CN106257278B

CN106257278B - 一种用于巷道顶板离层的模拟实验监测系统及监测方法

Info

Publication number: CN106257278B
Application number: CN201610892733.XA
Authority: CN
Inventors: 赵启峰; 张农; 李桂臣; 李学哲; 郭玉; 郭罡业; 王洋; 谢正正
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT; North China Institute of Science and Technology
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT; North China Institute of Science and Technology
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2036-10-12
Also published as: CN106257278A

Abstract

一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统及监测方法。本发明涉及一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统及监测方法。该监测系统包括所述的预埋导管包括预埋导管Ⅰ与预埋导管Ⅱ，所述的预埋导管Ⅰ的顶端安装离层监测基点Ⅰ，所述的离层监测基点Ⅰ连接细钢丝Ⅰ的一端，所述的细钢丝Ⅰ的另一端引导至预埋导管Ⅰ的底部孔口外通过固定在直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组Ⅰ与放置在相似模拟实验台侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连接；所述的预埋导管Ⅱ的顶端安装离层监测基点Ⅱ，所述的离层监测基点Ⅱ连接细钢丝Ⅱ的一端，所述的细钢丝Ⅱ的另一端引导至预埋导管Ⅱ的底部孔口外通过固定在直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组Ⅱ与放置在相似模拟实验台侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连接。本发明用于顶板离层监测。

Description

一种用于巷道顶板离层的模拟实验监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统及监测方法。

背景技术

巷道冒顶是煤矿中最常见的事故，给煤矿的正常生产和工人生命安全带来严重威胁。随着巷道掘进工作面防治顶板事故的技术和装备逐步提高，掘进工作面顶板事故率逐步下降。工程实践表明，防治煤矿巷道顶板事故，关键是采取正确的理论和手段对顶板进行监测，掌握顶板离层规律，监测巷道顶板离层以及采取必要的应对手段和措施对预防事故的发生和保证安全生产具有重大意义。相似材料室内模拟实验是由原苏联学者库兹涅佐夫提出的相似理论而建立起来的一套由物理实验、力学分析、模型测试直至指导工程实践的实验研究方法。该方法广泛应用于采矿、岩土、冶金、水利、石油、建筑、机械、地质、爆破和地下工程等行业。因此，国内外诸多专家学者采用相似材料室内模拟实验手段研究煤矿巷道围岩失稳变形破坏机理，但传统的机械式顶板离层监测仪器用于室内相似模拟时，虽然结构简单，但体型较大，无法适应相似模拟巷道狭小的开挖空间；测量精度较低，无法准确监测相似模拟巷道微小的顶板离层位移量；而且如果巷道开挖后人工钻孔安装离层位移监测基点，在狭小模拟空间内打钻操作不便，离层位移监测基点安装精度无法精准掌控。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、灵敏度高、可实现离层位移监测基点预埋、耐腐蚀、抗电磁干扰，在室内相似模拟巷道开挖空间狭小、离层数量级较小、顶板有淋水等条件下可以安全使用，实现相似模拟巷道顶板离层的实时在线监测的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统及监测方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，其组成包括：预埋导管、离层监测基点、直角型高强度梁式支架、导向滑轮组、细钢丝、离层位移传感监测记录显示组件，所述的预埋导管包括预埋导管Ⅰ1与预埋导管Ⅱ2，所述的预埋导管Ⅰ1的顶端安装离层监测基点Ⅰ3，所述的离层监测基点Ⅰ3连接细钢丝Ⅰ4的一端，所述的细钢丝Ⅰ4的另一端引导至预埋导管Ⅰ1的底部孔口外通过固定在直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组Ⅰ与放置在相似模拟实验台18侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连接；

所述的预埋导管Ⅱ2的顶端安装离层监测基点Ⅱ5，所述的离层监测基点Ⅱ5连接细钢丝Ⅱ6的一端，所述的细钢丝Ⅱ6的另一端引导至预埋导管Ⅱ2的底部孔口外通过固定在直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组Ⅱ与放置在相似模拟实验台18侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连接；

所述的预埋导管Ⅰ1、离层监测基点Ⅰ3与预埋导管Ⅱ2、离层监测基点Ⅱ5均埋在相似模拟实验台18内。

所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的离层位移传感监测记录显示组件包括离层监测基点Ⅰ3的位移传递Ⅰ的电阻式位移传感器Ⅰ与离层监测基点Ⅱ5的位移传递Ⅱ的电阻式位移传感器Ⅱ；

