CN108519478A - 大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统及方法，包括设在底座上的支撑活柱和下部支撑立柱，矸石运动通道倾斜架设在支撑活柱和下部支撑立柱上，在矸石运动通道上方设有矸石弹射装置和顶板落矸口；在矸石运动通道内设有多维应力传感器支柱，在矸石运动通道中设通过履带架设的采煤机模型；矸石在运动过程中与矸石运动通道壁撞击，通过压力传感器测得撞击位置，信号发射装置将位置信号传到终端。该装置丰富了大倾角煤层工作面飞矸运动特性的研究手段，并可依据其运动特性作出破坏程度评价，为实现大倾角煤层长壁工作面安全高效开采提供保障。

Description

大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统及方法

技术领域

本发明涉及矿山、岩土等工程领域物理模拟研究，具体涉及一种大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统及方法。

背景技术

飞矸是指在大倾角煤层走向长壁工作面落煤、推溜、移架等过程中，由工作面煤壁片帮、截煤飞溅或顶板漏冒以及底板滑移等形式产生的煤或岩块，在回采空间运动并对工作面作业人员和设备形成伤(损)害威胁的一种特殊灾害现象。大倾角煤层则是以煤层倾角超过冒落矸石以及煤的自然安息角所出现的滑动、失稳等现象为主要特征而命名的，所以飞矸是大倾角煤层(或急倾斜煤层)长壁工作面开采特有的动力灾害和主要事故隐患。近年来，随着深部煤层和倾角较大煤层开采力度的加大和综采技术的发展，我国大倾角煤层开采矿井数目逐年增多，产量比重增大，因此，对大倾角煤层开采飞矸灾害的研究就显得尤为重要。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统及方法，本发明丰富了大倾角煤层工作面飞矸运动特性的研究手段，并可依据其运动特性作出破坏程度评价，为实现大倾角煤层长壁工作面安全高效开采提供保障。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明一种大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，包括设在底座上的支撑活柱和下部支撑立柱，矸石运动通道倾斜架设在支撑活柱和下部支撑立柱上，在矸石运动通道上方设有矸石弹射装置和顶板落矸口；在矸石运动通道内设有多维应力传感器支柱，在矸石运动通道中设通过履带架设的采煤机模型；矸石在运动过程中与矸石运动通道壁撞击，通过压力传感器测得撞击位置，信号发射装置将位置信号传到终端。

进一步，所述支撑活柱和下部支撑立柱上分别设有上部轴承和下部轴承，矸石运动通道下壁外表面通过上部轴承上的上部轴承套固定，矸石运动通道上部外表面通过下部轴承连接，轴承外套筒不与通道下壁表面固定。

进一步，所述采煤机模型两侧分别设有通过摇臂连接的滚筒。

进一步，在所述矸石运动通道下端面内部安装高倍摄像头，下端面采用透明材料。

进一步，所述矸石运动通道断面为矩形，矸石运动通道壁由长条板拼成，通道最大尺寸为0.5m×0.5m×2m。

进一步，所述多维应力传感器支柱包括一个中心圆柱体的支柱，在支柱外设有相互对接的三段圆弧状的压力传感器，在压力传感器外侧设有受力元件。

进一步，所述各相互对接的三段圆弧状的压力传感器沿多维应力传感器支柱上下分段等距离分布。

本发明给出了一种利用所述装置进行大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价的方法，包括以下步骤：

1)终端根据安装好的运动通道尺寸建立三维坐标，每个传感器都有与之相对应的点；终端记录下每次撞击的压力传感器位置，在三维坐标内将这些点按照撞击顺序用折线连接起来；以最大压力点作为折线拐点，所有撞击点的位置在不同的界面可显示在三维坐标内；

2)同时，终端记录下每一段位移大小、所用时间，通过每一次撞击时的速度求得矸石运动过程中的能量转移情况；

3)对支柱上的多个压力传感器依次进行编号，终端记录下每个支柱上压力传感器受到的撞击力以及撞击的时间，根据压力传感器受力波形图判断撞击次序；

4)通道壁同时受到多点撞击，以最大压力点作为折线拐点，所有撞击点的位置在不同的界面可显示在三维坐标内；

5)终端对矸石每段位移得出的速度和对于位移终点的作用力大小分别划分不同等级，反映矸石运动过程中对于不同区域空间人员的损害程度和飞矸对不同位置的设备的损伤程度。

进一步，所述步骤2)，求得矸石运动过程中每一段位移的能量损失，通过以下公式计算：

式中：E₀为相邻两个碰撞点间的能量损失，E_a为运动矸石起点能量，E_b为运动矸石终点能量，m_a为起点矸石质量，m_b为终点矸石质量，h_a为起点高度，h_b为终点高度，v_a为起点碰撞瞬时速度，v_b为终点碰撞瞬时速度，F_a为起点碰撞力，F_b为终点碰撞力，S₁为a、b段相邻的上一段位移，S₂为a、b之间的位移，t₁为a、b段相邻的上一段位移所有时间，t₂为a、b之间的位移所用时间。

