CN113804149A - 一种巷道顶板稳定性的监测预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巷道顶板稳定性的监测预警装置及方法，其特征在于：包括支撑机构、设置在支撑机构上的实时监测组件和自动控制系统；支撑机构包括底座和升降杆组件；实时监测组件包括U型槽、限位板、测压板、导柱、推板、导杆、滑杆、弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和由压力传感器、无线射频标签、报警器和激光测距模组构成的实时监测单元：自动控制系统包括中央处理模块，信息存储模块、数据比较单元、统计分析模块、实时监测单元、报警单元和显示单元。本发明的优点是：1）集支撑功能与监测功能于一身；2）能够同时在线监测巷道顶板在单位时间内压力差值以及沉降差值变化，对巷道顶板的稳定性进行实时判定，及时预警。

Description

一种巷道顶板稳定性的监测预警装置及方法

技术领域

本发明属于巷道顶板监测技术领域，尤其是涉及一种巷道顶板稳定性的监测预警装置及方法。

背景技术

在矿山采掘过程中，伴随着开采深度的逐渐增加，地层应力对巷道顶板的压应力越来越大，使巷道顶板的稳定性受到了极大的影响，在采矿生产中发生的各类事故中、顶板事故仍居于前位。之所以顶板灾害事故发生频率高，事故总量大，就是因为当前尚未有合适的措施能准确预防顶板事故的发生，所以在开采过程中，以及在巷道未支护之前，采取适当技术手段对顶板稳定性进行实时监测就显得尤为重要。

目前，国内外对于巷道顶板位移的测量大多采用人工测量记录，人工手动测量会因为仪器条件、观测者的自身条件等存在一定误差。再加上人工读数后需要记录下来，再输入到计算机当中进行数据处理，所以更易产生误差。这种方法不但耗费了大量的人力物力，测量结果准确性也相对较低，无法及时同步到地面控制中心，进行分析和险情的及时预警；即使是新型的巷道监测设备，能够实时的监测巷道顶板压力和沉降值并进行报警的系统也较为罕见，其功能也较为单一，只能够对巷道顶板的压力值或沉降值的一种进行监测，并且也无法及时进行预警，影响工作人员对巷道顶板稳定性的判断，也具有安全隐患的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种巷道顶板稳定性的监测预警装置及方法，在巷道未进行支护之前，对巷道顶板稳定性进行实时的压力值和沉降值的监测，当所采集的数据超出阈值时，实时监测单元将会通过中央处理器来控制报警单元进行报警，从而保证工作人员和机器设备的安全。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于：包括支撑机构、设置在支撑机构上的实时监测组件和自动控制系统；

所述的支撑机构包括底座和升降杆组件，所述的升降杆组件包括液压杆、液压泵和支撑杆，支撑杆底端与底座固定连接，将升降杆组件固接在底座的上部；在底座上支撑杆的四周均开有销钉安装孔，所述的底座通过销钉固定设置在巷道地面上；

所述的实时监测组件包括从上至下依次连接的测压板、限位板和U型槽，还包括设置在U型槽内的测压机构以及由压力传感器、无线射频标签、报警器和激光测距模组构成的实时监测单元：

在所述测压板下部中心设有导柱，导柱的两侧设有若干个导杆，在每个导杆上还分别设有弹簧Ⅱ；

在限位板的中心位置开有导柱通孔，在限位板上开有若干个与导杆相对应的导杆通孔，测压板下部的导柱和两侧设有的导杆分别穿过导柱通孔和导杆通孔与限位板活动连接；

所述的U型槽为开口向上的U型槽，所述的测压机构设置在U型槽内，包括推板、两个滑杆和弹簧Ⅰ，所述的推板横向置于U型槽内，弹簧Ⅰ一端与推板上部中心固定连接，另一端与导柱的下端固定连接，在推板的两侧还开有两个滑杆通孔，所述的两个滑杆分别穿过两个滑杆通孔一端与限位板下部固定连接，另一端与U型槽底板内侧固定连接，所述的液压杆的顶端与推板中心下部固定连接；

所述的压力传感器设置在U型槽内的底板上，所述的激光测距模组对称设置在U型槽两侧下部，并与导杆的底端对应适配，所述的无线射频标签和报警器设置在U型槽的底部外侧；所述的压力传感器、激光测距模组、无线射频标签和报警器分别与自动控制系统电性连接。

所述报警器为蓝、黄和红三色报警灯组。

所述的自动控制系统包括中央处理模块，分别与中央处理模块连接的信息存储模块、数据比较单元、统计分析模块，分别与中央处理模块和数据比较单元连接的实时监测单元及报警单元和与统计分析模块连接的显示单元。