所述的离层监测基点Ⅰ3通过位移传递Ⅰ将信号传递至电阻式位移传感器Ⅰ，所述的电阻式位移传感器Ⅰ将信号传递至精密恒流源电路Ⅰ，所述的精密恒流源电路Ⅰ将信号传递至单片机电路，所述的单片机电路与人机接口电路、存储电路、通信电路之间双向传递信号，所述的单片机电路接收供电电路的信号；

所述的离层监测基点Ⅱ5通过位移传递Ⅱ将信号传递至电阻式位移传感器Ⅱ，所述的电阻式位移传感器Ⅱ将信号传递至精密恒流源电路Ⅱ，所述的精密恒流源电路Ⅱ将信号传递至单片机电路，所述的单片机电路与人机接口电路、存储电路、通信电路之间双向传递信号，所述的单片机电路接收供电电路的信号。

所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的直角型高强度梁式支架包括可伸缩金属托架Ⅰ7与可伸缩金属托架Ⅱ8；

所述的可伸缩金属托架Ⅰ7上设置导向滑轮组Ⅰ，所述的导向滑轮组Ⅰ包括一号导向滑轮9与二号导向滑轮10，所述的一号导向滑轮9固定设置在可伸缩金属托架Ⅰ7的横向杆的左侧端，所述的二号导向滑轮10固定设置在可伸缩金属托架Ⅰ7的横向杆的右侧端；

所述的可伸缩金属托架Ⅱ8上设置导向滑轮组Ⅱ，所述的导向滑轮组Ⅱ包括三号导向滑轮11与四号导向滑轮12，所述的三号导向滑轮11固定设置在可伸缩金属托架Ⅱ8的横向杆的左侧端，所述的四号导向滑轮12固定设置在可伸缩金属托架Ⅱ8的横向杆的右侧端。

所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的电阻式位移传感器Ⅰ包括精密电位器13，所述的精密电位器13的一端连接卷扬轴14，所述的卷扬轴14上缠绕细钢丝Ⅰ4，所述的卷扬轴14的两端分别连接轴承Ⅰ15与轴承Ⅱ16，所述的轴承Ⅰ15与轴承Ⅱ16之间设置两个环形限位块17，所述的环形限位块17之间缠绕细钢丝Ⅰ4；

所述的电阻式位移传感器Ⅱ与电阻式位移传感器Ⅰ的结构相同。

所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的精密恒流源电路Ⅰ与精密恒流源电路Ⅱ的电流范围为0~0.5mA。

所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测方法，在巷道层位垂直顶板内预埋1根预埋导管Ⅰ1和1根预埋导管Ⅱ2，两根导管内分别预安装在不同深度的离层监测基点Ⅰ3深部和离层监测基点Ⅱ5浅部，当巷道模拟开挖至预埋导管位置处，将分节螺纹连接的预埋导管垂直拽出，离层监测基点上的锚爪牢牢固定在孔壁四周；随着模拟巷道继续向前开挖或者受临近采煤工作面采动影响，该巷道顶板覆岩预埋导管位置处会产生离层现象，离层监测基点通过细钢丝沿直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组引导，将离层位移量传递到离层位移传感监测记录显示组件内部安装的电阻式位移传感器上，电阻式位移传感器将信号传递至精密恒流源电路，精密恒流源电路将信号传递至单片机电路，单片机电路与人机接口电路、存储电路、通信电路之间双向传递信号，从而实现相似模拟巷道开挖顶板离层实时在线监测与数据显示。

有益效果：

1、本发明具有体积小（便于在室内相似模拟狭小的模拟巷道内使用）、灵敏度高（相似模拟巷道开挖产生的顶板离层量小，需要高灵敏度的位移传感器）、耐腐蚀（克服巷道顶板淋水影响）、抗电磁干扰（克服实验室内其它仪器的电磁干扰）、可远距离传输（便于与相似模拟架外部设备连接），可实现相似模拟巷道开挖顶板离层实时在线监测。可以广泛应用于室内相似模拟矿山岩石巷道、煤层巷道的围岩内部离层变化监测。

