頂板災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)及在動壓巷道中的應(yīng)用

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、四川巖土智測科技有限公司,四川 攀枝花617000 4、四川鈦星工程科技有限責任公司,四川 攀枝花617000)

1 概述

譚云亮等研究了煤礦堅硬頂板離層預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)[1],李虎威等根據(jù)光纖光柵傳感原理和受力特性[2],提出一種可進行實時在線監(jiān)測和長期監(jiān)測的礦壓安全監(jiān)測系統(tǒng)。用于監(jiān)測頂板離層,支護體受力與變形和圍巖應(yīng)力等,在煤礦現(xiàn)場成功應(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)機理[3]；在頂板災(zāi)害的監(jiān)測系統(tǒng)和儀器方面做了大量工作,豐富了礦壓監(jiān)測手段[4]。以上研究成果為礦山頂板災(zāi)害機理和預(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)害形成機理復(fù)雜,雖然馬念杰等眾多的專家學(xué)者針對礦山災(zāi)害預(yù)警防控的課題進行了不斷探索研究,到目前為止,無論是從空間上還是從時間上,國內(nèi)外尚缺乏行之有效的礦山災(zāi)害預(yù)測預(yù)警方法,難以實現(xiàn)災(zāi)害的有效預(yù)警[5]。

2 分布式實時監(jiān)測測力錨桿研發(fā)

2.1 測力錨桿監(jiān)測原理

測力錨桿應(yīng)變技術(shù)監(jiān)測原理是根據(jù)惠斯通電橋平衡原理,惠斯通電橋由四個同等阻值的電阻組合而成,適用于檢測電阻的微小變化。當測力錨桿桿體傳感器受力后,測點i應(yīng)變計會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

當測力錨桿桿體受力時,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)公式計算得出:

當測力錨桿桿體受力時,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)公式計算得出:

2.2 測力錨桿設(shè)計及制備

測力錨桿設(shè)計主要分為硬件設(shè)計以及嵌入式軟件設(shè)計,測力錨桿傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以主要包括如下幾個步驟:(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)計專用錨桿夾具、銑槽軌道,開發(fā)了錨桿銑槽工裝,實現(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)建立標定工裝,基于數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)編制誤差矯正算法,測量值誤差小于0.8%。標定工裝主要由油泵、輪輻傳感器、拉伸機構(gòu)、機床和固定夾具等構(gòu)成,標定時錨桿由螺母和固定夾具鎖緊,通過拉伸機構(gòu)拉動錨桿進行測定,輪輻傳感器將數(shù)據(jù)傳出,錨桿固定于機床的標定槽內(nèi),以模擬巖壁作用。

3 頂板安全監(jiān)測預(yù)警平臺構(gòu)架

礦山頂板安全監(jiān)測預(yù)警平臺是一個具備遠程遙測監(jiān)測分站執(zhí)行配置、采集與現(xiàn)場同步的系統(tǒng),通過以太網(wǎng)絡(luò)擺脫現(xiàn)有測力錨桿需要現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù),提高監(jiān)測的效率與便捷性,真正實現(xiàn)系統(tǒng)的無人監(jiān)守和自動化。同時結(jié)合云計算資源,可實時查看、分析實時、歷史數(shù)據(jù),增加了系統(tǒng)應(yīng)用的實時監(jiān)測與應(yīng)變能力。并將云計算與大數(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)類型和價值密度低的四大特征,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能分析與學(xué)習,智能提高安全預(yù)警的效率與準確度。

平臺以F1監(jiān)測分站為控制終端,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)控數(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算機、訪問WEB端以及使用Android端設(shè)備獲取實時信息及發(fā)出動態(tài)指令。

平臺實現(xiàn)了對錨桿軸力、剪力、彎矩、富余系數(shù)等支護體工況信息進行在線實時監(jiān)測,并且為井巷動態(tài)支護設(shè)計信息化施工提供技術(shù)基礎(chǔ),為井巷頂板安全預(yù)測預(yù)報提供了有效方法。監(jiān)測預(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 錨桿軸力實時監(jiān)測成果分析

4.1 監(jiān)測方案設(shè)計

巷內(nèi)每隔200-300m安設(shè)一臺移動基站,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,網(wǎng)絡(luò)交換機設(shè)在巷道內(nèi)就近接入環(huán)網(wǎng),從交換機引485主傳輸電纜至巷道內(nèi)的監(jiān)測分站處,每個分站接入1組測站,每組測站連接1臺分站和電源箱,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)巷道支護狀態(tài),是巷道監(jiān)測重要內(nèi)容,沿巷道走向布置6個測站,對錨桿受力進行監(jiān)測,每個測站斷面布置多點應(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)?。測力錨桿從左幫到右?guī)鸵来螛颂枮?～7號測力錨桿。下面以第6測站1號錨桿為例進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

6-1號錨桿: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,當軸力、彎矩、剪力等達到該值時,系統(tǒng)自動報警,現(xiàn)場可采取具體措施加強支護。

圖2 錨桿軸力沿程曲線圖

圖3 錨桿軸力沿時曲線圖

圖4 錨桿彎矩沿時曲線圖

圖5 錨桿彎矩沿程曲線圖

5 結(jié)論

5.1 研發(fā)了分布式實時監(jiān)測測力錨桿,構(gòu)建了頂板災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),可動態(tài)實時監(jiān)測錨桿軸力、剪力、彎矩等工況信息,并實時給出錨桿強度富余系數(shù),當桿體某處軸力超過安全閾值時,系統(tǒng)會發(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)顧橋礦動壓巷道成功應(yīng)用,得出巷道錨桿在采動影響下軸力響應(yīng)規(guī)律,采動期間錨桿軸力顯著高于掘進期間,錨桿軸力峰值點為距工作面27m處。

5.3 實測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,當軸力、彎矩、剪力等達到該值時,系統(tǒng)自動報警,現(xiàn)場可采取具體措施加強支護。