所述数据比较单元包括单位时间设定模块、实时记录模块、差值计算模块和数据比较模块，所述单位时间设定模块的输出端与实时记录模块的输入端连接，所述实时记录模块的输出端与差值计算模块的输入端连接，所述差值计算模块的输出端与数据比较模块的输入端连接。

所述报警单元包括语音报警模块、警示级别划分模块、初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块，所述警示级别划分模块分别与初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块双向电性连接，所述警示级别划分模块的输出端分别与三色报警灯组和语音报警模块的输入端连接。

所述显示单元包括无线接收模块、信息转码模块和LED显示模块，所述无线接收模块的输出端与信息转码模块的输入端连接，所述信息转码模块的输出端与LED显示模块的输入端连接；所述LED显示模块为监控室内的显示屏幕。

本发明的一种巷道顶板稳定性的监测预警方法，采用所述的巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、装置安装与监测

将底座放置在矿区底部，然后使用销钉将底座固定在矿区地面上，之后利用升降杆组件，使得U型槽上升，带动限位板使得测压板上升，使测压板顶到巷道顶板上，直至压力传感器上显示出设定的数值，升降降杆组件的液压泵停止工作；当巷道顶板发生变形时，随着巷道顶板的下降，挤压测压板下降，使导柱挤压弹簧Ⅰ带动推板对压力传感器进行不断的挤压，压力值会通过无线射频标签同步传

输给自动控制系统；

步骤二、警示级别划分

在无线射频标签中输入对应支撑机构的位置及编码信息，之后通过警示级别划分模块将报警单元的警示级别分别划分为初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块，并且将不同矿山巷道顶板对应风险的相关判断标准分别输入到初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块中；

步三、初始值确定

将步骤一中的压力传感器测得数值传输到数据比较模块的实时记录模块中，作为初始压力值，同时将测得的激光测距模组与对应导杆之间的间距值输入到实时记录模块中，作为初始间距值，通过无线射频标签同步传输给自动控制系统；

步骤四、记录监测

通过单位时间设定模块来确定相邻两次监测数据传输的间隔时间，并通过实时记录模块对传输数据进行记录，并且通过差值计算模块对相邻两次传输的数据做差，然后通过数据比较模块判断差值变化速度的大小，进而根据步骤二中设定的风险标准来进行判断，若符合对应的风险标准，则直接控制蓝、黄和红三色报警灯组闪烁不同的颜色，如初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块分别对应蓝、黄和红，并且在达到高级风险时，控制语音报警模块进行语音报警；

步骤五、变形监测

当巷道顶板沉降使得支撑机构的导杆和激光测距模组之间的间距产生变化时，弹性变形以及塑性变形的沉降数值均通过无线射频标签同步传输到自动控制系统上，工作人员根据无线射频标签中的信息找到对应位置的支撑机构，并通过自动控制系统远程控制使其亮蓝、黄和红三色灯以及报警；

步骤六、显示观察

统计分析模块对实时记录模块中记录的数据进行整合，并生成图表走势图，显示单元通过无线接收模块接收到相关信息后，通过信息转码模块将电信号转化为数字信号，进而在LED显示模块上进行相关图表的动态显示，压力值和沉降值均可同步在线显示。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1）本发明的巷道顶板稳定性的监测预警装置，集支撑与监测功能于一身，其支撑机构，通过底座、升降杆组件、U型槽、限位板，导柱，推板、测压板和弹簧等部件的配合设置，本身就构成对巷道顶板进行支撑的稳定机构，加之在压力传感器和激光测距模组的配合设置下，对监测装置与巷道顶板之间接触的挤压力与形变进行实时监测，这样不仅可以增加支撑机构的功能性，还可以通过监测预警进一步保证巷道的稳定安全。

2）本发明的监测预警方法，能够在线同时监测巷道顶板在单位时间内压力差值以及沉降值变化，并且配合数据比较单元的设置，通过比较单位时间内的压力差值以及沉降值，来判定顶板有无出现下沉情况，从而对顶板的稳定性进行实时判定，及时预警。

3）通过对风险进行划分，并且同时用三色报警灯组进行对应风险的闪烁警示，可以使下矿工作人员及时了解到巷道环境的稳定状态，从而保证在出现异常情况时，能够及时的撤离，进一步保证巷道人员的安全。