2、本发明安装了精密的位移传感器，灵敏度高，确保能够实时监测记录相似模拟巷道开挖产生的微小顶板离层量。

3、本发明通过导向滑轮Ⅰ与导向滑轮Ⅱ（发挥两次导向作用：垂直至水平，水平至垂直），分别将离层监测基点Ⅰ的细钢丝Ⅰ、离层监测基点Ⅱ的细钢丝Ⅱ与放置在相似模型侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连，克服了模拟巷道开挖空间狭小，无法将离层位移监测记录装置全部放入巷道空间内部的局限性。

4、本发明实现了离层监测基点的预设预埋，克服了模拟巷道开挖后人工钻孔安装离层监测基点的操作不便和安装精度无法精准掌控。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的离层位移传感监测记录显示组件信号流程图。

附图3是附图2的电阻式位移传感器的卷扬机构。

附图4是本发明的离层位移传感记录装置标定实验曲线图。

附图5是附图1的局部放大示意图。

附图6是是本发明的试验台与预埋导管位置示意图。

具体实施方式：

实施例1

一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，其组成包括：预埋导管、离层监测基点、直角型高强度梁式支架、导向滑轮组、细钢丝、离层位移传感监测记录显示组件，所述的预埋导管包括预埋导管Ⅰ1与预埋导管Ⅱ2，所述的预埋导管Ⅰ1的顶端安装离层监测基点Ⅰ3，所述的离层监测基点Ⅰ3连接细钢丝Ⅰ4的一端，所述的细钢丝Ⅰ4的另一端引导至预埋导管Ⅰ1的底部孔口外通过固定在直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组Ⅰ与放置在相似模拟实验台18侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连接，所述的细钢丝Ⅰ4穿过离层位移传感监测记录显示组件的圆心通孔21；

放置离层位移传感监测记录显示组件的外壳体为标号23；

所述的预埋导管Ⅰ1、离层监测基点Ⅰ3与预埋导管Ⅱ2、离层监测基点Ⅱ5均埋在相似模拟实验台18内，所述的细钢丝Ⅱ6穿过离层位移传感监测记录显示组件的圆心通孔21。

实施例2

实施例1所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的离层位移传感监测记录显示组件包括离层监测基点Ⅰ3的位移传递Ⅰ的电阻式位移传感器Ⅰ与离层监测基点Ⅱ5的位移传递Ⅱ的电阻式位移传感器Ⅱ；

实施例3

实施例1所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的直角型高强度梁式支架包括可伸缩金属托架Ⅰ7与可伸缩金属托架Ⅱ8，所述的可伸缩金属托架Ⅰ7与可伸缩金属托架Ⅱ8之间通过连杆22相连接；

实施例4

实施例2所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的电阻式位移传感器Ⅰ包括精密电位器13，所述的精密电位器13的一端连接卷扬轴14，所述的卷扬轴14上缠绕细钢丝Ⅰ4，所述的卷扬轴14的两端分别连接轴承Ⅰ15与轴承Ⅱ16，所述的轴承Ⅰ15与轴承Ⅱ16之间设置两个环形限位块17，所述的环形限位块17之间缠绕细钢丝Ⅰ4；

实施例5

实施例2所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的精密恒流源电路Ⅰ与精密恒流源电路Ⅱ的电流范围为0~0.5mA。

实施例6

实施例1所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，所述的预埋导管Ⅰ1与预埋导管Ⅱ2均由多节带螺纹的短管连接而成，所述的离层监测基点Ⅰ3具有锚头Ⅰ，所述的离层监测基点Ⅱ5具有锚头Ⅱ，所述的锚头Ⅰ与锚头Ⅱ的结构相同，所述的锚头Ⅰ固定连接有锚爪Ⅰ19，所述的锚爪Ⅰ19配合孔壁四周使用，所述的锚头Ⅱ固定连接有锚爪Ⅱ20，所述的锚爪Ⅱ20配合孔壁四周使用。

实施例7

实施例1所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，传感器型号：STS-R-1000位移传感器；单片机型号：STC12C5A60S2。

