頂板冒頂隱患測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

郭書英，王睿豐，曲 光

(1.中國(guó)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(guò)對(duì)煤礦巷道頂板冒頂隱患的探測(cè)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(guò)對(duì)巷道頂板進(jìn)行離層監(jiān)測(cè)或錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)[1－2]，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判定巷道是否存在冒頂隱患，兩者對(duì)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(hù)后所進(jìn)行的監(jiān)測(cè)預(yù)警，觀測(cè)周期長(zhǎng)，且觀測(cè)點(diǎn)的布置有其本身固有的局限性。除此之外，國(guó)內(nèi)學(xué)者在頂板巖層結(jié)構(gòu)探測(cè)、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(cè)儀用于探測(cè)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(duì)頂板巖層的探測(cè)也起到了一定的推動(dòng)作用，但這些方法使用復(fù)雜，精確度不高，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冒頂隱患的存在。針對(duì)以上情況，論文研究設(shè)計(jì)了頂板冒頂隱患測(cè)試儀，該測(cè)試儀的設(shè)計(jì)依據(jù)為鉆削破巖理論[7]，該理論指出，錨桿鉆機(jī)在頂板鉆進(jìn)破巖時(shí)反映出來(lái)的瞬時(shí)信息可以反映出所鉆進(jìn)巖層的密度、強(qiáng)度、硬度等物理力學(xué)特征，因此，只要在掘進(jìn)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)完整地獲取這些信息，就能據(jù)此推斷出鉆孔所在點(diǎn)巷道頂板的巖層物理力學(xué)特征，該測(cè)試儀實(shí)時(shí)采集鉆機(jī)在鉆孔過(guò)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(cè)試儀原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(cè)試儀測(cè)試原理

鉆削破巖理論指出，錨桿鉆機(jī)在頂板鉆進(jìn)破巖時(shí)反映出來(lái)的瞬時(shí)信息可以反映出所鉆進(jìn)巖層的密度、強(qiáng)度、硬度等物理力學(xué)特征，因此，只要在鉆孔時(shí)能夠?qū)崟r(shí)完整地獲取這些信息，就能據(jù)此推斷出鉆孔所在點(diǎn)巷道頂板的巖層物理力學(xué)特征。而頂板冒頂隱患測(cè)試儀就是依據(jù)鉆機(jī)在對(duì)破碎巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)與對(duì)完整巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)所受到的力不同設(shè)計(jì)而成。

頂板冒頂隱患測(cè)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(cè)量鉆機(jī)在鉆孔過(guò)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(duì)其進(jìn)行處理分析。由于對(duì)破碎巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)與對(duì)完整巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)鉆機(jī)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(guò)簡(jiǎn)單的處理，形成鉆機(jī)推力曲線圖，并依此來(lái)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(bǔ)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(cè)量技術(shù)為惠斯通電橋測(cè)量法。圖1為惠斯通電橋原理圖，其中，四個(gè)電阻RX、R1、R2、R3，連成四邊形，稱為電橋的四個(gè)臂，其中 R1、R2、R3為固定電阻，RX為可變電阻，當(dāng) RX變化時(shí)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(cè)電阻，RX0為其初始值，△R為電阻變化量。

通過(guò)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(cè)電阻的函數(shù)關(guān)系，本文研究的頂板冒頂隱患測(cè)試儀采用的是等臂電橋，即電橋的四個(gè)橋臂阻值相等，即R1=R2=R3=RX0，此時(shí)(4)式簡(jiǎn)化為:

當(dāng)被測(cè)電阻的△R＜＜RX0時(shí)，(5)式可進(jìn)一步簡(jiǎn)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(jìn)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(chǔ)器芯片，時(shí)鐘芯片等，數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)采集電阻的變化，并對(duì)其進(jìn)行處理分析，從而得到鉆機(jī)所受到的外力作用的大小，可清晰觀察鉆機(jī)在鉆孔過(guò)程中的受力情況[9]，進(jìn)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(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志為基本要求，采用低功耗芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，以單片機(jī)MSP430F5438為核心，用于采集處理壓力傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)，傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后利用芯片 ADS1248進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將其存儲(chǔ)至AT24C1024串行EEPROM芯片;時(shí)鐘芯片采用PCF8563，射頻芯片采用NRF24L01。

該冒頂隱患測(cè)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(jī)連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理從而得出各種曲線和報(bào)表。

2 頂板冒頂隱患測(cè)試儀的安裝使用

2.1 適用條件

頂板冒頂隱患測(cè)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(duì)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(wú)破壞絕緣的腐蝕性物質(zhì)的場(chǎng)合均可使用。

2.2 頂板冒頂隱患測(cè)試儀的安裝使用

頂板冒頂隱患測(cè)試儀尾部通過(guò)釬桿與鉆機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)身與鉆桿之間，在鉆機(jī)開始進(jìn)行鉆孔之前打開頂板冒頂隱患測(cè)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(chǔ)起來(lái)，鉆孔完成后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)有線傳至計(jì)算機(jī)，用相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理后形成鉆機(jī)推力曲線圖，并依此來(lái)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(cè)試儀安裝圖

3 現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐研究

該試驗(yàn)地點(diǎn)選在中煤集團(tuán)的五家溝礦，五家溝礦煤層較厚，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，煤層頂板與巖層頂板相比，強(qiáng)度較弱，支護(hù)不及時(shí)將會(huì)發(fā)生冒頂危險(xiǎn)，局部地區(qū)頂板淋水較為嚴(yán)重。煤層巷道在回采過(guò)程中，頂板下沉量較大，存在冒頂隱患，本試驗(yàn)需要通過(guò)研究確定巷道冒頂危險(xiǎn)區(qū)。

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

表1 試驗(yàn)點(diǎn)位置

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

圖5表明在5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼150 m處進(jìn)行頂板鉆進(jìn)時(shí)鉆機(jī)受力較為平穩(wěn)，鉆機(jī)受力穩(wěn)定在5～8 kN之間，說(shuō)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(yùn)輸巷道距開切眼250m處進(jìn)行頂板鉆孔時(shí)，鉆機(jī)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(shuō)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(yùn)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(yùn)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(jī)采樣的巖芯進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與其測(cè)試結(jié)果一致，效果良好。

圖5 5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼50 m處鉆機(jī)受力圖

圖6 5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼250 m處鉆機(jī)受力圖

圖7 5203運(yùn)輸巷道距開切眼50 m處鉆機(jī)受力圖

圖8 5203運(yùn)輸巷道距開切眼150 m處鉆機(jī)受力圖

4 結(jié)論

1)頂板冒頂隱患測(cè)試儀根據(jù)鉆機(jī)在對(duì)破碎巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)與對(duì)完整巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)鉆機(jī)所受到的力不同，來(lái)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)鉆孔過(guò)程中的推力，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)壓力傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、處理，形成鉆機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)，以單片機(jī)MSP430F5438為核心，同時(shí)進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)，保證了該探測(cè)儀具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

3)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)表明，該頂板冒頂隱患測(cè)試儀可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)是的推力進(jìn)行同步、連續(xù)的采集存儲(chǔ)，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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