頂板災害預警系統研發及在動壓巷道中的應用

蔡正委侯俊領袁 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、四川鑄創安全科技有限公司,四川 成都610041 2、攀枝花學院,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測預報系統[1],李虎威等根據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測和長期監測的礦壓安全監測系統。用于監測頂板離層,支護體受力與變形和圍巖應力等,在煤礦現場成功應用并取得顯著效果。許多學者從巷道圍巖破壞特征的角度研究了巷道圍巖塑性區的演化規律及其致災機理[3]；在頂板災害的監測系統和儀器方面做了大量工作,豐富了礦壓監測手段[4]。以上研究成果為礦山頂板災害機理和預警提供了理論基礎和技術手段。然而,由于礦山地質條件的不確定性,災害形成機理復雜,雖然馬念杰等眾多的專家學者針對礦山災害預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,國內外尚缺乏行之有效的礦山災害預測預警方法,難以實現災害的有效預警[5]。

2 分布式實時監測測力錨桿研發

2.1 測力錨桿監測原理

測力錨桿應變技術監測原理是根據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,桿體形變所產生的拉伸應變、拉伸應力、軸力參數,可根據公式計算得出:

當測力錨桿桿體受力時,桿體形變所產生的彎曲應變、彎曲應力、彎矩參數,可根據公式計算得出:

2.2 測力錨桿設計及制備

測力錨桿設計主要分為硬件設計以及嵌入式軟件設計,測力錨桿傳感器的結構設計可以主要包括如下幾個步驟:(1)錨桿開槽,選取粘貼應變片或光纖等感知元件。(2)連接導線。(3)硅膠封槽,組裝錨桿和集線盒。制備工藝包括:(1)設計專用錨桿夾具、銑槽軌道,開發了錨桿銑槽工裝,實現批量化生產。(2)創建多道灌封、高溫固化、電子元器件老化等工藝保障感知元件穩定可靠。(3)建立標定工裝,基于數學優化技術編制誤差矯正算法,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、機床和固定夾具等構成,標定時錨桿由螺母和固定夾具鎖緊,通過拉伸機構拉動錨桿進行測定,輪輻傳感器將數據傳出,錨桿固定于機床的標定槽內,以模擬巖壁作用。

3 頂板安全監測預警平臺構架

礦山頂板安全監測預警平臺是一個具備遠程遙測監測分站執行配置、采集與現場同步的系統,通過以太網絡擺脫現有測力錨桿需要現場讀取數據,提高監測的效率與便捷性,真正實現系統的無人監守和自動化。同時結合云計算資源,可實時查看、分析實時、歷史數據,增加了系統應用的實時監測與應變能力。并將云計算與大數據技術緊密結合,利用大數據具有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低的四大特征,對監測數據進行智能分析與學習,智能提高安全預警的效率與準確度。

平臺以F1監測分站為控制終端,通過RS485電纜同1-10根錨桿通訊,交互應變傳感器數據。F1分站所獲得的監控數據通過以太網鏈路傳輸至地面控制中心,監控人員可通過使用中心計算機、訪問WEB端以及使用Android端設備獲取實時信息及發出動態指令。

平臺實現了對錨桿軸力、剪力、彎矩、富余系數等支護體工況信息進行在線實時監測,并且為井巷動態支護設計信息化施工提供技術基礎,為井巷頂板安全預測預報提供了有效方法。監測預警系統由感知層、網絡層和應用層三部分構成。

4 錨桿軸力實時監測成果分析

4.1 監測方案設計

巷內每隔200-300m安設一臺移動基站,根據現場實際情況,網絡交換機設在巷道內就近接入環網,從交換機引485主傳輸電纜至巷道內的監測分站處,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。

錨桿受力直接反應巷道支護狀態,是巷道監測重要內容,沿巷道走向布置6個測站,對錨桿受力進行監測,每個測站斷面布置多點應力錨桿7根,分別布置在左幫中,左幫上部,左頂肩窩,左頂,中頂,右頂,右幫。測力錨桿從左幫到右幫依次標號為1～7號測力錨桿。下面以第6測站1號錨桿為例進行監測數據分析。

4.2 監測數據分析

6-1號錨桿:最大值與桿體屈服力之比為60%左右,最小富余系數為40%,表明目前的支護能較好的控制頂板。根據巷道使用年限、重要程度以及安全系數等因素,可在系統內設置安全閾值,當軸力、彎矩、剪力等達到該值時,系統自動報警,現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 結論

5.1 研發了分布式實時監測測力錨桿,構建了頂板災害預警系統,可動態實時監測錨桿軸力、剪力、彎矩等工況信息,并實時給出錨桿強度富余系數,當桿體某處軸力超過安全閾值時,系統會發出安全預警信息。

5.2 頂板災害預警系統在淮南礦區顧橋礦動壓巷道成功應用,得出巷道錨桿在采動影響下軸力響應規律,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,最小富余系數為40%,表明目前的支護能較好的控制頂板。

5.4 根據巷道使用年限、重要程度以及安全系數等因素,可在系統內設置安全閾值,當軸力、彎矩、剪力等達到該值時,系統自動報警,現場可采取具體措施加強支護。