实施例8

实施例1-5所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测方法，在巷道层位垂直顶板内预埋1根预埋导管Ⅰ1和1根预埋导管Ⅱ2，两根导管内分别预安装在不同深度的离层监测基点Ⅰ3（深部）和离层监测基点Ⅱ5（浅部），当巷道模拟开挖至预埋导管位置处，将分节螺纹连接的预埋导管垂直拽出，离层监测基点上的锚爪牢牢固定在孔壁四周；随着模拟巷道继续向前开挖或者受临近采煤工作面采动影响，该巷道顶板覆岩预埋导管位置处会产生离层现象，离层监测基点通过细钢丝沿直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组引导，将离层位移量传递到离层位移传感监测记录显示组件内部安装的电阻式位移传感器上，电阻式位移传感器将信号传递至精密恒流源电路，精密恒流源电路将信号传递至单片机电路，单片机电路与人机接口电路、存储电路、通信电路之间双向传递信号，从而实现相似模拟巷道开挖顶板离层实时在线监测与数据显示。

工作流程：

当巷道模拟开挖至预埋导管位置处，将分节螺纹连接的导管垂直拽出，离层监测基点的倒爪牢牢固定在孔壁四周，连接离层监测基点的细钢丝另一端经由固定在直角型高强度梁式支架上的滑轮的引导，与放置在相似模拟实验台（18）侧边的离层位移传感监测记录显示组件连接，该离层位移传感监测记录显示组件，其内部安装有2个性能相同的位移传感器。

多段分节螺纹连接，导管的高度可调，以实现将离层监测深部基点A和浅部基点B安装至合适的巷道顶板围岩层位处，1根预埋导管Ⅰ的高度为28-40cm，直径为φ2.8cm， 1根预埋导管Ⅱ的高度为7-10cm，直径为φ2.8cm；（煤矿井下离层监测基点Ⅰ的深度一般为7~10m，离层监测基点Ⅱ的深度一般为1.8~2.5m，根据相似比1:25，换算成预埋导管Ⅰ的高度为28-40cm，预埋导管Ⅱ的高度为7-10cm。），（采用固定长度的短管设计，固定每节螺纹短管具有5cm、3cm、2cm等几种标准长度，根据相似模型的铺设比例、所模拟巷道的尺寸，自由组合）。

离层位移传导组件的直角型高强度梁式支架的高度可调、长度可伸缩，以适应不同层位处开挖巷道，将离层位移监测组件监测到的离层位移传导至离层位移传感监测记录显示组件；钢丝采用仪器专用钢丝绳，钢丝绳断面直径为0.8mm，每根钢丝绳由49条细钢丝编织而成，满足使用的强度要求。

图2、3、图5所示，该装置的结构紧凑布局合理，受力变形呈线性变化，准确记录了相似模拟巷道开挖在顶板产生的微小离层量，引起该层位离层监测基点连接的钢丝绳长度发生变化。通过固定在直角型高强度梁式支架上的滑轮的导向作用，钢丝绳将离层位移传递给与之相连的离层位移传感记录装置。

本发明完成后，对其样机进行了标定实验，结果如图5所示。通过实验结果可知，位移传感器监测到的形变量与相似模拟巷道开挖顶板离层量呈现良好的线性关系，达到了设计要求，完全满足设计初衷，说明本装置可以对相似模拟巷道开挖顶板离层量进行有效监测。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，其组成包括：预埋导管、离层监测基点、直角型高强度梁式支架、导向滑轮组、细钢丝、离层位移传感监测记录显示组件，其特征是：所述的预埋导管包括预埋导管Ⅰ（1）与预埋导管Ⅱ（2），所述的预埋导管Ⅰ（1）的顶端安装离层监测基点Ⅰ（3），所述的离层监测基点Ⅰ（3）连接细钢丝Ⅰ（4）的一端，所述的细钢丝Ⅰ（4）的另一端引导至预埋导管Ⅰ（1）的底部孔口外通过固定在直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组Ⅰ与放置在相似模拟实验台（18）侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连接；

所述的预埋导管Ⅱ（2）的顶端安装离层监测基点Ⅱ（5），所述的离层监测基点Ⅱ（5）连接细钢丝Ⅱ（6）的一端，所述的细钢丝Ⅱ（6）的另一端引导至预埋导管Ⅱ（2）的底部孔口外通过固定在直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组Ⅱ与放置在相似模拟实验台（18）侧边的离层位移传感监测记录显示组件相连接；

