采煤工作面支護(hù)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

彭 瑞 趙光明 孟祥瑞

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

采煤工作面支護(hù)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

彭 瑞 趙光明 孟祥瑞

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

為了解決國(guó)內(nèi)現(xiàn)有液壓支架實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加載裝置和監(jiān)測(cè)儀器落后,從而無法動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)采場(chǎng)頂?shù)装鍘r石破裂演化規(guī)律以及無法自動(dòng)調(diào)節(jié)工作面傾角等弊端，設(shè)計(jì)了一種在液壓支架與工作面頂?shù)装遄饔眠^程中測(cè)試支架工作阻力、頂板壓力、頂?shù)装鍍?nèi)部裂隙發(fā)育、不同架型支架在多種采場(chǎng)環(huán)境下支護(hù)效果的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；通過信號(hào)采集系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)、采集和存儲(chǔ)加載力、支架活柱的受力大小以及頂?shù)装鍘r石內(nèi)部裂隙的發(fā)育和分布情況；經(jīng)上述方法實(shí)現(xiàn)了從微觀的角度分析采場(chǎng)支架和圍巖的關(guān)系。

采煤工作面 支護(hù)測(cè)試 實(shí)驗(yàn)臺(tái) 信號(hào)采集系統(tǒng) 信號(hào)處理系統(tǒng)

礦山井下冒頂、頂?shù)装逋凰?、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和礦工人身安全帶來極大威脅，而這些煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故的孕育與發(fā)生均與煤巖體的破裂失穩(wěn)密切相關(guān)。巖石材料在承受荷載時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到其臨界破裂強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生煤巖體的損傷破裂，與此同時(shí)，破裂引起的彈性波在周圍巖體中快速傳播，這種現(xiàn)象為聲發(fā)射。通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的采集與分析，可以預(yù)測(cè)煤巖體的失穩(wěn)破壞[1-3]。

聲發(fā)射現(xiàn)象是巖石破裂失穩(wěn)的前兆信息，研究科學(xué)合理的巖石破裂聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上探討聲發(fā)射信號(hào)與巖石破裂演化過程的關(guān)系，得出符合實(shí)際的巖石破裂聲發(fā)射預(yù)測(cè)方法，對(duì)于采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生具有重要理論意義[4-8]。

很多科研工作者雖然在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，但仍然存在以下的不足：監(jiān)測(cè)設(shè)備落后，無法準(zhǔn)確地獲得加載壓力和活柱受力的大小，無法研究采場(chǎng)頂?shù)装鍘r石的破裂演化規(guī)律；無法針對(duì)不同傾角的采場(chǎng)環(huán)境測(cè)試液壓支架的性能；無法在1種平臺(tái)上轉(zhuǎn)換多種架型的支架進(jìn)行支護(hù)工作。

研究的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)將采煤工作面支護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)與信號(hào)采集處理裝置相結(jié)合，能夠采集經(jīng)過液壓加壓后采煤工作面頂?shù)装宓膸r石破裂過程中產(chǎn)生的聲信息，進(jìn)而利用聲發(fā)射分析系統(tǒng)預(yù)測(cè)巖石損傷破裂的演化過程，反映出圍巖和支架的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括可調(diào)節(jié)角度底座、加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、液壓加載裝置、可變架型液壓支架、巖石、信號(hào)采集系統(tǒng)以及信號(hào)處理器。實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理如圖1所示(本文所有圖件中數(shù)字標(biāo)識(shí)的結(jié)構(gòu)部件名稱統(tǒng)一見圖1所示)。

圖1 采煤工作面支護(hù)模擬測(cè)試臺(tái)主視圖Fig.1 The main view of coalface support simulation test bed1—液壓加載裝置；2—加載頂板；3—加載液壓缸；4—加載墊板；5—壓力傳感器；6—壓力示波器；7—加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；8—鉆孔和螺栓； 9—可變架型液壓支架；10—支架頂梁；11—支架活柱；12—支架掩護(hù)梁；13—支架前后連桿；14—支架底板；15—巖石；16—聲信號(hào)傳感器；17—側(cè)擋板；18—可調(diào)節(jié)角度底座；19—梯形體；20—鉸接板；21—聲信號(hào)放大器；22—波形分析處理器；23—壓力采集器

