CN112344926A - 一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法 - Google Patents

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吴士良
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韩伟
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    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices

Abstract

本发明提供了一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，涉及采矿工程技术领域，实现了由于采动而跌落的岩体运动轨迹的测量。步骤包括：在回采巷道内的工作面煤壁前方设置钻孔；通过钻机或锚杆推送安装测量单元；测量单元通过三轴陀螺测量跌落过程的三轴角速度分量；结合三轴角速度分量和运动距离，通过框图算法对测量数据进行处理；将数据处理结果传输至地面，并根据处理结果调整采煤工作面参数。其中测量单元包括电源模块、传感器模块、主控单元和数据传输模块，测量单元获取加速度三轴方向上的分量以及三轴角速度分量。该方法结合6轴惯性测量单元能够确定采动影响覆岩的初始状态运动轨迹，从而方便分析矿压及老顶的运动。

Description

一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法。
背景技术
回采工作面推进所引起的上覆岩层运动和破坏是煤矿顶板垮塌事故、井下透水事故和地表沉陷灾害的根源，因此研究采场推进过程中上覆岩层运动和破坏的规律，为进一步完善采场顶板控制结构力学模型、预测和控制采场顶板活动和矿山压力具有重要的意义。另外确定顶板覆岩运动的轨迹对测量悬顶面积，监测覆岩运动状态，判断人工放顶效果，计算悬顶能量积聚的研究具有重要意义。目前常用的监测采动覆岩运动的方法包括地面和井下打钻钢丝绳位移监测的方法，以及井下矿压显现反演推断岩层运动的方法。但地面和井下打钻钢丝绳位移监测的方法成本高，消耗时间长且自动化程度低；井下矿压显现反推的方法要布置监测系统，并且分析的结论不唯一。
发明内容
为了实现对由于采动而跌落的岩体运动轨迹的测量，确定开采后采空区顶板的状态，本发明提供了一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，具体的技术方案如下。
一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，步骤包括：
A.在回采巷道的内工作面煤壁前方设置钻孔；
B.通过钻机或锚杆推送安装多个测量单元；
C.测量单元通过三轴加速度计测量确定顶板跌落过程中加速度在三轴方向上的分量，测量单元通过三轴陀螺测量跌落过程的角速度在三轴方向上的分量；
D.获取测量单元的测量数据，通过框图算法对测量数据进行处理；
E.将测量数据和数据的处理结果传输至地面，并根据处理结果进行预警或调整采煤工作面参数。
优选的是，测量单元包括电源模块、传感器模块、主控单元和数据传输模块，所述电源模块为传感器模块、主控单元和数据传输模块供电，所述传感器模块包括三轴加速度计和三轴陀螺，传感器模块将测量数据传输至主控单元，数据传输模块将监测数据传输至地面。
优选的是，数据传输模块通过无线通讯或有线通讯传输数据。
进一步优选的是，框图算法具体包括：
a.在顶板跌落前，根据三轴加速度计的测量数据确定初始姿态角；
b.根据三轴加速度计和三轴陀螺的测量数据计算水平姿态角；
c.对比水平姿态角和初始姿态角，当差值超过门限时，确定顶板发生严重倾斜；
d.实时计算各个三轴加速度计的测量值的平方和，当平方和与重力加速度的平方的差值大于100mg时，确定顶板发生跌落；
e.对各个三轴陀螺的测量值进行开环导航解算，确定姿态角的变化和位置变化，绘制顶板相对于初始状态的运动轨迹。
还优选的是，主控单元执行所述框图算法，主控单元通过硬件和处理器执行的软件模块执行所述框图算法；软件模块置于随机存储器、内存、只读存储器、电可编程、电可擦除可编程、寄存器、硬盘或可移动磁盘中。
还优选的是，钻孔从采煤工作面推采方向前方的巷道内打钻孔，所述钻孔向顶板和采煤工作面倾斜，所述钻孔钻至老顶内。
进一步优选的是，钻孔的直径小于100mm，钻孔的长度小于400m。
进一步优选的是，钻孔内安装有3-4个测量单元，测量单元之间连接有导线。
本发明提供的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法有益效果是：该方法结合了6轴惯性测量单元和数据处理的框图算法，能够确定采动影响覆岩的初始状态运动轨迹，从而方便分析矿压及老顶的运动；钻孔及测量单元的布置方便了顶板的测量，尤其是测量单元的测量更加方便，利用框图算法对测量数据进行处理得到的顶板运动轨迹方便了覆岩运动及矿压显现规律的研究。
附图说明
图1是钻孔布置示意图；
