CN112761726A - 一种冒顶危险性评估预测装置和方法 - Google Patents

一种冒顶危险性评估预测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种冒顶危险性评估预测装置和方法，包括均布固定在巷道顶板上的若干电磁驱动冲击装置和用于扫描巷道顶板并获取其位置数据的三维激光扫描仪，还包括用于接受三维激光扫描仪数据信息并进行信息处理的计算机工作站。本发明能够主动施加冲击荷载使顶板上下震荡并实现对顶板冒顶危险的评估预测。

Description

一种冒顶危险性评估预测装置和方法
技术领域
本发明属于采矿领域，尤其涉及一种冒顶危险性评估预测装置和方法。
背景技术
巷道冒顶是我国煤矿安全生产中的主要安全隐患之一，一旦发生就会造成巨大的人员伤亡和经济损失。因此，对冒顶进行有效的预测监测就显得尤为重要。目前，对巷道冒顶事故的预测主要通过层次分析法、神经网络等数学方法建立数学模型确定冒顶隐患等级，此种方法受人的主观因素影响较大，难以保证其准确性；或通过探测装置在顶板钻孔窥视、探测顶岩层破碎情况预测冒顶隐患，此种方法费时、费力、操作复杂且准确性不高。目前，对巷道顶板的监测主要采用离层仪等仪器监测顶板的变形或锚杆锚索受力变化，虽能实现对顶板的实时监测，但也存在监测周期长、费时、费力、预警不及时、操作复杂观测位置固定等局限性。以上方法均是被动的对冒顶危险进行监测和预测，难以主动对潜在冒落体进行准判定，并在冒顶危险发生初期就发现冒顶危险发出预警。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种冒顶危险性评估预测装置和方法，其能够主动施加冲击荷载使顶板上下震荡并实现对顶板冒顶危险的评估预测。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种冒顶危险性评估预测装置，包括均布固定在巷道顶板上的若干电磁驱动冲击装置和用于扫描巷道顶板并获取其位置数据的三维激光扫描仪，还包括用于接受三维激光扫描仪数据信息并进行信息处理的计算机工作站。
进一步的，所述电磁驱动冲击装置包括套筒，套筒内滑动设置有冲击锤，冲击锤底部连接有可动线圈，套筒内壁设有固定线圈并连接有电源模块。
进一步的，所述套筒上部内壁设置有限位凸缘。
进一步的，所述固定线圈上涂覆有高分子材料涂层。
进一步的，所述冲击锤上部的外径小于限位凸缘内径，底部外径大于限位凸缘的内径。
一种利用上述装置评估预测冒顶危险性的方法包括如下步骤：
S1，将各个电磁驱动冲击装置安装在巷道顶板的待测区域，然后在计算机工作站中输入巷道顶板岩性数据，让三维激光扫描仪采用后视定向法测得各监测站点的坐标并将坐标信息传输到计算机工作站；
S2，计算机工作站对三维激光扫描仪发出扫描指令，三维激光扫描仪扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站，计算机工作站对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure BDA0002871025720000021
S3，计算机工作站根据顶板岩性选择电磁驱动冲击装置的冲击能档位，发出冲击指令，电磁驱动冲击装置对巷道顶板施加冲击荷载；
S4，计算机工作站对三维激光扫描仪发出扫描指令，三维激光扫描仪扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站，计算机工作站对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure BDA0002871025720000022
S5，计算机工作站再次发出冲击指令，电磁驱动冲击装置对巷道顶板施加冲击荷载；
S6，计算机工作站对三维激光扫描仪发出扫描指令，三维激光扫描仪扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站，计算机工作站对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure BDA0002871025720000031
S7，计算机工作站(3)对巷道扫描结果处理分析：
用
Figure BDA0002871025720000032
减去
Figure BDA0002871025720000033
得到差异矩阵Δ1＝[Δ11，Δ12，…Δ1n]，根据差异矩阵Δ1生成冒顶危险度分布云图I；
用
Figure BDA0002871025720000034
减去
Figure BDA0002871025720000035
得到差异矩阵Δ2＝[Δ21，Δ22，…Δ2n]，根据差异矩阵Δ2生成冒顶危险度分布云图II；