可調(diào)節(jié)角度底座包括兩幫穿孔的梯形體和鉸接板，通過改變兩兩之間的鉸接位置，模擬常見的3種類型工作面，即近水平工作面、傾斜工作面、急傾斜工作面。其主要組成如圖2、圖3所示。

圖2 可調(diào)節(jié)角度底座鉸接板主視圖Fig.2 The main view of the angle adjustable articulated webmaster base

加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放置在可調(diào)節(jié)角度底座上，包括2根帶有等間距分布鉆孔的鋼梁；液壓加載裝置包括加載頂梁、布置在加載頂梁下的加載液壓缸、以及布置在加載液壓缸下的加載墊板，加載頂板與加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的鋼梁通過鉆孔和螺栓鉸接在一起，可以上下移動(dòng)[9]。加載裝置的主視圖和側(cè)視圖如圖4、圖5所示。

圖3 可調(diào)節(jié)角度底座梯形體主視圖Fig.3 The trapezoid body mainvierl of angle adjustable base

圖4 加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和液壓加載裝置主視圖Fig.4 Front loading experiment platform and the hydraulic loading device

圖5 加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和液壓加載裝置側(cè)視圖Fig.5 The side view of loading experiment platform and the hydraulic loading device

可變架型液壓支架[10]放置在加載墊板下方，包括相互鉸接的打孔的鋼板、活柱及前后連桿，通過變換相互間的鉸接方式模擬井下常用的3種架型液壓支架，即支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架、以及支撐掩護(hù)式液壓支架；巖石放置在支架頂梁上方和支架底板下方，根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的材料模擬采場(chǎng)的頂?shù)装錥11]。圖6、圖7為可變架型液壓支架主要組成部分。

所述信號(hào)采集系統(tǒng)包括粘貼在巖石外側(cè)的聲信號(hào)傳感器、采集聲信號(hào)的聲信號(hào)放大器、采集加載液壓缸和液壓支架活柱壓力信號(hào)的壓力采集器和壓力傳感器，如圖8、圖9所示。

圖6 可變架型液壓支架主視圖Fig.6 The main view of variable frame type hydraulic support

圖7 可變架型液壓支架零部件主視圖Fig.7 The main view of variable frame type hydraulic support parts

圖8 聲信號(hào)采集和處理裝置Fig.8 Acoustic signal acquisition and processing device

圖9 壓力信號(hào)采集和處理裝置Fig.9 Pressure signal acquisition and processing device

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作方式

為了進(jìn)一步了解該套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：①模擬不同埋深的工作面，分析埋深對(duì)支架穩(wěn)定性和頂?shù)装鍘r石破裂情況的影響；②模擬不同巖性的頂?shù)装澹芯恐Ъ芎蛧鷰r的關(guān)系；③模擬不同傾角的工作面，觀察支架受力大小和頂?shù)装鍘r石破裂情況與工作面傾角的關(guān)系；④模擬和觀察不同架型的支架對(duì)工作面進(jìn)行支護(hù)的效果，進(jìn)而對(duì)液壓支架的架型進(jìn)行初選。

上述4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)需要完成的基本工序如下。

首先進(jìn)行加載和組裝測(cè)試實(shí)驗(yàn)：將加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)7放置在可調(diào)節(jié)角度底座18上，根據(jù)可變架型液壓支架9的高度調(diào)整液壓加載裝置1的合適位置，利用布置在加載頂梁2下的加載液壓缸3，以及布置在加載液壓缸3下的加載墊板4，對(duì)放置在加載墊板下方的可變架型液壓支架進(jìn)行液壓加載，其中模擬工作面頂?shù)装鍘r石15放置在支架頂梁10上方和支架底板14下方；接著進(jìn)行信號(hào)采集和處理：將聲信號(hào)傳感器16粘貼在巖石15的外側(cè)，聲信號(hào)放大器21采集傳輸?shù)穆曅盘?hào)，壓力采集器23采集加載液壓缸3和液壓支架活柱11的壓力信號(hào)，傳輸給壓力傳感器5，再由壓力示波器接收和顯示壓力傳感器傳輸?shù)膲毫χ担ㄐ畏治鎏幚砥?2分析信號(hào)放大器21傳輸?shù)穆曅盘?hào)，并生成應(yīng)力-能量相關(guān)圖、能量-時(shí)間相關(guān)圖、應(yīng)力-時(shí)間相關(guān)圖等，同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部的裂隙分布和發(fā)育。