本发明的有益效果在于：

本发明真实地还原了大倾角工作面采场环境，通过监测工作面不同位置冒落矸石运动特性及其与工作面主要设备(液压支架和采煤机)撞击作用，分析评价了矸石运动过程中对于不同区域空间人员的损害程度和飞矸对不同位置的设备的损伤程度。

大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统是一种集采场模拟、监测手段、数据分析和分析结果评价于一身的多功能实验系统，实验过程简单，结果可靠。为实现大倾角煤层长壁工作面安全高效开采提供保障，促进了物理相似模拟实验的发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明飞矸运动特性测试架主视图；

图2为本发明飞矸运动特性测试架俯视图；

图3(a)、(b)为飞矸运动通道剖面图；

图4(a)、(b)为支柱模型示意图。

图中：1-矸石运动通道；2-顶板落矸口；3-飞矸发生空间；4-矸石弹射装置；5-上部轴承套；6-上部轴承；7-支撑活柱；8-底座；9-下部轴承；10-轴承外套筒；11-下部支撑立柱；12-多维应力传感器支柱；13-滚筒；14-采煤机模型；15-履带；16-摇臂；17-支柱；18-压力传感器；19-受力元件。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、图2所示，本发明的大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，包括设在底座8上的支撑活柱7和下部支撑立柱11，支撑活柱7和下部支撑立柱11上分别设有上部轴承6和下部轴承9，矸石运动通道1倾斜架设在支撑活柱7和下部支撑立柱11上，通道下壁外表面通过上部轴承6上的上部轴承套5固定，运动通道上部位置安装前后两个可伸缩立柱(可用液压立柱)，同样通过下部轴承9连接，但是轴承外套筒10不与通道下壁表面固定。

在矸石运动通道1上方设有矸石弹射装置4和顶板落矸口2。飞矸发生空间3在测试部分顶端(模拟工作面上部与端头位置)，设置矸石垮落口、煤壁片帮口。模拟顶板垮落矸石从顶部落矸口下落，片帮产生矸石通过矸石发射器从片帮口以一定初速度飞出，矸石发射速度可调。在矸石运动通道下端面内部可安装高倍摄像头，记录飞矸运动过程和采煤机运动状态，下端面应使用透明材料。

如图3(a)、3(b)所示，矸石运动通道断面为矩形，矸石运动通道壁由0.1m×1m的长条板拼成，用以模拟不同尺寸的工作面空间，通道最大尺寸为0.5m×0.5m×2m。矸石运动空间的上壁模拟液压支架的顶梁，前、后壁模拟液压支架尾梁和煤壁，下壁模拟底板和支架底座。矸石运动通道上、下、前、后四个面设有多维应力传感器支柱12，多维应力传感器支柱12由连接信号发射器的压力传感器18拼接而成。

图4(a)、4(b)所示，为多维应力传感器支柱12示意图，多维应力传感器支柱12包括一个中心圆柱体的支柱17，在支柱17外设有相互对接的三段圆弧状的压力传感器18，在压力传感器18外侧设有受力元件19。要求压力传感器的接触面积与传感器之间的缝隙足够小，保证测量、记录精度。图4(b)所示，各相互对接的三段圆弧状的压力传感器18沿多维应力传感器支柱12上下分段等距离分布。

多维应力传感器立柱用多维压力传感器依次连接进行模拟，要求传感器长度为0.1m，宽度应和立柱表面契合，并将立柱包围，压力传感器承压元件完全覆盖柱面，立柱固定于上下壁上，可利用柱端的吸附装置将立柱固定，立柱断面半径应不大于3cm。

矸石在运动过程中与通道壁撞击，通过压力传感器测得撞击位置，信号发射装置将位置信号传到终端。

在矸石运动通道1中设通过履带15架设的采煤机模型14，采煤机模型14两侧分别设有通过摇臂16连接的滚筒13。测试部分整体置于下部底板上。底座尺寸：1.8m×1.2m×0.02m。通道内用履带式电动采煤机模型模拟工作面采煤机，采煤机可通过更换配件(如滚筒、履带等)制作成不同尺寸，用来适应不同尺寸的通道。

终端可根据安装好的运动通道尺寸建立三维坐标，每个传感器都有与之相对应的点。分析终端记录下每次撞击的压力传感器位置，在三维空间内将这些点按照撞击顺序用折线连接起来。同时，记录下每一段位移所用时间，求出速度，通过每一次撞击时的速度求得矸石运动过程中的能量损失情况。