图2是钻孔布置的剖面结构示意图；
图3是框图算法的流程图；
图中：1-上巷，2-下巷，3-停采线，4-钻孔，5-开切眼，6-采煤工作面位置；7-煤层，8-液压支架，9-测量单元，10-测量数据接收器。
具体实施方式
结合图1至3所示，对本发明提供的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法的具体实施方式进行说明。
一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，步骤包括：
A.在回采巷道的内工作面煤壁前方设置钻孔。钻孔从采煤工作面推采方向前方的巷道内打钻孔，钻孔向顶板和采煤工作面倾斜，钻孔钻至老顶内。钻孔的直径小于100mm，钻孔的长度小于400m。钻孔布置如图1所示，沿钻孔的长度方向剖面结构如图2所示。其中钻孔长度可以取50m-300m，若钻孔长度为X，钻孔的仰角或俯角为α，则有X·sinα取10-150m。
B.通过钻机或锚杆推送安装多个测量单元。其中每个钻孔内可以安装有3-4个测量单元，测量单元之间连接有导线，如果钻孔内有水、瓦斯等，也可用锚杆(索)固定于采空区岩体上。其中测量单元包括电源模块、传感器模块、主控单元和数据传输模块，电源模块为传感器模块、主控单元和数据传输模块供电，传感器模块包括三轴加速度计和三轴陀螺，传感器模块将测量数据传输至主控单元，数据传输模块将监测数据传输至地面，数据传输模块可以通过有线(RS-485)和无线两种通讯方式与矿压监测系统联接并上传至地面。数据传输模块通过无线通讯或有线通讯传输数据，根据矿井数据传输从有线传输和无线传输中任选一种，还可以使用LoRa通信技术；优先进行有线通讯，有线断开时采用无线通讯，无线信号通过钻孔传输并穿越有限深度(跌落测点至钻孔内未跌落测点13m)的岩石堆积区；无线传输要考虑电池供电，设备休眠、唤醒，地址设置等功能。传感器模块可以选用MEMS传感器，MEMS传感器的三轴加速度计判断覆岩跌落的时间，并记录跌落过程中加速的分量变化，三轴陀螺记录覆岩跌落过程中角速度的分量。三轴加速度传感器是基于加速度的基本原理工作的，其体积小和重量轻并且可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质；三轴陀螺仪能够同时测定6个方向的位置、移动轨迹和加速，其体积小、重量轻、可靠性好。
C.测量单元通过三轴加速度计测量确定顶板跌落过程中加速度在三轴方向上的分量，测量单元通过三轴陀螺测量跌落过程的角速度在三轴方向上的分量。
D.获取测量单元的测量数据，通过框图算法对测量数据进行处理。其中框图算法具体包括：
a.在顶板跌落前，根据三轴加速度计的测量数据确定初始姿态角。
b.根据三轴加速度计和三轴陀螺的测量数据计算水平姿态角。其中水平角和滚动角的计算公式如下：
Figure BDA0002724982560000031
其中α为钻孔的仰角或俯角；fx为x方向的加速度，fz为z方向的加速度，g为重力加速度；υ为水平角，γ为滚动角。
c.对比水平姿态角和初始姿态角，当差值超过门限时，确定顶板发生严重倾斜；其中门限的设置一般为5°左右。
d.实时计算各个三轴加速度计的测量值的平方和，一般情况下每隔1ms计算一次，当平方和与重力加速度的平方的差值大于100mg时，确定顶板发生跌落；
e.对各个三轴陀螺的测量值进行开环导航解算，确定姿态角的变化和位置变化，绘制顶板相对于初始状态的运动轨迹。
其中框图算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
结合图3，对框图算法的具体流程步骤进行说明，使用前软件模块首先进行初始化，在接收到测量单元的测量数据后，开始采集IMU信息，然后进入正常工作模式，分别对测量数据进行标定，并对各个测量单元的测量数据进行阀值比较。其中对测量数据进行标定后，进行Kaiman滤波和开环导航初始化或者进行单元测试维护更新，完成标定后写入内存并输出信息；对测量数据进行阀值比较后，如果连续10s不超过阀值，判定跌落标识为静态监测，记录首次水平姿态角，然后继续判断，对比水平姿态角和初始姿态角，当差值超过门限时，确定顶板发生严重倾斜，发出报警标识；对于测量数据清楚报警标识后写入内存并输出信息。
E.将测量数据和数据的处理结果传输至地面，并根据处理结果进行预警或调整采煤工作面参数。确定覆岩跌落有3种运动形式，渐进式、突发式和重复运动，本方法可以对各种运动方式进行确认。
利用该方法测量数据可以得到覆岩的运动轨迹，计算确定覆岩跌落的起始位置、跌落方向以及位移，结合覆岩的运动轨迹进行分析可以测量悬顶面积，监测覆岩运动状态，判断人工放顶效果，计算悬顶能量积聚。该方法通过结合6轴惯性测量单元和数据处理的框图算法，能够确定采动影响覆岩的初始状态运动轨迹，从而方便分析矿压及老顶的运动；钻孔及测量单元的布置方便了顶板的测量，尤其是测量单元的测量更加方便，利用框图算法对测量数据进行处理得到的顶板运动轨迹方便了覆岩运动及矿压显现规律的研究。
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 (8)