然后根据两个冒顶危险度分布云图遵循最不利原则对巷道顶板冒顶危险度进行分级，若冒顶危险度等级超过预先设置的阈值就会发出预警。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.该方法区别于现有的方法，通过电磁驱动冲击装置主动使顶板在冲击荷载作用下发生上下震荡，可随时进行对巷道冒顶危险性的评估预测。利用潜在冒落体受到冲击荷载后不可恢复的特点精准判断评估巷道顶板冒顶危险性；
2.操作简单，三维激光扫描仪可在安装在三脚架上并对巷道全断面进行扫描，方便携带；
3.电磁驱动冲击装置由高性能锂电池供电，安全可靠；
4.电磁驱动冲击装置可根据顶板岩性调整冲击能的大小，对不同岩性的巷道均能进行冒顶危险度评估预测；
5.三维激光扫描仪扫描巷道、电磁驱动冲击装置对顶板施加冲击荷载均由计算机工作站通过无线网络控制，省时省力；
6.预警及时，可以较早地发现潜在的冒落体，根据预先设置的阈值进行预警；预测结果客观真实，冒顶危险性评估预测过程中几乎不受主观因素影响，结果真实可靠，贴近实际情况。
附图说明
图1是本发明提供的一种冒顶危险性评估预测方法的巷道测试流程图；
图2是冒顶危险度分布云图I；
图3是冒顶危险度分布云图II；
图4是一种电磁驱动冲击装置。
图中，1-三维激光扫描仪；2-电磁驱动冲击装置；3-计算机工作站；21-套筒；22-固定线圈；23-冲击锤；24-可动线圈；25-电源模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种冒顶危险性评估预测装置，如图1和所示，包括均布固定在巷道顶板上的若干电磁驱动冲击装置2和用于扫描巷道顶板并获取其位置数据的三维激光扫描仪1，还包括用于接受三维激光扫描仪数据信息并进行信息处理的计算机工作站3。
所述电磁驱动冲击装置2包括套筒21，套筒21内滑动设置有冲击锤23，冲击锤23底部连接有可动线圈24；套筒21内壁设有固定线圈22并连接有电源模块25，所述电源模块25包括锂电池、升压电路、控制器和储能电容。所述套筒21上部内壁设置有限位凸缘，所述冲击锤23上部的外径小于限位凸缘内径，底部外径大于限位凸缘的内径，在使得冲击锤23能够在套筒21中滑动的同时，防止冲击锤23冲出套筒21产生危险，冲击锤23在执行一次冲击后会回落到套筒21内进行下一次冲击。所述固定线圈上涂覆有高分子材料涂层，以保护固定线圈22不会被冲击锤23滑动磨损。
本发明还提供一种利用上述装置评估预测冒顶危险性的方法，包括如下步骤：
S1，将各个电磁驱动冲击装置2安装在巷道顶板的待测区域，然后在计算机工作站3中输入巷道顶板岩性数据，让三维激光扫描仪1采用后视定向法测得各监测站点的坐标并将坐标信息传输到计算机工作站3；
S2，计算机工作站3对三维激光扫描仪1发出扫描指令，三维激光扫描仪1扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪1通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站3，计算机工作站3对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure BDA0002871025720000051
S3，计算机工作站3根据顶板岩性选择电磁驱动冲击装置2的冲击能档位，发出冲击指令，电磁驱动冲击装置2对巷道顶板施加冲击荷载；
S4，计算机工作站3对三维激光扫描仪1发出扫描指令，三维激光扫描仪1扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪1通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站3，计算机工作站3对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure BDA0002871025720000052
S5，计算机工作站3再次发出冲击指令，电磁驱动冲击装置2对巷道顶板施加冲击荷载；
S6，计算机工作站3对三维激光扫描仪1发出扫描指令，三维激光扫描仪1扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪1通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站3，计算机工作站3对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure BDA0002871025720000053
S7，计算机工作站3对巷道扫描结果处理分析：
用
Figure BDA0002871025720000054
减去
Figure BDA0002871025720000055
得到差异矩阵Δ1＝[Δ11，Δ12，…Δ1n]，根据差异矩阵Δ1生成冒顶危险度分布云图I；
用
Figure BDA0002871025720000061
减去
Figure BDA0002871025720000062
得到差异矩阵Δ2＝[Δ21，Δ22，…Δ2n]，根据差异矩阵Δ2生成冒顶危险度分布云图II；