在上述基本工序完成的基礎(chǔ)上，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是通過控制不同的單因素條件而完成，分別為：

實(shí)驗(yàn)①?？刂埔簤杭虞d裝置1的加載力大小，對(duì)比分析不同的加載力下可變架型液壓支架9的穩(wěn)定性和頂?shù)装鍘r石裂隙分布。

實(shí)驗(yàn)②。通過選擇不同巖性的巖石15放置在可變架型液壓支架9上，液壓加載后研究支架活柱11受力和變形以及頂?shù)装鍘r石15破斷情況。

實(shí)驗(yàn)③。通過變換可調(diào)節(jié)角度底座18的梯形體19和鉸接板20的鉸接方式，模擬不同傾角的工作面，液壓加載后觀察支架活柱11受力和和巖石15內(nèi)部裂隙發(fā)育。

實(shí)驗(yàn)④。通過調(diào)節(jié)可變架型液壓支架9的頂梁10、掩護(hù)梁12、底板14、活柱11及前后連桿13的兩兩鉸接位置，模擬井下常用的3種架型液壓支架[5]，即支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架、以及支撐掩護(hù)式液壓支架，然后進(jìn)行液壓加載實(shí)驗(yàn)，并通過信號(hào)采集和處理系統(tǒng)分析不同架型的支架適應(yīng)性。

上述各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定聲發(fā)射測(cè)試裝置的主放為40 dB，門檻值為40 dB，探頭諧振頻率為20～400 kHz，采樣頻率為106次/s，這樣得出的波形圖更加完整。

3 結(jié) 語

所研究的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠在1種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上模擬不同采場(chǎng)環(huán)境下多種液壓支架的支護(hù)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)頂板和支架活柱的壓力大小以及加載后巖石內(nèi)部裂隙的發(fā)育程度，從而在微觀的角度上分析采場(chǎng)支架和圍巖的關(guān)系。

其適用于研究煤礦采煤工作面支架和圍巖的關(guān)系，模擬測(cè)試工作面頂板的破裂程度和分布規(guī)律，能夠?yàn)楣ぷ髅婧线m支護(hù)架型的選擇提供實(shí)驗(yàn)研究方法。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的部分硬件在2013年7月10號(hào)獲得國(guó)家發(fā)明專利，專利號(hào)201310103571；2013年9月獲得第十三屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽三等獎(jiǎng)。而本研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和補(bǔ)充。

[1] 彭 瑞，趙光明，孟祥瑞,等.一種巖石力學(xué)直剪過程聲發(fā)射測(cè)試裝置：中國(guó),201320129722.8[P].2013-07-31. Peng Rui，Zhao Guangming,Meng Xiangrui，et al.A Kind of Rock Mechanics Direct Shear Process Acoustic Emission Testing Device：China，201320129722.8[P].2013-07-31.

[2] 鄒銀輝，董國(guó)偉，張慶化，等.聲發(fā)射系統(tǒng)中的一維黏彈性波導(dǎo)器理論模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007,32(8)：0799-0803. Zou Yinhui,Dong Guowei，Zhang Qinghua，et al.One dimension viscoelastic wave guide theory model in acoustic em ission(AE) system[J].Journal of Coal，2007，32(8)： 0799-0803.

[3] 張艷博，康志強(qiáng)，姜國(guó)虎，等.基于巖石損傷破壞和聲發(fā)射理論的巖爆發(fā)生機(jī)理[J].金屬礦山，2007(12)：79-82. Zhang Yanbo,Kang Zhiqiang，Jiang Guohu，et al.Rock burst mechanism based on rock damage and acoustic emission theory[J].Metal Mine，2007(12)： 79-82.

