礦山錨桿群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

孔令成

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 雙馬煤礦， 寧夏 靈武 750408)

0 引言

錨桿支護(hù)在礦山工程中得到了廣泛的應(yīng)用。錨桿對(duì)巖土進(jìn)行錨固是利用錨桿(索)周圍地層巖土的抗剪強(qiáng)度來傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力以保持地層穩(wěn)定。對(duì)錨桿支護(hù)的原理解釋主要有加固拱作用；懸吊作用； 組合梁(拱)作用；最大水平應(yīng)力理論；錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論等。所在這些理論均是將相鄰的錨桿及其范圍內(nèi)的圍巖作為一個(gè)整體來考慮的，即錨桿群。如文獻(xiàn)[1]給出了大跨度矩形巷道錨桿群支護(hù)特征分析；文獻(xiàn)[2]分析了土層錨桿群錨效應(yīng)的研究現(xiàn)狀；而文獻(xiàn)[3]則研究了矩形巷道預(yù)應(yīng)力錨桿群支護(hù)作用。由此可見錨桿群對(duì)于錨固的重要性。

然而，現(xiàn)在錨桿錨固質(zhì)量的監(jiān)測(cè)均是對(duì)單根錨桿進(jìn)行的，不能反映相鄰錨桿群及圍巖之間的耦合關(guān)系，不能確定整體錨固效果。如：拉拔試驗(yàn)法檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量[4]；應(yīng)力波反射法檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量[4]；光纖傳感技術(shù)錨桿軸力監(jiān)測(cè)[5]，文獻(xiàn)[6]給出了鋼筋錨桿和D型錨桿詳細(xì)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，其結(jié)果也說明了錨桿群作用的重要性。然而，錨桿監(jiān)測(cè)技術(shù)與錨桿群錨桿理論還存在較大的差距，唯有文獻(xiàn)[7]介紹了一種錨桿群支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置，提出應(yīng)用錨桿群各錨桿之間振動(dòng)彈性波相互耦合的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)錨固體內(nèi)錨桿群及錨固質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，其只能適用于范圍的人工監(jiān)測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套錨桿群在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 錨桿群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

1.1 錨桿群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

文獻(xiàn)[7]錨桿群監(jiān)測(cè)的原理為：一個(gè)相鄰的3*3錨桿群，選中間錨桿為主激振錨桿，由激振錘給主振錨桿一個(gè)激振波，此激振波將在錨固體中傳輸并耦合給相鄰的其他錨桿，引起這些錨桿隨之振動(dòng)。由于巖層破裂或某個(gè)錨桿錨固不佳，則在各個(gè)錨桿上得到的振動(dòng)將有差異。通過監(jiān)測(cè)各個(gè)錨桿的振動(dòng)波形，進(jìn)行軟件分析，可得出這個(gè)錨桿群整體錨固質(zhì)量的情況。經(jīng)分析表明，振動(dòng)傳輸耦合顯然不僅僅適用于3*3相鄰的錨桿群，同樣能適用于縱橫向呈任意分布的錨桿群組合。由此可見，錨桿群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要需要解決激振和振動(dòng)檢測(cè)問題。

設(shè)計(jì)的錨桿群在線監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示。系統(tǒng)由多個(gè)裝置通過485總線連接而成，系統(tǒng)為主從工作方式，分為主站和分站，由切換開關(guān)進(jìn)行主、分站的設(shè)置。使用STC15F2K60S2單片機(jī)作為裝置的主控芯片。工作時(shí)由主站的單片機(jī)控制激振器發(fā)出激振信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)由主振錨桿傳入錨固體進(jìn)行傳輸，再由安裝在其他錨桿上的分站振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入分站的單片機(jī)進(jìn)行處理。主站與分站電路設(shè)計(jì)相同，只是運(yùn)行的軟件有區(qū)別，這樣可根據(jù)需要，靈活地切換主站和分站的位置，方便實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)[6]所述的在不同位置的激振和振動(dòng)檢測(cè)。

圖1 錨桿群在線監(jiān)測(cè)裝置

1.2 錨桿群耦合在線監(jiān)測(cè)主要解決的問題

錨桿群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要解決的2個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)問題是主站與各個(gè)監(jiān)測(cè)分站時(shí)間同步和對(duì)激振信號(hào)的相關(guān)監(jiān)測(cè)提取。這是由于礦山地層中各種振動(dòng)信號(hào)繁多，對(duì)激振信號(hào)的監(jiān)測(cè)提取會(huì)形成干擾，用普通的濾波方法很難將干擾信號(hào)去除，采用相干濾波提取激振信號(hào)比較有效[7]。

1.2.1 時(shí)間同步問題

由于需要判斷不同錨桿之間振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性，為了減少相關(guān)信號(hào)計(jì)算量，只需要計(jì)算激振后一段短時(shí)間內(nèi)信號(hào)的相關(guān)性，因此主站與各分站之間的時(shí)間同步問題比較重要。本設(shè)計(jì)中采用每次激振測(cè)量前，由主站發(fā)送定時(shí)信號(hào)的方式進(jìn)行主、分站之間的時(shí)間同步與校準(zhǔn)。這樣可以防止各個(gè)分站之間的時(shí)間積累誤差，使得與時(shí)間相關(guān)的計(jì)算更為準(zhǔn)確可靠。

