[20]等人對(duì)巷道頂板災(zāi)害成因機(jī)制研究，提出深部高應(yīng)力、高采動(dòng)等復(fù)雜地質(zhì)條件，頂板災(zāi)害發(fā)生頻率更高，致災(zāi)過程與演化機(jī)制不明確，導(dǎo)致頂板災(zāi)害難以被監(jiān)測(cè)。以上研究成果為礦山災(zāi)害頂板災(zāi)害機(jī)制和預(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)條件的不穩(wěn)定性，災(zāi)害形成機(jī)制復(fù)雜，頂板監(jiān)測(cè)裝置及技術(shù)落后，現(xiàn)場監(jiān)測(cè)智能化低、信息化程度低，導(dǎo)致預(yù)警指標(biāo)很難進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，目前國內(nèi)外尚缺乏行之有效的頂板監(jiān)測(cè)設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的有效預(yù)警[21]。

基于以上原因，研發(fā)了一種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿系統(tǒng)，對(duì)巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和頂板安全，提供了數(shù)據(jù)支撐和保障，為推動(dòng)巷道支護(hù)體工況監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤礦安全開采具有重要意義。

1 分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿的開發(fā)

1.1 分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿的監(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)變片會(huì)隨著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，反應(yīng)應(yīng)變片應(yīng)變大小，當(dāng)作用在測(cè)力錨桿桿體軸向載荷過大時(shí)，桿體會(huì)發(fā)生彎曲，測(cè)點(diǎn)i左側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片和右側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片會(huì)隨著桿體形變發(fā)生變形，從而引起電壓變化，反應(yīng)錨桿桿體的彎曲變形，應(yīng)變片隨錨桿桿體變形如圖1所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿的軸向受力、彎曲受力等參數(shù)監(jiān)測(cè)。

圖1 軸力、彎矩等多參數(shù)監(jiān)測(cè)

惠斯通電橋原理如圖2所示，傳統(tǒng)測(cè)力錨桿應(yīng)變片為半橋布置，而團(tuán)隊(duì)研發(fā)的測(cè)力錨桿應(yīng)變片為全橋布置，可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償無需設(shè)置溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，同時(shí)測(cè)量精確度為半橋的兩倍。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：

式中，U0為電壓變化量，V；R1、R2、R3、R4為應(yīng)變片電阻，全對(duì)稱時(shí)R1=R2=R3=R4，Ω；U為電壓，V；K為敏感系數(shù)；εi為i測(cè)點(diǎn)應(yīng)變。

圖2 惠斯通電橋

1)拉伸應(yīng)變、拉伸應(yīng)力、軸力：

式中，Pi為軸力參數(shù)，kN；S為橫截面積，cm2。

2)彎曲應(yīng)變、彎曲應(yīng)力、彎矩：

式中，Mi為彎矩，kN/m；E為彈性模量，Pa。

測(cè)力錨桿內(nèi)的應(yīng)變片數(shù)據(jù)通過智能采集電路板讀取，采集板主要由STM32L030單片機(jī)、RS485、ADC采集電路、多路開關(guān)以及電源電路構(gòu)成，其中STM32單片機(jī)是測(cè)力錨桿的處理器，對(duì)上通過RS485與中繼站的RS485_B進(jìn)行交互，ADC采集電路將多選一開關(guān)切換進(jìn)來的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)上傳給中繼站，電源電路主要為網(wǎng)關(guān)的各個(gè)模塊供電。

1.2 測(cè)力錨桿研發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前的礦用監(jiān)測(cè)儀器在礦山頂板災(zāi)害發(fā)生時(shí)，對(duì)于礦災(zāi)的前兆訊息無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)感知感知，更無法實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警。

為解決此難題，團(tuán)隊(duì)研發(fā)一款分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿，提出了該科研成果的研發(fā)的系統(tǒng)，分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿系統(tǒng)框架

設(shè)計(jì)的科研成果包括井下的傳感器(測(cè)力錨桿)、傳輸分站、智能網(wǎng)關(guān)和井上的上位機(jī)(云平臺(tái)系統(tǒng))。