[4] 徐東強(qiáng).斷層沖擊地壓發(fā)生機(jī)制及聲發(fā)射特性[J].黃金，2000，21(6)：25-26. Xu Dongqiang.The mechanism of rock bursts occurred in fault and the acoustic emission characteristics[J].Gold，2000，21(6 )：25-26.

[5] 張省軍，劉建坡，石長(zhǎng)巖，等.基于聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)巖石破壞前兆特征研究[J].金屬礦山，2008(8)：65-68. Zhang Shengjun,Liu Jianpo,Shi Changyan，et al.Study on precursory chara cteristics of rock failure based on acoustic em ission experiment[J].Metal Mine，2008(8)： 65-68.

[6] 蘆螢螢.基于聲發(fā)射法掘進(jìn)機(jī)故障診斷研究[J].煤礦機(jī)械，2012,33(8)：268-270. Lu Yingying.Study on fault diagnosis of development machine based on acoustic emission method[J].Coal Mine Machinery，2012(8)： 268-270.

[7] 姜誠(chéng)君，李孟源.聲發(fā)射技術(shù)用于重載滾動(dòng)軸承故障診斷的實(shí)驗(yàn)研究[J].礦山機(jī)械，2004(1)：0069-0071. Jiang Chengjun Li Mengyuan.Acoustic emission technology used in rolling overloading bearing fault diagnosis experiment research[J].Mining & Processing Equipment，2004(1)： 0069-0071.

[8] 萬國(guó)香,王其勝,李夕兵.應(yīng)力波作用下巖石聲發(fā)射能量特征[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2012，17(6)：0727-0733. Wan Guoxiang,Wang Qisheng,Li Xibing.On the acoustic emission(AE) energy characteristics of rock subjected to stress waves[J].Journal of Experimental Mechanics，2012(6)： 0727-0733.

[9] 王家成,楊勝利.煤礦綜采支架與圍巖關(guān)系實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：中國(guó),102261972B[P].2013-05-01. Wang Jiacheng,Yang Shengli.Coal Mine Fully Mechanized Relationship Between Supports and Surrounding Rock Experiment Platform：China，102261972B[P].2013-05-01.

[10] 縱 帥,孟祥瑞,趙光明，等.一種液壓支架型實(shí)驗(yàn)臺(tái)：中國(guó)，202485914U[P].2012-10-10. Zong Shuai,Meng Xiangrui Zhao Guangming，et al.A Hydraulic Support Model Test Bench：China，202485914 U[P].2012-10-10.

[11] 楊元?jiǎng)P,李瑞杰,孫 攀.根據(jù)礦壓理論確定液壓支架的選型[J].煤礦機(jī)械,2010,31(10):12-15. Yang Yuankai,Li Ruijie，Sun Pan.According to the mine pressure theory to determine the hydraulic support selection[J].Coal Mine Machinery,，2010，31(1)： 12-15.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Test Platform Design of the Coal Mining Face Support

Peng Rui Zhao Guangming Meng Xiangrui

(SchoolofMiningandSafety，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan232001，China)

Due to simple structure of existing hydraulic support at domestic and backward of loading device and monitoring instrument，it is difficult to dynamically monitor the failure evolution of stope roof and floor rock and is unable to automatically adjust the face inclined angle，etc.In order to overcome these shortcomings above，a platform to test support effect of working resistance，roof pressure，interior fissures of roof and floor and different frame bracket under a variety of stope environments was designed according to the process of hydraulic support and working face of roof and floor.Through the signal acquisition system and the signal processing system，the loading force，the stress of the movable support and the development and distribution of internal fracture of roof and floor rocks were real-time monitored，collected and stored.Based on the study above，the relationship between stope support and surrounding rock was analyzed from microcosmic aspect.

Coal mining face，Support test，Experimental platform，Signal acquisition system，Signal processing system

2013-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51174005,51374013，51134012)，霍英東教育基金會(huì)第十二屆高等院校青年教師基金基礎(chǔ)性研究課題(編號(hào)：121050)，教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：210096)。

彭 瑞(1989—)，男，碩士研究生。

TD687

A

1001-1250(2014)-03-128-04