通过以下公式计算：

式中：E₀为相邻两个碰撞点间的能量损失，E_a为运动矸石起点能量，E_b为运动矸石终点能量，m_a为起点矸石质量，m_b为终点矸石质量，h_a为起点高度，h_b为终点高度，v_a为起点碰撞瞬时速度，v_b为终点碰撞瞬时速度，F_a为起点碰撞力，F_b为终点碰撞力，S₁为a、b段相邻的上一段位移，S₂为a、b之间的位移，t₁为a、b段相邻的上一段位移所有时间，t₂为a、b之间的位移所用时间。

然后对支柱上的多维压力传感器依次进行编号，终端记录下每个支柱上压力传感器受到的撞击力以及撞击的时间，可根据传感器受力波形图判断撞击次序。通道壁同时受到多点撞击，以最大压力点作为折线拐点，所有撞击点的位置在不同的界面可显示在三维坐标内。测试终端系统可对矸石每段位移得出的速度和对于位移终点的作用力大小分别划分不同等级，一方面反映矸石运动过程中对于不同区域空间人员的损害程度；另一方面，可反映飞矸对不同位置的设备的损伤程度，起到预警作用，以便提前采取措施。评价等级可以通过每段折线的线型、颜色、线宽等形式体现出来。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，其特征在于，包括设在底座(8)上的支撑活柱(7)和下部支撑立柱(11)，矸石运动通道(1)倾斜架设在支撑活柱(7)和下部支撑立柱(11)上，在矸石运动通道(1)上方设有矸石弹射装置(4)和顶板落矸口(2)；在矸石运动通道(1)内设有多维应力传感器支柱(12)，在矸石运动通道(1)中设通过履带(15)架设的采煤机模型(14)；矸石在运动过程中与矸石运动通道壁(1)撞击，通过压力传感器测得撞击位置，信号发射装置将位置信号传到终端。

2.根据权利要求1所述的大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，其特征在于，所述支撑活柱(7)和下部支撑立柱(11)上分别设有上部轴承(6)和下部轴承(9)，矸石运动通道(1)下壁外表面通过上部轴承(6)上的上部轴承套(5)固定，矸石运动通道(1)上部外表面通过下部轴承(9)连接，轴承外套筒(10)不与通道下壁表面固定。

3.根据权利要求1所述的大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，其特征在于，所述采煤机模型(14)两侧分别设有通过摇臂(16)连接的滚筒(13)。

4.根据权利要求1所述的大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，其特征在于，在所述矸石运动通道(1)下端面内部安装高倍摄像头，下端面采用透明材料。

5.根据权利要求1所述的大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，其特征在于，所述矸石运动通道(1)断面为矩形，矸石运动通道壁由长条板拼成，通道最大尺寸为0.5m×0.5m×2m。

6.根据权利要求1所述的大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，其特征在于，所述多维应力传感器支柱(12)包括一个中心圆柱体的支柱(17)，在支柱(17)外设有相互对接的三段圆弧状的压力传感器(18)，在压力传感器(18)外侧设有受力元件(19)。

7.根据权利要求6所述的大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价系统，其特征在于，所述各相互对接的三段圆弧状的压力传感器(18)沿多维应力传感器支柱(12)上下分段等距离分布。

8.一种权利要求1-7任一项所述装置进行大倾角工作面飞矸运动特性监测及破坏程度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)终端根据安装好的运动通道尺寸建立三维坐标，每个传感器都有与之相对应的点；终端记录下每次撞击的压力传感器位置，在三维坐标内将这些点按照撞击顺序用折线连接起来；以最大压力点作为折线拐点，所有撞击点的位置在不同的界面可显示在三维坐标内；

2)同时，终端记录下每一段位移大小、所用时间，通过能量守恒求得矸石运动过程中的能量损失情况；

3)对支柱上的多个压力传感器依次进行编号，终端记录下每个支柱上压力传感器受到的撞击力以及撞击的时间，根据压力传感器受力波形图判断撞击次序；

4)通道壁同时受到多点撞击，以最大压力点作为折线拐点，所有撞击点的位置在不同的界面可显示在三维坐标内；

5)终端对矸石每段位移得出的速度和对于位移终点的作用力大小分别划分不同等级，反映矸石运动过程中对于不同区域空间人员的损害程度和飞矸对不同位置的设备的损伤程度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤2)，求得矸石运动过程中每一段位移的能量损失，通过以下公式计算：

式中：E₀为相邻两个碰撞点间的能量损失，E_a为运动矸石起点能量，E_b为运动矸石终点能量，m_a为起点矸石质量，m_b为终点矸石质量，h_a为起点高度，h_b为终点高度，v_a为起点碰撞瞬时速度，v_b为终点碰撞瞬时速度，F_a为起点碰撞力，F_b为终点碰撞力，S₁为a、b段相邻的上一段位移，S₂为a、b之间的位移，t₁为a、b段相邻的上一段位移所有时间，t₂为a、b之间的位移所用时间。