錨桿支護巷道礦壓監測儀的研發與應用?

郭書英武飛岐（.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院,北京市海淀區,00083; 2.河北邢臺學院,河北省邢臺市,05600）

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錨桿支護巷道礦壓監測儀的研發與應用?

郭書英1,2武飛岐1
（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083; 2.河北邢臺學院,河北省邢臺市,056001）

摘要針對礦壓監測問題,通過分析礦壓監測技術原理,研發了能夠實時監測頂板及圍巖的應力應變礦壓監測儀,該監測儀能夠精確動態地監測錨桿錨索的受力情況,據此確定巷道礦壓顯現規律。該儀器在中煤集團馬營塔礦進行了實踐研究,通過對所得數據進行處理分析,準確地得出了9103回風巷道頂板錨桿的受力狀態、受力變化過程及變化趨勢,為巷道頂板支護方案優化提供了基礎數據和理論依據。

關鍵詞巷道支護 錨桿支護 礦壓監測 數據采集 監測儀 傳感器

目前,巷道礦壓顯現規律的研究方法主要有理論分析、數值模擬、現場觀測等,其中,現場觀測是一種最直接、最有效的研究方法。本文研發了一種適用于煤礦井下的礦壓監測儀,該監測儀可實時監測記錄錨桿錨索的受力情況,能夠精確、全面、動態地反映頂板及圍巖的應力應變情況,并可據此確定巷道礦壓顯現規律,為巷道支護參數的選擇提供理論依據和基礎數據,為煤礦井下的高效開采和安全生產提供可靠的保障。

1　巷道礦壓監測儀監測技術原理

巷道礦壓監測儀監測主要是利用電阻應變片的應變效應,即電阻絲在受到應力作用時,其電阻隨著所發生的拉伸或壓縮式機械變形的大小而發生相應的變化,通過測量電阻的這種變化而對應變進行測量。進行壓力監測時,將電阻應變片通過特殊的粘和劑緊密地粘合在產生力學應變基體上,當基體受力發生應力變化時,電阻應變片也一起產生形變,使應變片的阻值發生改變,從而使加在電阻上的電壓發生變化。電阻應變效應的理論公式如下:

式中:R——電阻絲的電阻;

ρ——電阻絲的電阻率;

L——電阻絲的長度;

S——電阻絲的截面積。

由式（1）可知,電阻絲在承受應力而發生機械變形的過程中,ρ、L、S三者都要發生變化,從而必然會引起電阻絲電阻值的變化。當電阻絲受外力伸長時,長度增加,截面積減小,電阻值增加;當受壓力縮短時,長度減小,截面積增大,電阻值減小。因此,只要能測出電阻值的變化,便可獲得電阻絲的應變情況。這種轉換關系為:

式中:ΔR——電阻絲電阻值的變化量;

K0——電阻絲材料的應變靈敏系數,其主要由試驗方法確定,且在彈性極限內基本為常數;

ε——電阻材料的軸向應變值或長度應變值,其值在0.24～0.4之間;

ΔL——電阻絲長度的變化量。

2　巷道礦壓監測儀的設計

巷道礦壓監測儀由壓力傳感器和數據采集儀組成,其中壓力傳感器主要采用電阻應變片的應變效應,通過測量電阻的變化而對應變進行測量,由于應變片在受力時產生的阻值變化通常較小,故應變片都組成應變電橋,并通過后續的放大電路進行放大,再傳輸給處理電路進行處理。數據采集儀負責完成對信號的放大、采集、存儲,并通過相應的數據處理軟件對采集數據進行處理,進而形成壓力變化曲線。

2.1壓力傳感器

壓力傳感器是由特殊材料制成的彈性體、電阻應變片及溫度補償電路組成,并采用非平衡電橋方式連接,最后密封在彈性體中。其中應變片可以把應變的變化轉換為電阻的變化,為了顯示和記錄應變的大小,再將電阻的變化轉換為電壓的變化,其采用的測量技術為惠斯通電橋測量法。圖1（a）為惠斯通電橋原理圖,其中,4個電阻RX、R1、R2和R3連成四邊形,稱為電橋的4個臂。

圖1　惠斯通電橋原理圖及等效原理圖

根據戴維南定理,圖1（a）所示的電橋可等效為圖1（b）所示的二端口網絡,其中UOC為輸出端開路的輸出電壓,Ri為輸出阻抗。由圖1（a）和圖1（b）可知,Ri與R1、R2、R3及RX的關系如圖1（c）所示。

可見:

R1、R2、R3——固定電阻;

RX——可變電阻;

RL——R3、RX兩端的電阻值。

惠斯通電橋的輸出采用的負載很大近似于開路,所以在這種情況下RL→∞,得出:

式中:RXO——其初始值;