測(cè)力錨桿：內(nèi)置核心電路板采用超低功耗的Cortex-M0處理器、24位高精度的ADC專用芯片，以及低延遲，低內(nèi)阻的多選一通道開關(guān)，使其具備高精度，高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)采集能力，主要功能將外部的受力或者形變量通過專用ADC芯片進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字量化，通過標(biāo)定工藝獲取準(zhǔn)確錨桿的受力值，并將數(shù)據(jù)通過485總線上傳至數(shù)據(jù)傳輸分站。

傳輸分站：核心電路板采用高性能低功耗的Cortex-H7單片機(jī)處理器和高性能RS485通訊專用芯片，并搭配上低延時(shí)的嵌入式軟件系統(tǒng)，使其具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、長距離通訊傳輸能力，數(shù)據(jù)傳輸分站對(duì)上通過一路RS485總線與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令交互，對(duì)下則通過另一路RS485總線負(fù)責(zé)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制和數(shù)據(jù)匯集。

智能網(wǎng)關(guān)：采用高能效比的I.MX6ULL ARM嵌入式硬件平臺(tái)，并搭配上專用深度定制的Linux操作系統(tǒng)，使其具有實(shí)時(shí)多任務(wù)巡檢，大數(shù)量載荷存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳的能力，智能網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)的核心組件起承上啟下的作用，對(duì)下主要功能是通過RS485負(fù)責(zé)對(duì)其下一級(jí)的多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸分站的進(jìn)行定時(shí)巡檢，數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，對(duì)上通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)、參數(shù)配置信息上傳至地面服務(wù)器。

上位機(jī)(云平臺(tái)系統(tǒng))：通過融合Java語言和MQTT消息服務(wù)器和云服務(wù)器等先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分布式的支持多礦山的頂板多源傳感器信息統(tǒng)一管理，包括井下物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集和相關(guān)場景下設(shè)備信息的管理和安全預(yù)警相關(guān)處理功能。

科研成果整體系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)由地到云分布式多災(zāi)源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的測(cè)力錨桿組網(wǎng)系統(tǒng)。

1.3 分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿設(shè)計(jì)方案和制備

1.3.1 測(cè)力錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿主要由螺紋鋼、電阻式應(yīng)變片、連接線、錨桿套筒、智能采集電路板以及航空插頭組成。

1)傳感器主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、傳輸錨桿的受力情況。

2)智能采集電路板將傳感器的壓力值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由采集分站分析數(shù)據(jù)后，上傳至監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。

3)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨桿受力情況，根據(jù)反饋的信息即使調(diào)整支護(hù)參數(shù)，為井下頂板安全預(yù)警提供有效方法。

經(jīng)過我們與盲人的深入交流，結(jié)合上網(wǎng)分析查閱，我們發(fā)現(xiàn)盲人在病患方面有較多顧慮，并且醫(yī)療器械方面的溫度計(jì)沒有針對(duì)盲人研發(fā)專門的盲人用便捷溫度計(jì)。于是我們小組希望針對(duì)盲人設(shè)計(jì)其專門使用的溫度計(jì)，以改善盲人的生活質(zhì)量。

圖4 分布式測(cè)力錨桿設(shè)計(jì)

分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿的設(shè)計(jì)如圖4所示，其構(gòu)造原理是通過在圖4中螺紋鋼兩側(cè)對(duì)稱部位開設(shè)兩條安裝橫槽，并在不同位置布置應(yīng)變片，從而實(shí)現(xiàn)錨桿分布式監(jiān)測(cè)的目的；并將應(yīng)變片通過導(dǎo)線連接至錨桿尾部的智能采集板；智能采集板放置在錨桿尾部通過螺紋連接的套筒內(nèi)，套筒可有效保護(hù)電路板，設(shè)計(jì)方案操作便捷、有利于現(xiàn)場操作。套筒尾部布置航空插頭可通過導(dǎo)線與采集分站連接，并起到防止?jié)駳狻⒒覊m侵入套筒內(nèi)部，以保護(hù)智能電路板；測(cè)力錨桿桿體可通過錨固劑固定在頂板上。