然后根据两个冒顶危险度分布云图遵循最不利原则对巷道顶板冒顶危险度进行分级，若冒顶危险度等级超过预先设置的阈值就会发出预警。如图2、图3所示，所述冒顶危险度等级包括安全、一般、较危险、危险四个等级，对于巷道顶板上某一点A，比较冒顶危险度分布云图I、II两个云图，冒顶危险度分布云图I中，A1处于较危险等级，但在冒顶危险度分布云图II中，A2处于危险等级，取两个云图中最不利情况确定其冒顶危险度等级，则A点的冒顶危险等级应为危险。若某一区域内冒顶等级超过预先设定的阈值，计算机工作站3就会发出预警。
一种冒顶危险性评估预测方法和装置，其特征在于其工作原理为：使用电磁驱动冲击装置2对巷道顶板待评估区域施加冲击荷载，使顶板发生上下震荡。不存在冒落体的坚硬弹性顶板在冲击荷载的作用下上下震荡，发生向下的位移，但瞬间就会回弹，位移恢复原状。而潜在冒落体受到外部扰动，原先的极限平衡状态被打破，其发生向下的位移不能恢复原状。相同振动荷载下，冒落体产生的不可恢复变形越大说明冒落体的极限平衡状态越不稳定，冒顶危险越大。因此，对巷道顶板施加冲击荷载，分析顶板的位置变化可确定冒顶危险度等级。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种冒顶危险性评估预测装置，其特征在于：包括均布固定在巷道顶板上的若干电磁驱动冲击装置和用于扫描巷道顶板并获取其位置数据的三维激光扫描仪，还包括用于接受三维激光扫描仪数据信息并进行信息处理的计算机工作站。
2.根据权利要求1所述的一种冒顶危险性评估预测装置，其特征在于：所述电磁驱动冲击装置包括套筒，套筒内滑动设置有冲击锤，冲击锤底部连接有可动线圈，套筒内壁设有固定线圈并连接有电源模块。
3.根据权利要求2所述的一种冒顶危险性评估预测装置，其特征在于：所述套筒上部内壁设置有限位凸缘。
4.根据权利要求2所述的一种冒顶危险性评估预测装置，其特征在于：所述固定线圈上涂覆有高分子材料涂层。
5.根据权利要求3所述的一种冒顶危险性评估预测装置，其特征在于：所述冲击锤上部的外径小于限位凸缘内径，底部外径大于限位凸缘的内径。
6.一种利用权利要求1所述装置评估预测冒顶危险性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，将各个电磁驱动冲击装置(2)安装在巷道顶板的待测区域，然后在计算机工作站(3)中输入巷道顶板岩性数据，让三维激光扫描仪(1)采用后视定向法测得各监测站点的坐标并将坐标信息传输到计算机工作站(3)；
S2，计算机工作站(3)对三维激光扫描仪(1)发出扫描指令，三维激光扫描仪(1)扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪(1)通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站(3)，计算机工作站(3)对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure FDA0002871025710000011
S3，计算机工作站(3)根据顶板岩性选择电磁驱动冲击装置(2)的冲击能档位，发出冲击指令，电磁驱动冲击装置(2)对巷道顶板施加冲击荷载；
S4，计算机工作站(3)对三维激光扫描仪(1)发出扫描指令，三维激光扫描仪(1)扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪(1)通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站(3)，计算机工作站(3)对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure FDA0002871025710000021
S5，计算机工作站(3)再次发出冲击指令，电磁驱动冲击装置(2)对巷道顶板施加冲击荷载；
S6，计算机工作站(3)对三维激光扫描仪(1)发出扫描指令，三维激光扫描仪(1)扫描巷道；扫描完成后，三维激光扫描仪(1)通过无线网络将顶板位置数据传输到计算机工作站(3)，计算机工作站(3)对数据进行处理得到顶板位置矩阵
Figure FDA0002871025710000022
S7，计算机工作站(3)对巷道扫描结果处理分析：
用
Figure FDA0002871025710000023
减去
Figure FDA0002871025710000024
得到差异矩阵Δ1＝[Δ11，Δ12，…Δ1n]，根据差异矩阵Δ1生成冒顶危险度分布云图I；
用
Figure FDA0002871025710000025
减去
Figure FDA0002871025710000026
得到差异矩阵Δ2＝[Δ21，Δ22，…Δ2n]，根据差异矩阵Δ2生成冒顶危险度分布云图II；
然后根据两个冒顶危险度分布云图遵循最不利原则对巷道顶板冒顶危险度进行分级，若冒顶危险度等级超过预先设置的阈值就会发出预警。
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