1.2.2 相關(guān)信號(hào)提取檢測(cè)

激振信號(hào)初至波及其時(shí)間是輔助信號(hào)處理的重要信息，本系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[8]提出了一種“基于相關(guān)性分析的礦山微振信號(hào)初至波時(shí)刻提取方法”，利用相關(guān)函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，從而判斷振動(dòng)信號(hào)是否來自同一激振源。該方法設(shè)主站監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)序列為xn，而某分站監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)序列為yn，由2個(gè)離散信號(hào)序列信號(hào)的相關(guān)函數(shù)公式可知，其相關(guān)函數(shù)為：

(1)

這2個(gè)序列信號(hào)的相關(guān)系數(shù)矩陣為：

(2)

式中：ρij=E((Xi-E(Xi))·(Yj-E(Yj)))，X為xn序列的總和，Y為yn序列的總和，E為數(shù)學(xué)期望。

相關(guān)系數(shù)矩陣主對(duì)角線表示信號(hào)的自相關(guān)性，即X與X，Y與Y的相關(guān)性，因此，其始終為1；副對(duì)角線則表示2個(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性，絕對(duì)值越大，相關(guān)性越好。一般情況下2個(gè)信號(hào)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值0.5以上即可認(rèn)為是顯著相關(guān)，而判斷2個(gè)信號(hào)是來自同一振動(dòng)源，該值可根據(jù)實(shí)際情況而更改。

在測(cè)量到的主站與分站數(shù)據(jù)波形及相關(guān)性計(jì)算，當(dāng)2個(gè)信號(hào)的相關(guān)性在0.65以上，說明2個(gè)信號(hào)來自相同的振動(dòng)源。兩站相隔1.5 m時(shí)，相關(guān)時(shí)間約為250 μs。

2 錨桿群耦合在線監(jiān)測(cè)軟件

錨桿群耦合在線監(jiān)測(cè)軟件流程圖如圖2所示，分為主程序和分站中斷程序兩部分。

圖2 錨桿群耦合在線監(jiān)測(cè)軟件流程圖

主程序初始化后，首先判斷自身是主站還是分站，若是分站，則進(jìn)入顯示本分站數(shù)據(jù)，并等待外部中斷的到來。若是主站，則運(yùn)行主站程序，向總線發(fā)定時(shí)信號(hào)，向激振器發(fā)激振信號(hào)，然后采集自身錨桿的振動(dòng)信號(hào)，并存貯數(shù)據(jù)，輪流查詢各分站數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。存貯顯示主站和各分站數(shù)據(jù)。待設(shè)定的再次檢測(cè)時(shí)間到了再重復(fù)上述過程進(jìn)行新的監(jiān)測(cè)。

分站中斷程序由主站的定時(shí)信號(hào)觸發(fā)。該定時(shí)信號(hào)用時(shí)用作各分站與主站的時(shí)間同步。分站采集振動(dòng)數(shù)據(jù)完成后將數(shù)據(jù)傳輸給主站，并進(jìn)行存貯，以供顯示。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過485總線將測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳送給地面上位機(jī)進(jìn)行可視化的處理與顯示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在相似模型中對(duì)錨固群耦合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)是采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)是振動(dòng)歸一化后的相對(duì)幅值。圖3分別給出了測(cè)量到的主振錨桿，相距1.5 m和3 m的2個(gè)錨桿振動(dòng)波形。測(cè)振采用YD33振動(dòng)傳感器，其測(cè)量范圍：在18 V時(shí)為±20 g。在2個(gè)分站錨桿上測(cè)得的信號(hào)與主站信號(hào)的相關(guān)性均大于0.6，其中1.5 m處的分站數(shù)據(jù)與主站相關(guān)性為0.91，而3 m處的分站與主站相關(guān)性為0.89，說明2個(gè)錨桿的振動(dòng)信號(hào)是來自相同的振動(dòng)源，即由主振錨桿的振動(dòng)經(jīng)錨固體耦合而來。1.5 m處分站信號(hào)的相關(guān)時(shí)間約為250 μs，3 m處分站信號(hào)的相關(guān)時(shí)間約為300 μs。實(shí)驗(yàn)表明振動(dòng)波形可以通過巖層傳播到相鄰的錨桿，傳播過程中具有較明顯的衰減。

圖3 錨桿群在線監(jiān)測(cè)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)證明了錨桿群耦合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性。然而具體不同巖層適合傳輸?shù)恼駝?dòng)頻率及其他許多實(shí)用相關(guān)的問題有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于485總線的錨桿群在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用485工業(yè)總路線，為主從工作方式，采集裝置可由切換開關(guān)進(jìn)行主、分站的設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了時(shí)間同步要求和振動(dòng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析要求。在相似材料模型上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了系統(tǒng)的有效性。許多與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用相關(guān)的問題有待進(jìn)一步研究分析。