1.一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，步骤包括：
A.在回采巷道的内工作面煤壁前方设置钻孔；
B.通过钻机或锚杆推送安装多个测量单元；
C.测量单元通过三轴加速度计测量确定顶板跌落过程中加速度在三轴方向上的分量，测量单元通过三轴陀螺测量跌落过程的角速度在三轴方向上的分量；
D.获取测量单元的测量数据，通过框图算法对测量数据进行处理；
E.将测量数据和数据的处理结果传输至地面，并根据处理结果进行预警或调整采煤工作面参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，所述测量单元包括电源模块、传感器模块、主控单元和数据传输模块，所述电源模块为传感器模块、主控单元和数据传输模块供电，所述传感器模块包括三轴加速度计和三轴陀螺，传感器模块将测量数据传输至主控单元，数据传输模块将监测数据传输至地面。
3.根据权利要求1所述的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，所述数据传输模块通过无线通讯或有线通讯传输数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，所述框图算法具体包括：
a.在顶板跌落前，根据三轴加速度计的测量数据确定初始姿态角；
b.根据三轴加速度计和三轴陀螺的测量数据计算水平姿态角；
c.对比水平姿态角和初始姿态角，当差值超过门限时，确定顶板发生严重倾斜；
d.实时计算各个三轴加速度计的测量值的平方和，当平方和与重力加速度的平方的差值大于100mg时，确定顶板发生跌落；
e.对各个三轴陀螺的测量值进行开环导航解算，确定姿态角的变化和位置变化，绘制顶板相对于初始状态的运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，所述主控单元执行所述框图算法，主控单元通过硬件和处理器执行的软件模块执行所述框图算法；软件模块置于随机存储器、内存、只读存储器、电可编程、电可擦除可编程、寄存器、硬盘或可移动磁盘中。
6.根据权利要求1所述的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，所述钻孔从采煤工作面推采方向前方的巷道内打钻孔，所述钻孔向顶板和采煤工作面倾斜，所述钻孔钻至老顶内。
7.根据权利要求5所述的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，所述钻孔的直径小于100mm，钻孔的长度小于400m。
8.根据权利要求1所述的一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，所述钻孔内安装有3-4个测量单元，测量单元之间连接有导线。
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