郭書英武飛岐（.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),00083; 2.河北邢臺(tái)學(xué)院,河北省邢臺(tái)市,05600）

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錨桿支護(hù)巷道礦壓監(jiān)測(cè)儀的研發(fā)與應(yīng)用?

郭書英1,2武飛岐1
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.河北邢臺(tái)學(xué)院,河北省邢臺(tái)市,056001）

摘要針對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)問(wèn)題,通過(guò)分析礦壓監(jiān)測(cè)技術(shù)原理,研發(fā)了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)頂板及圍巖的應(yīng)力應(yīng)變礦壓監(jiān)測(cè)儀,該監(jiān)測(cè)儀能夠精確動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)錨桿錨索的受力情況,據(jù)此確定巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。該儀器在中煤集團(tuán)馬營(yíng)塔礦進(jìn)行了實(shí)踐研究,通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,準(zhǔn)確地得出了9103回風(fēng)巷道頂板錨桿的受力狀態(tài)、受力變化過(guò)程及變化趨勢(shì),為巷道頂板支護(hù)方案優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞巷道支護(hù) 錨桿支護(hù) 礦壓監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)采集 監(jiān)測(cè)儀 傳感器

目前,巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究方法主要有理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等,其中,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是一種最直接、最有效的研究方法。本文研發(fā)了一種適用于煤礦井下的礦壓監(jiān)測(cè)儀,該監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄錨桿錨索的受力情況,能夠精確、全面、動(dòng)態(tài)地反映頂板及圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況,并可據(jù)此確定巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,為巷道支護(hù)參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為煤礦井下的高效開采和安全生產(chǎn)提供可靠的保障。

1　巷道礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

巷道礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)主要是利用電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng),即電阻絲在受到應(yīng)力作用時(shí),其電阻隨著所發(fā)生的拉伸或壓縮式機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化,通過(guò)測(cè)量電阻的這種變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)時(shí),將電阻應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密地粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變,使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。電阻應(yīng)變效應(yīng)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(zhǎng)度;

S——電阻絲的截面積。

由式（1）可知,電阻絲在承受應(yīng)力而發(fā)生機(jī)械變形的過(guò)程中,ρ、L、S三者都要發(fā)生變化,從而必然會(huì)引起電阻絲電阻值的變化。當(dāng)電阻絲受外力伸長(zhǎng)時(shí),長(zhǎng)度增加,截面積減小,電阻值增加;當(dāng)受壓力縮短時(shí),長(zhǎng)度減小,截面積增大,電阻值減小。因此,只要能測(cè)出電阻值的變化,便可獲得電阻絲的應(yīng)變情況。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

式中:ΔR——電阻絲電阻值的變化量;

K0——電阻絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù),其主要由試驗(yàn)方法確定,且在彈性極限內(nèi)基本為常數(shù);

ε——電阻材料的軸向應(yīng)變值或長(zhǎng)度應(yīng)變值,其值在0.24～0.4之間;

ΔL——電阻絲長(zhǎng)度的變化量。

2　巷道礦壓監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

巷道礦壓監(jiān)測(cè)儀由壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成,其中壓力傳感器主要采用電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng),通過(guò)測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量,由于應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小,故應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋,并通過(guò)后續(xù)的放大電路進(jìn)行放大,再傳輸給處理電路進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集儀負(fù)責(zé)完成對(duì)信號(hào)的放大、采集、存儲(chǔ),并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)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(yīng)變片及溫度補(bǔ)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(yīng)變片可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化,為了顯示和記錄應(yīng)變的大小,再將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,其采用的測(cè)量技術(shù)為惠斯通電橋測(cè)量法。圖1（a）為惠斯通電橋原理圖,其中,4個(gè)電阻RX、R1、R2和R3連成四邊形,稱為電橋的4個(gè)臂。

圖1　惠斯通電橋原理圖及等效原理圖

根據(jù)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(wǎng)絡(luò),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(guān)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(fù)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(guò)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(cè)電阻的函數(shù)關(guān)系,本文研究的礦壓監(jiān)測(cè)儀采用的是等臂電橋,即電橋的4個(gè)橋臂阻值相等,即R1＝R2＝R3＝RXO,此時(shí)式（6）簡(jiǎn)化為:

當(dāng)被測(cè)電阻△R?RXO時(shí),式（7）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:

可知UOC與△R成線性關(guān)系,由此可由電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?進(jìn)而根據(jù)電壓值的變化反映出外力作用的大小。

2.2數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)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(chǔ)器芯片、時(shí)鐘芯片等元器件,數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)實(shí)時(shí)采集壓力傳感器的模擬量,并對(duì)其進(jìn)行處理分析,從而得到錨桿錨索所受到的壓力值,依據(jù)錨桿錨索的受力情況進(jìn)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(shù)據(jù)采集儀采用低功耗芯片,以單片機(jī)MSP430F5438為核心,用于采集處理壓力傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào),傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后利用芯片ADS1248進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并將其存儲(chǔ)至AT24C1024串行EEPROM芯片;時(shí)鐘芯片采用PCF8563。為了適應(yīng)復(fù)雜的井下環(huán)境,便于數(shù)據(jù)接收,儀器內(nèi)部嵌入了NRF24L01射頻芯片,使得數(shù)據(jù)采集儀不僅可以以有線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而且可以通過(guò)無(wú)線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該數(shù)據(jù)采集儀為智能化數(shù)字儀表,內(nèi)置RS232C異步通訊接口,可直接與PC機(jī)進(jìn)行通訊。

數(shù)據(jù)采集儀具有顯示、校零、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置等功能,采用光控觸發(fā)顯示,用礦燈照射一次可啟動(dòng)一次顯示,顯示5 s后自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)錨桿錨索壓力值超過(guò)設(shè)定報(bào)警值時(shí),數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)聲光指示報(bào)警,報(bào)警參數(shù)與其他參數(shù)設(shè)置操作可通過(guò)手持式無(wú)線傳輸設(shè)備完成,亦可通過(guò)有線通訊方式通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后,利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)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(gè)時(shí)刻的受力情況及總體變化趨勢(shì)。

3　工程實(shí)踐

3.1礦壓監(jiān)測(cè)儀

礦壓監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)錨桿錨索的受力狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)冒頂隱患,并對(duì)錨桿施工質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。本文采用礦壓監(jiān)測(cè)儀對(duì)錨桿錨索的受力進(jìn)行監(jiān)測(cè),壓力傳感器安裝在錨桿錨索尾部,通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接。該監(jiān)測(cè)儀為多路監(jiān)測(cè)儀表,可同時(shí)監(jiān)測(cè)5個(gè)錨桿錨索的受力情況。監(jiān)測(cè)儀采集到的數(shù)據(jù)可以以無(wú)線通訊方式通過(guò)數(shù)據(jù)接收設(shè)備讀取,然后傳給上位機(jī),或者直接將礦壓監(jiān)測(cè)儀與PC機(jī)連接讀取采集數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件處理采集數(shù)據(jù),并據(jù)此分析判斷是否存在安全隱患,當(dāng)存在安全隱患時(shí),發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.2地質(zhì)狀況

本次礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)錨桿的試驗(yàn)選在馬營(yíng)礦。礦內(nèi)地層平緩,發(fā)育有次級(jí)寬緩褶曲和1條正斷層,井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱和巖漿巖侵入現(xiàn)象,井田構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類。煤層較厚,頂煤中存在多個(gè)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(zhì)泥巖、細(xì)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(zhì)泥巖和粉砂巖。力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為中、粗粒砂巖為半堅(jiān)硬巖石,泥巖、砂質(zhì)泥巖為軟弱的巖石。

3.3測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)馬營(yíng)礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件和試驗(yàn)需要,將礦壓監(jiān)測(cè)儀安裝在9103回風(fēng)巷道的頂板錨桿上,在試驗(yàn)前,對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行編號(hào),各觀測(cè)站礦壓監(jiān)測(cè)儀布置見表1所示。