智能集成電路板：分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿系統(tǒng)的測(cè)量原理是以電阻應(yīng)變片構(gòu)成的全橋差分電路為基礎(chǔ)，當(dāng)錨桿受力時(shí)，橋式電路產(chǎn)生電壓差變化，根據(jù)電壓差對(duì)外部受力進(jìn)行分析和測(cè)量。智能集成電路板由以下模塊構(gòu)成，智能控制模塊控制傳感器工作；AD轉(zhuǎn)換模，實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)；開關(guān)切換模塊，實(shí)現(xiàn)外部分布式應(yīng)變片選擇一路進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)通訊模塊(有線和無線)，實(shí)現(xiàn)與中繼站的通訊功能。主要功能是數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)主要適用于煤礦巷道中錨桿應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

測(cè)力錨桿系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)井下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)查詢、設(shè)備采集的數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ)及查詢、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端圖形分析、符合條件的異常數(shù)據(jù)的預(yù)警處理，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到安全閥值時(shí)進(jìn)行安全預(yù)警。

1.3.2 制備工藝

設(shè)計(jì)了分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿組裝工藝流程，如圖5所示，具體流程如下：

圖5 分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿生產(chǎn)流程

1)錨桿兩側(cè)銑槽，以便于沿桿體軸向安裝若干應(yīng)變片，應(yīng)變片之間通過導(dǎo)線連接至錨桿尾部套筒的集成電路板上，實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)。

2)打磨清洗，使用丙酮清洗錨桿橫槽表面，標(biāo)記打磨位置，拋光、表面處理面積為3～5倍，除油污、銹斑、氧化膜等，防止應(yīng)變片與錨桿接觸不充分而導(dǎo)致誤差。

3)應(yīng)變片粘貼，打磨清洗后，配置好膠水，用涂膠筆將粘合劑涂于應(yīng)變片背面，將應(yīng)變片沿著錨桿橫槽軸向布置，為做好防護(hù)措施，用聚四氟乙烯薄膜和橡膠板固定，用測(cè)力錨桿專用夾具固定應(yīng)變片。

4)高溫固化，將固定好的錨桿放入烘箱，設(shè)置溫度135℃，烘箱按2～3℃/min升溫至135℃，保溫兩小時(shí)后散熱，取出錨桿，卸下夾具后再次進(jìn)入烘箱，設(shè)置165℃保溫2h后散熱，用三防漆對(duì)錨桿進(jìn)行防護(hù)，以保障應(yīng)變片的精準(zhǔn)度。

5)應(yīng)變片引線，用電焊機(jī)將應(yīng)變片的安裝腳接入智能集成電路板，將智能集成電路板放入錨桿套筒中，錨桿套筒通過螺紋連接固定在螺紋鋼尾部，錨桿套筒的尾部布置航空插頭，連接至監(jiān)測(cè)分站。

6)測(cè)力錨桿標(biāo)定，將測(cè)力錨桿放入標(biāo)定工裝中模擬巖壁作用，使用錨桿拉拔儀施加不同載荷并采集傳感器數(shù)據(jù)，使用標(biāo)定軟件對(duì)測(cè)力錨桿進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定。

7)灌封，把標(biāo)定合格的測(cè)力錨桿放置水平，墊上塑料薄膜，錨桿螺紋處用橡皮泥密封好，取配置好的灌封膠攪拌至微微發(fā)熱后從錨桿的一端開始緩慢灌封，灌封時(shí)用膠量均勻，室溫固化后組裝。