△R——電阻變化量。

通過整理式（3）、（4）得到:

式（6）是一般形式的惠斯通電橋的輸出與被測電阻的函數關系,本文研究的礦壓監測儀采用的是等臂電橋,即電橋的4個橋臂阻值相等,即R1＝R2＝R3＝RXO,此時式（6）簡化為:

當被測電阻△R?RXO時,式（7）可進一步簡化為:

可知UOC與△R成線性關系,由此可由電阻的變化轉變為電壓的變化,進而根據電壓值的變化反映出外力作用的大小。

2.2數據采集儀

數據采集儀主要由電路板、外殼、接口等部件組成。其中電路板主要包括處理器芯片、存儲器芯片、時鐘芯片等元器件,數據采集儀通過實時采集壓力傳感器的模擬量,并對其進行處理分析,從而得到錨桿錨索所受到的壓力值,依據錨桿錨索的受力情況進而判斷此處頂板是否存在冒頂隱患及隱患存在的范圍。

該數據采集儀采用低功耗芯片,以單片機MSP430F5438為核心,用于采集處理壓力傳感器產生的電壓信號,傳感器信號經過放大后利用芯片ADS1248進行模數轉換,并將其存儲至AT24C1024串行EEPROM芯片;時鐘芯片采用PCF8563。為了適應復雜的井下環境,便于數據接收,儀器內部嵌入了NRF24L01射頻芯片,使得數據采集儀不僅可以以有線通訊方式進行數據傳輸,而且可以通過無線通訊方式進行數據傳輸。該數據采集儀為智能化數字儀表,內置RS232C異步通訊接口,可直接與PC機進行通訊。

數據采集儀具有顯示、校零、報警、參數設置等功能,采用光控觸發顯示,用礦燈照射一次可啟動一次顯示,顯示5 s后自動關閉。當錨桿錨索壓力值超過設定報警值時,數據采集儀自動聲光指示報警,報警參數與其他參數設置操作可通過手持式無線傳輸設備完成,亦可通過有線通訊方式通過PC機進行設定。當數據采集儀采集到的數據傳輸到計算機后,利用相應的數據處理軟件進行處理生成錨桿錨索受力曲線圖,該曲線圖可直觀顯示錨桿錨索在每個時刻的受力情況及總體變化趨勢。

3　工程實踐

3.1礦壓監測儀

礦壓監測儀能夠實時監測錨桿錨索的受力狀況,及時發現冒頂隱患,并對錨桿施工質量作出評價。本文采用礦壓監測儀對錨桿錨索的受力進行監測,壓力傳感器安裝在錨桿錨索尾部,通過數據線與數據采集儀連接。該監測儀為多路監測儀表,可同時監測5個錨桿錨索的受力情況。監測儀采集到的數據可以以無線通訊方式通過數據接收設備讀取,然后傳給上位機,或者直接將礦壓監測儀與PC機連接讀取采集數據。通過數據處理軟件處理采集數據,并據此分析判斷是否存在安全隱患,當存在安全隱患時,發出報警信號。

3.2地質狀況

本次礦壓監測儀監測錨桿的試驗選在馬營礦。礦內地層平緩,發育有次級寬緩褶曲和1條正斷層,井田內未發現陷落柱和巖漿巖侵入現象,井田構造屬簡單類。煤層較厚,頂煤中存在多個軟弱夾層;煤層頂板以直接頂為主,老頂次之;直接頂巖性為泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖;老頂巖性為中、粗粒砂巖;底板巖性主要為泥巖,其次為砂質泥巖和粉砂巖。力學試驗測試結果為中、粗粒砂巖為半堅硬巖石,泥巖、砂質泥巖為軟弱的巖石。

3.3測點布置

根據馬營礦現場實際地質條件和試驗需要,將礦壓監測儀安裝在9103回風巷道的頂板錨桿上,在試驗前,對礦壓監測儀進行編號,各觀測站礦壓監測儀布置見表1所示。

表1　觀測站布置參數及2 m錨桿受力監測結果

3.4數據分析

根據各礦壓監測儀的監測數據對各個錨桿的受力情況進行分析,得到如圖2所示的錨桿受力曲線圖。

圖2　錨桿受力曲線圖

圖2中各礦壓監測儀監測的錨桿均為2 m短錨桿,1號礦壓監測儀監測1＃和2＃錨桿的受力情況,監測顯示1＃錨桿的初始錨固力為1 t,隨著安裝時間的延長,錨桿受力經歷了下降、上升、穩定3個階段,在這3個階段內受力有所起伏但整體變化不大;2＃錨桿的初始錨固力為2.8 t,然后迅速下降到1 t,在此后的監測過程中,錨桿受力逐步下降,降至0.6 t后保持穩定。