表1　觀測(cè)站布置參數(shù)及2 m錨桿受力監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.4數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各礦壓監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)錨桿的受力情況進(jìn)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(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的錨桿均為2 m短錨桿,1號(hào)礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)1＃和2＃錨桿的受力情況,監(jiān)測(cè)顯示1＃錨桿的初始錨固力為1 t,隨著安裝時(shí)間的延長(zhǎng),錨桿受力經(jīng)歷了下降、上升、穩(wěn)定3個(gè)階段,在這3個(gè)階段內(nèi)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(jiān)測(cè)過(guò)程中,錨桿受力逐步下降,降至0.6 t后保持穩(wěn)定。

2號(hào)礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)3＃和4＃錨桿的受力情況,監(jiān)測(cè)顯示3＃錨桿的初始錨固力為6.1 t,隨著安裝時(shí)間的延長(zhǎng),錨桿受力有所起伏但整體變化不大,僅在觀測(cè)第四天出現(xiàn)較明顯波動(dòng),穩(wěn)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(shì),總體變化不大。

3號(hào)礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)5＃和6＃錨桿的受力情況,監(jiān)測(cè)顯示5＃錨桿的初始錨固力為5.3 t,隨著安裝時(shí)間的延長(zhǎng),錨桿受力在觀測(cè)的2 d內(nèi)逐步下降到4 t,然后基本保持穩(wěn)定,在觀測(cè)的15～20 d錨桿受力變化較大,在4.3～6.2 t的范圍內(nèi)往復(fù)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(wěn)定,維持在2 t左右。

4號(hào)礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)7＃和8＃錨桿的受力情況,監(jiān)測(cè)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(wěn)定,維持在3 t左右變化,在26 d瞬時(shí)下降到0.8 t,然后增長(zhǎng)到2 t后基本保持穩(wěn)定;8＃錨桿的初始錨固力為4.3 t,此后在觀測(cè)中變化劇烈,最小降至2.8 t,最大達(dá)到7.2 t。

5號(hào)礦壓監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)9＃和10＃錨桿的受力情況,監(jiān)測(cè)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(jīng)歷下降、上升及穩(wěn)定3個(gè)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(cè)的15 d內(nèi)基本保持穩(wěn)定,在觀測(cè)的15～18 d錨桿受力變化較大,瞬時(shí)受力最大達(dá)9.1 t后逐步下降到4.8 t,而后持續(xù)上升至10.7 t,此后一直在7～10.6 t的范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng),且擺動(dòng)趨勢(shì)逐步減小。

3.5監(jiān)測(cè)結(jié)論

各個(gè)監(jiān)測(cè)儀中所測(cè)錨桿受力的結(jié)果見表1,其中初始錨固力為該觀測(cè)站兩個(gè)錨桿的均值,受力最大值最小值為該觀測(cè)站的最大和最小值。由表1及圖2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)跳躍,說(shuō)明頂板壓力是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程,錨桿利用自身良好的物理力學(xué)性能,很好地適應(yīng)頂板壓力的變化,對(duì)于維持巷道的穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用。

（3）在錨桿監(jiān)測(cè)過(guò)程中均存在穩(wěn)定狀態(tài),且能夠長(zhǎng)期保持巷道的穩(wěn)定,說(shuō)明目前使用的支護(hù)技術(shù)能夠很好地適應(yīng)馬營(yíng)礦的地質(zhì)條件,但是部分地段錨桿受力變化較大,應(yīng)對(duì)該地段加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和管理。

4　結(jié)論

（1）礦壓監(jiān)測(cè)儀在中煤集團(tuán)馬營(yíng)礦9103回風(fēng)巷道的試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)9103回風(fēng)巷道的頂板錨桿受力情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄,準(zhǔn)確地得出9103回風(fēng)巷道的頂板應(yīng)力情況效果良好,為礦山壓力顯現(xiàn)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為巷道支護(hù)優(yōu)化方案提供重要理論設(shè)計(jì)依據(jù),為煤礦井下的安全生產(chǎn)提供可靠的保障。

（2）礦壓監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄錨桿錨索的受力情況、受力的變化過(guò)程及變化趨勢(shì),能夠精確、全面、動(dòng)態(tài)地反映頂板及圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況,并可據(jù)此確定巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,為巷道支護(hù)參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在煤炭行業(yè)和其他領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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（責(zé)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(jiǎn)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(jiān)測(cè)及其控制。

基金項(xiàng)目:?國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51234005）

中圖分類號(hào)TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A