1.4 分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿的標(biāo)定

錨桿工作過程中，要經(jīng)歷彈性階段和塑性階段，根據(jù)每個(gè)階段考察的指標(biāo)不同，采用分段式標(biāo)定，在彈性階段采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力儀進(jìn)行標(biāo)定，塑性階段采用應(yīng)變儀。由電阻式應(yīng)變片監(jiān)測(cè)原理可知，應(yīng)變片的電壓變化量與錨桿所受載荷成線性關(guān)系，采用最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定，將最小二乘法算法的開源代碼燒錄到智能集成電路板，通過標(biāo)定軟件輸出一些列的力值y0，y1，y2，…，yn，并記錄每個(gè)力值此對(duì)于的電壓量x0，x1，x2，…，xn，獲得標(biāo)準(zhǔn)的K，b值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。標(biāo)定曲線如圖6所示，根據(jù)標(biāo)定方程算出應(yīng)變片實(shí)際載荷與標(biāo)準(zhǔn)載荷，標(biāo)定后擬合度高，誤差小，分布式測(cè)力錨桿精準(zhǔn)度高，能準(zhǔn)確反應(yīng)錨桿在巷道中的受力變化。

圖6 測(cè)力錨桿標(biāo)定曲線

1.5 測(cè)力錨桿的安裝

分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿安裝工藝與普通錨桿安裝工藝相同，具體的安裝工藝流程包括：錨桿鉆機(jī)打眼，安裝樹脂錨固劑，插入測(cè)力錨桿桿體，安裝托盤，擰緊螺母施加預(yù)緊力，用航空插頭將測(cè)力錨桿與采集分站連接。

2 工程應(yīng)用

測(cè)力錨桿在淮南礦業(yè)顧橋礦1126(1)輔助運(yùn)輸巷應(yīng)用，1126(1)輔助運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度3013m，巷道凈寬×凈高=6000×3800mm，工作面標(biāo)高范圍為-906.2～-795.3m，主要用于工作面掘進(jìn)時(shí)的進(jìn)風(fēng)、行人、進(jìn)出材料、設(shè)備等，另外還用于工作面回采時(shí)期回風(fēng)使用。沿空掘巷道發(fā)現(xiàn)強(qiáng)采動(dòng)影響下錨桿軸力響應(yīng)規(guī)律如圖7所示，采動(dòng)對(duì)錨桿軸力影響范圍可高達(dá)200m，強(qiáng)動(dòng)壓范圍內(nèi)錨桿軸力普遍在100kN左右，與未受采動(dòng)影響階段相比錨桿軸力提高3～10倍。

圖7 顧橋礦1126(1)軌道巷回采頂板軸力與距工作面距離曲線關(guān)系

在掘進(jìn)期間，位于距1126(1)輔助運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷撥門口向里448m處，面向迎頭方向，左幫中，為沿空小煤柱中部位置，在原支護(hù)處以端錨方式補(bǔ)打測(cè)力錨桿。

錨桿軸力歷時(shí)曲線如圖8所示，由圖8可以看出，在3月29日至5月9日錨桿測(cè)點(diǎn)軸力上升較快，增阻明顯，表明頂板該段時(shí)間內(nèi)較為活躍，錨桿增阻體現(xiàn)了錨桿對(duì)圍巖的控制作用，5月9日之后錨桿工阻隨時(shí)間沒有明顯變化，總體來說錨桿增阻平緩，體現(xiàn)了頂板的穩(wěn)定。

圖8 顧橋礦1126(1)掘進(jìn)期間錨桿軸力歷時(shí)曲線

錨桿彎矩歷時(shí)曲線如圖9所示，由圖9可以看出錨桿桿體各部分彎矩沿時(shí)間增阻平緩，工阻較小，也反映了此錨桿能較好地控制煤左幫。

圖9 顧橋礦1126(1)掘進(jìn)期間錨桿彎矩歷時(shí)曲線

測(cè)力錨桿于山西汾西高陽煤礦21105工作面運(yùn)輸巷應(yīng)用，21105運(yùn)輸巷分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿布置，隨掘進(jìn)方向測(cè)站50m間距，共15個(gè)測(cè)站。