2號礦壓監測儀監測3＃和4＃錨桿的受力情況,監測顯示3＃錨桿的初始錨固力為6.1 t,隨著安裝時間的延長,錨桿受力有所起伏但整體變化不大,僅在觀測第四天出現較明顯波動,穩定在6.1 t;4＃錨桿的初始錨固力為9.1 t,然后迅速下降到8.2 t,而后又上升至9.2 t,在此后的觀察中,錨桿受力呈下降趨勢,總體變化不大。

3號礦壓監測儀監測5＃和6＃錨桿的受力情況,監測顯示5＃錨桿的初始錨固力為5.3 t,隨著安裝時間的延長,錨桿受力在觀測的2 d內逐步下降到4 t,然后基本保持穩定,在觀測的15～20 d錨桿受力變化較大,在4.3～6.2 t的范圍內往復變化;6＃錨桿的初始錨固力為2.2 t,在此后的觀察中,錨桿受力基本穩定,維持在2 t左右。

4號礦壓監測儀監測7＃和8＃錨桿的受力情況,監測顯示7＃錨桿的初始錨固力為3.1 t,在此后的觀察的前26 d中,錨桿受力基本穩定,維持在3 t左右變化,在26 d瞬時下降到0.8 t,然后增長到2 t后基本保持穩定;8＃錨桿的初始錨固力為4.3 t,此后在觀測中變化劇烈,最小降至2.8 t,最大達到7.2 t。

5號礦壓監測儀監測9＃和10＃錨桿的受力情況,監測顯示9＃錨桿的初始錨固力為9 t,在此后的觀察中,錨桿受力經歷下降、上升及穩定3個階段,最后保持在7.8～8 t之間;10＃錨桿的初始錨固力為3.8 t,此后在觀測的15 d內基本保持穩定,在觀測的15～18 d錨桿受力變化較大,瞬時受力最大達9.1 t后逐步下降到4.8 t,而后持續上升至10.7 t,此后一直在7～10.6 t的范圍內往復擺動,且擺動趨勢逐步減小。

3.5監測結論

各個監測儀中所測錨桿受力的結果見表1,其中初始錨固力為該觀測站兩個錨桿的均值,受力最大值最小值為該觀測站的最大和最小值。由表1及圖2的監測數據可知:

（1）2 m錨桿受力最大值為10.7 t,最小值為0.5 t。

（2）錨桿受力監測曲線出現跳躍,說明頂板壓力是一個動態的變化過程,錨桿利用自身良好的物理力學性能,很好地適應頂板壓力的變化,對于維持巷道的穩定起到了至關重要的作用。

（3）在錨桿監測過程中均存在穩定狀態,且能夠長期保持巷道的穩定,說明目前使用的支護技術能夠很好地適應馬營礦的地質條件,但是部分地段錨桿受力變化較大,應對該地段加強監測和管理。

4　結論

（1）礦壓監測儀在中煤集團馬營礦9103回風巷道的試驗過程中,對9103回風巷道的頂板錨桿受力情況進行了實時監測記錄,準確地得出9103回風巷道的頂板應力情況效果良好,為礦山壓力顯現研究提供了基礎數據,為巷道支護優化方案提供重要理論設計依據,為煤礦井下的安全生產提供可靠的保障。

（2）礦壓監測儀可實時監測記錄錨桿錨索的受力情況、受力的變化過程及變化趨勢,能夠精確、全面、動態地反映頂板及圍巖的應力應變情況,并可據此確定巷道礦壓顯現規律,為巷道支護參數的選擇提供理論依據和基礎數據,在煤炭行業和其他領域具有廣泛的應用前景。

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（責任編輯張毅玲）

Development and application of mine pressure monitor in bolt supporting roadway

Guo Shuying1,2,Wu Feiqi1
（1.College of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Xingtai University,Xingtai,Hebei 056001,China）

AbstractAiming at the mine pressure monitoring problems and by analyzing the principles of mine pressure monitoring technology,a kind of mine pressure monitor was researched and developed,which could monitor the stress-strain of the roof and surrounding rocks in real time and monitor the force conditions of bolts and cables accurately and dynamically.So the mine pressure behaviors were hereby determined.The practice research on the monitor was carried out in Mayingta Mine of China National Coal Group Corp. With the analysis on the obtained data,the stress state,stress changing process and trend of the roof bolts in air retuning roadway of No.9103 working face were achieved,which provided basic data and theoretical basis for supporting scheme optimization.

Key wordsroadway supporting,bolt support,mine pressure monitoring,data collection, monitor,sensor

作者簡介:郭書英（1980－）,女,河北邯鄲人,講師,在讀博士,研究方向:礦山壓力監測及其控制。

基金項目:?國家自然科學基金重點項目（51234005）

中圖分類號TD353

文獻標識碼A