所述的预埋导管Ⅰ（1）、离层监测基点Ⅰ（3）与预埋导管Ⅱ（2）、离层监测基点Ⅱ（5）均埋在相似模拟实验台（18）内；

1根所述的预埋导管Ⅰ的高度为28-40cm，直径为φ2.8cm，1根所述的预埋导管Ⅱ的高度为7-10cm，直径为φ2.8cm。

2.根据权利要求1所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，其特征是：所述的离层位移传感监测记录显示组件包括离层监测基点Ⅰ（3）的位移传递Ⅰ的电阻式位移传感器Ⅰ与离层监测基点Ⅱ（5）的位移传递Ⅱ的电阻式位移传感器Ⅱ；

所述的离层监测基点Ⅰ（3）通过位移传递Ⅰ将信号传递至电阻式位移传感器Ⅰ，所述的电阻式位移传感器Ⅰ将信号传递至精密恒流源电路Ⅰ，所述的精密恒流源电路Ⅰ将信号传递至单片机电路，所述的单片机电路与人机接口电路、存储电路、通信电路之间双向传递信号，所述的单片机电路接收供电电路的信号；

所述的离层监测基点Ⅱ（5）通过位移传递Ⅱ将信号传递至电阻式位移传感器Ⅱ，所述的电阻式位移传感器Ⅱ将信号传递至精密恒流源电路Ⅱ，所述的精密恒流源电路Ⅱ将信号传递至单片机电路，所述的单片机电路与人机接口电路、存储电路、通信电路之间双向传递信号，所述的单片机电路接收供电电路的信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，其特征是：所述的直角型高强度梁式支架包括可伸缩金属托架Ⅰ（7）与可伸缩金属托架Ⅱ（8）；

所述的可伸缩金属托架Ⅰ（7）上设置导向滑轮组Ⅰ，所述的导向滑轮组Ⅰ包括一号导向滑轮（9）与二号导向滑轮（10），所述的一号导向滑轮（9）固定设置在可伸缩金属托架Ⅰ（7）的横向杆的左侧端，所述的二号导向滑轮（10）固定设置在可伸缩金属托架Ⅰ（7）的横向杆的右侧端；

所述的可伸缩金属托架Ⅱ（8）上设置导向滑轮组Ⅱ，所述的导向滑轮组Ⅱ包括三号导向滑轮（11）与四号导向滑轮（12），所述的三号导向滑轮（11）固定设置在可伸缩金属托架Ⅱ（8）的横向杆的左侧端，所述的四号导向滑轮（12）固定设置在可伸缩金属托架Ⅱ（8）的横向杆的右侧端。

4.根据权利要求2所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，其特征是：所述的电阻式位移传感器Ⅰ包括精密电位器（13），所述的精密电位器（13）的一端连接卷扬轴（14），所述的卷扬轴（14）上缠绕细钢丝Ⅰ（4），所述的卷扬轴（14）的两端分别连接轴承Ⅰ（15）与轴承Ⅱ（16），所述的轴承Ⅰ（15）与轴承Ⅱ（16）之间设置两个环形限位块（17），所述的环形限位块（17）之间缠绕细钢丝Ⅰ（4）；

5.根据权利要求2所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统，其特征是：所述的精密恒流源电路Ⅰ与精密恒流源电路Ⅱ的电流范围为0~0.5mA。

6.利用权利要求1-5中的任意一项所述的一种用于巷道顶板离层模拟实验的监测系统的监测方法，其特征是：在巷道层位垂直顶板内预埋1根预埋导管Ⅰ（1）和1根预埋导管Ⅱ（2），两根导管内分别预安装在不同深度的深部离层监测基点Ⅰ（3）和浅部离层监测基点Ⅱ（5），当巷道模拟开挖至预埋导管位置处，将分节螺纹连接的预埋导管垂直拽出，离层监测基点上的锚爪牢牢固定在孔壁四周；随着模拟巷道继续向前开挖或者受临近采煤工作面采动影响，该巷道顶板覆岩预埋导管位置处会产生离层现象，离层监测基点通过细钢丝沿直角型高强度梁式支架上的导向滑轮组引导，将离层位移量传递到离层位移传感监测记录显示组件内部安装的电阻式位移传感器上，电阻式位移传感器将信号传递至精密恒流源电路，精密恒流源电路将信号传递至单片机电路，单片机电路与人机接口电路、存储电路、通信电路之间双向传递信号，从而实现相似模拟巷道开挖顶板离层实时在线监测与数据显示。