21105工作面運(yùn)輸巷0214測(cè)站軸力與距回采工作面距離曲線關(guān)系如圖10所示，揭示了高陽煤礦沿空留巷工作面推進(jìn)頂板錨桿軸力演化特征，均表現(xiàn)強(qiáng)動(dòng)壓范圍內(nèi)錨桿迅速增阻的特征。根據(jù)軸力的增長幅度可劃分為三個(gè)區(qū)，即非超前支承應(yīng)力區(qū)、采動(dòng)影響區(qū)、劇烈影響區(qū)。其中50m以內(nèi)為劇烈影響區(qū)，要加強(qiáng)巷道支護(hù)質(zhì)量巡查工作。

圖10 工作面推進(jìn)頂板錨桿軸力與距回采工作面距離曲線關(guān)系

錨桿軸力最大值分布可視化如圖11所示，根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化情況，系統(tǒng)采用綜合預(yù)警指標(biāo)對(duì)巷道支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，綜合預(yù)警指標(biāo)W=k1index(△σ)+k2index(△ε)+k3index([L])+k4index+(|[k]|)+k5index([△F]) +k6index(|△F/t|)，其中△σ=[σ]-σ，△ε=[ε]-ε，其中△σ=[σ]-σ，△ε=[ε]-ε，所述綜合預(yù)警指標(biāo)W用于表征錨桿或錨索工況的危險(xiǎn)程度。k1～k6為權(quán)重，不同地質(zhì)條件權(quán)重不同，當(dāng)符合以下任一條件時(shí)，即進(jìn)行報(bào)警。

圖11 錨桿軸力最大分布可視化

強(qiáng)度預(yù)警：當(dāng)錨桿的工作應(yīng)力大于桿體強(qiáng)度時(shí)，則進(jìn)行報(bào)警，其判別方法是：σ>[σ]，式中，[σ]為強(qiáng)度預(yù)警指標(biāo)；σ為錨桿的實(shí)際工作應(yīng)力值。

應(yīng)變預(yù)警：當(dāng)錨桿的工作應(yīng)變大于桿體應(yīng)變極限時(shí)，則進(jìn)行報(bào)警，其判別方法是：ε>[ε]，式中，[ε]為應(yīng)變預(yù)警指標(biāo)；ε為錨桿的實(shí)際工作應(yīng)變值。

中性點(diǎn)預(yù)警：根據(jù)錨桿的受力中性點(diǎn)進(jìn)行失錨預(yù)警，其判別方法是：L>[L]；[L]為中性點(diǎn)預(yù)警指標(biāo)；L為中性點(diǎn)與起始錨固點(diǎn)間的距離。

應(yīng)力切線預(yù)警：根據(jù)錨桿的工作阻力的急增或急減進(jìn)行預(yù)警，其判別方法是：|[k]|>[|[k]|]，|[k]|為應(yīng)力切線預(yù)警指標(biāo)；k為該時(shí)間點(diǎn)處應(yīng)力切線的斜率。

工作阻力衰減性預(yù)警：通過阻力衰減幅度及速率進(jìn)行預(yù)警，其判別方法是：△F>[△F]，△F/t|>[v]，式中，[△F]為阻力衰減幅度預(yù)警指標(biāo)；[v]為阻力衰減速率預(yù)警指標(biāo)；△F為實(shí)際阻力衰減幅度，t為時(shí)間。

3 結(jié) 論

1)給出了分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿的監(jiān)測(cè)原理、系統(tǒng)架構(gòu)和制備工藝，該科研成果實(shí)現(xiàn)“由地到云”分布式多災(zāi)源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的測(cè)力錨桿組網(wǎng)系統(tǒng)，其安裝簡便，靈敏度高，誤差小。

2)分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨桿軸力、彎矩等工況信息，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。

3)分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)力錨桿在淮南顧橋礦1126(1)輔助運(yùn)輸巷和山西汾西高陽煤礦21105工作面運(yùn)輸巷成功應(yīng)用，依據(jù)監(jiān)測(cè)成果分析了錨桿軸力、彎矩演化規(guī)律，揭示了該巷道采動(dòng)期間錨桿的工況響應(yīng)規(guī)律。

4)測(cè)力錨桿的監(jiān)測(cè)成果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了巷道錨桿支護(hù)安全預(yù)警，為保障煤礦安全開采具有重要意義。