礦山錨桿群在線監測系統

孔令成

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司 雙馬煤礦， 寧夏 靈武 750408)

0 引言

錨桿支護在礦山工程中得到了廣泛的應用。錨桿對巖土進行錨固是利用錨桿(索)周圍地層巖土的抗剪強度來傳遞結構物的拉力以保持地層穩定。對錨桿支護的原理解釋主要有加固拱作用；懸吊作用； 組合梁(拱)作用；最大水平應力理論；錨桿支護圍巖強度強化理論等。所在這些理論均是將相鄰的錨桿及其范圍內的圍巖作為一個整體來考慮的，即錨桿群。如文獻[1]給出了大跨度矩形巷道錨桿群支護特征分析；文獻[2]分析了土層錨桿群錨效應的研究現狀；而文獻[3]則研究了矩形巷道預應力錨桿群支護作用。由此可見錨桿群對于錨固的重要性。

然而，現在錨桿錨固質量的監測均是對單根錨桿進行的，不能反映相鄰錨桿群及圍巖之間的耦合關系，不能確定整體錨固效果。如：拉拔試驗法檢測錨桿錨固質量[4]；應力波反射法檢測錨桿錨固質量[4]；光纖傳感技術錨桿軸力監測[5]，文獻[6]給出了鋼筋錨桿和D型錨桿詳細的力學實驗分析，其結果也說明了錨桿群作用的重要性。然而，錨桿監測技術與錨桿群錨桿理論還存在較大的差距，唯有文獻[7]介紹了一種錨桿群支護質量檢測方法和檢測裝置，提出應用錨桿群各錨桿之間振動彈性波相互耦合的原理，實現對錨固體內錨桿群及錨固質量進行監測。然而，其只能適用于范圍的人工監測，不能實現在線自動監測。在此基礎上，本文設計了一套錨桿群在線自動監測系統。

1 錨桿群在線監測系統原理

1.1 錨桿群在線監測系統組成

文獻[7]錨桿群監測的原理為：一個相鄰的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。由于巖層破裂或某個錨桿錨固不佳，則在各個錨桿上得到的振動將有差異。通過監測各個錨桿的振動波形，進行軟件分析，可得出這個錨桿群整體錨固質量的情況。經分析表明，振動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，錨桿群在線監測系統主要需要解決激振和振動檢測問題。

設計的錨桿群在線監測裝置如圖1所示。系統由多個裝置通過485總線連接而成，系統為主從工作方式，分為主站和分站，由切換開關進行主、分站的設置。使用STC15F2K60S2單片機作為裝置的主控芯片。工作時由主站的單片機控制激振器發出激振信號，振動信號由主振錨桿傳入錨固體進行傳輸，再由安裝在其他錨桿上的分站振動傳感器采集振動信號，進入分站的單片機進行處理。主站與分站電路設計相同，只是運行的軟件有區別，這樣可根據需要，靈活地切換主站和分站的位置，方便實現文獻[6]所述的在不同位置的激振和振動檢測。

圖1 錨桿群在線監測裝置

1.2 錨桿群耦合在線監測主要解決的問題

錨桿群在線監測系統需要解決的2個主要關鍵技術問題是主站與各個監測分站時間同步和對激振信號的相關監測提取。這是由于礦山地層中各種振動信號繁多，對激振信號的監測提取會形成干擾，用普通的濾波方法很難將干擾信號去除，采用相干濾波提取激振信號比較有效[7]。

1.2.1 時間同步問題

由于需要判斷不同錨桿之間振動信號的相關性，為了減少相關信號計算量，只需要計算激振后一段短時間內信號的相關性，因此主站與各分站之間的時間同步問題比較重要。本設計中采用每次激振測量前，由主站發送定時信號的方式進行主、分站之間的時間同步與校準。這樣可以防止各個分站之間的時間積累誤差，使得與時間相關的計算更為準確可靠。

1.2.2 相關信號提取檢測

激振信號初至波及其時間是輔助信號處理的重要信息，本系統采用文獻[8]提出了一種“基于相關性分析的礦山微振信號初至波時刻提取方法”，利用相關函數對信號進行相關性分析，從而判斷振動信號是否來自同一激振源。該方法設主站監測到的振動數據序列為xn，而某分站監測到的數據序列為yn，由2個離散信號序列信號的相關函數公式可知，其相關函數為：

(1)

這2個序列信號的相關系數矩陣為：

(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為數學期望。

相關系數矩陣主對角線表示信號的自相關性，即X與X，Y與Y的相關性，因此，其始終為1；副對角線則表示2個信號之間的相關性，絕對值越大，相關性越好。一般情況下2個信號相關系數絕對值0.5以上即可認為是顯著相關，而判斷2個信號是來自同一振動源，該值可根據實際情況而更改。

在測量到的主站與分站數據波形及相關性計算，當2個信號的相關性在0.65以上，說明2個信號來自相同的振動源。兩站相隔1.5 m時，相關時間約為250 μs。

2 錨桿群耦合在線監測軟件

錨桿群耦合在線監測軟件流程圖如圖2所示，分為主程序和分站中斷程序兩部分。

圖2 錨桿群耦合在線監測軟件流程圖

主程序初始化后，首先判斷自身是主站還是分站，若是分站，則進入顯示本分站數據，并等待外部中斷的到來。若是主站，則運行主站程序，向總線發定時信號，向激振器發激振信號，然后采集自身錨桿的振動信號，并存貯數據，輪流查詢各分站數據，并進行相關計算。存貯顯示主站和各分站數據。待設定的再次檢測時間到了再重復上述過程進行新的監測。

分站中斷程序由主站的定時信號觸發。該定時信號用時用作各分站與主站的時間同步。分站采集振動數據完成后將數據傳輸給主站，并進行存貯，以供顯示。

現場監測系統通過485總線將測量到的數據傳送給地面上位機進行可視化的處理與顯示。

3 實驗結果分析

在相似模型中對錨固群耦合監測系統進行了實驗，結果如圖3所示，圖中橫坐標是采樣點，縱坐標是振動歸一化后的相對幅值。圖3分別給出了測量到的主振錨桿，相距1.5 m和3 m的2個錨桿振動波形。測振采用YD33振動傳感器，其測量范圍：在18 V時為±20 g。在2個分站錨桿上測得的信號與主站信號的相關性均大于0.6，其中1.5 m處的分站數據與主站相關性為0.91，而3 m處的分站與主站相關性為0.89，說明2個錨桿的振動信號是來自相同的振動源，即由主振錨桿的振動經錨固體耦合而來。1.5 m處分站信號的相關時間約為250 μs，3 m處分站信號的相關時間約為300 μs。實驗表明振動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 錨桿群在線監測模型實驗數據

實驗證明了錨桿群耦合在線監測系統的有效性。然而具體不同巖層適合傳輸的振動頻率及其他許多實用相關的問題有待進一步研究。

4 結論

本文設計了一套基于485總線的錨桿群在線實時監測系統。系統采用485工業總路線，為主從工作方式，采集裝置可由切換開關進行主、分站的設置。系統設計中考慮了時間同步要求和振動數據的相關性分析要求。在相似材料模型上的實驗結果表明了系統的有效性。許多與現場實用相關的問題有待進一步研究分析。