附图说明

图1为本发明的巷道顶板稳定性的监测预警装置结构示意图。

图2为本发明的自动控制系统框图。

图3为本发明实时监测单元框图。

图4为本发明数据比较单元框图。

图5为本发明报警单元框图。

图6为本发明显示单元框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图6所示，本发明的一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于：包括支撑机构、设置在支撑机构上的实时监测组件和自动控制系统；

所述的支撑机构包括底座17和升降杆组件，所述的升降杆组件包括液压杆14、液压泵15和支撑杆16，支撑杆16底端与底座17固定连接，将升降杆组件固接在底座17的上部；在底座17上支撑杆16四周均开有销钉安装孔，所述的底座17通过销钉固定设置在巷道地面上；

所述的实时监测组件包括从上至下依次连接的测压板1、限位板5和U型槽13，还包括设置在U型槽13内的测压机构以及由压力传感器9、无线射频标签10、报警器12和激光测距模组11构成的实时监测单元：

在所述测压板1下部中心设有导柱2，导柱2的两侧设有若干个导杆6，在每个导杆6上还分别设有弹簧Ⅱ4；

在限位板5的中心位置开有导柱通孔，在限位板5上开有若干个与导杆6相对应的导杆通孔，测压板1下部的导柱2和两侧设有的导杆6分别穿过导柱通孔和导杆通孔与限位板5活动连接；

所述的U型槽13为开口向上的U型槽，所述的测压机构设置在U型槽13内，包括推板8、两个滑杆7和弹簧Ⅰ3，所述的推板8横向置于U型槽13内，弹簧Ⅰ3一端与推板8上部中心固定连接，另一端与导柱2的下端固定连接，在推板8的两侧还开有两个滑杆通孔，所述的两个滑杆7 分别穿过两个滑杆通孔一端与限位板5下部固定连接，另一端与U型槽底板内侧固定连接，所述的液压杆14的顶端与推板8中心下部固定连接；

所述的压力传感器9设置在U型槽13内的底板上，所述的激光测距模组11对称设置在U型槽13两侧下部，并与导杆6的底端对应适配，所述的无线射频标签10和报警器12设置在U型槽13的底部外侧；报警器12为蓝、黄和红三色报警灯组。所述的压力传感器9、激光测距模组11、无线射频标签10和报警器12分别与自动控制系统18电性连接。在压力传感器9的配合设置下，对支撑机构与巷道顶板之间接触的压应力进行实时监测，并且配合数据比较单元的设置，通过比较单位时间内的压力差值，来判定顶板有无出现下沉情况，从而对顶板的稳定性进行实时判定，这样不仅可以增加支撑机构的支撑顶板的功能性，还可以进一步实现及时预警来保证工作人员的安全。

本发明所述的自动控制系统18包括中央处理模块，分别与中央处理模块连接的信息存储模块、数据比较单元、统计分析模块，分别与中央处理模块和数据比较单元连接的实时监测单元及报警单元和与统计分析模块连接的显示单元。

本发明所述的数据比较单元包括单位时间设定模块、实时记录模块、差值计算模块和数据比较模块，所述的单位时间设定模块的输出端与实时记录模块的输入端连接，所述的实时记录模块的输出端与差值计算模块的输入端连接，所述的差值计算模块的输出端与数据比较模块的输入端连接。

本发明所述的报警单元包括语音报警模块、警示级别划分模块、初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块，所述的警示级别划分模块分别与初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块双向电性连接，所述的警示级别划分模块的输出端分别与三色报警灯组和语音报警模块的输入端连接。三色报警灯组采用市面上常见的三色灯即可。

本发明所述的显示单元包括无线接收模块、信息转码模块和LED显示模块，所述的无线接收模块的输出端与信息转码模块的输入端连接，所述的信息转码模块的输出端与LED显示模块的输入端连接；所述的LED显示模块为监控室内的显示屏幕，信息转码模块为AD7574型号A/D转换器。

本发明的一种巷道顶板稳定性的监测预警方法，采用巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于：

步骤一、装置安装及监测

在未进行支护的巷道内每隔100m安装一个巷道顶板稳定性的监测预警装置，将底座17放置在矿区底部，然后使用销钉将底座17固定在矿区地面上，之后利用升降杆组件，使得U型槽13上升，带动限位板5使得测压板1上升，使测压板1顶到巷道顶板上，直至压力传感器9上显示出设定的数值；

当巷道顶板发生变形时，随着巷道顶板的下降，挤压测压板1下降，从而使得导柱2挤压弹簧Ⅰ3带动推板8对压力传感器9进行不断的挤压；压力值会通过无线射频标签10同步传输给自动控制系统18。

步骤二、警示级别划分

在无线射频标签10中输入对应支撑机构的位置及编码信息，之后通过警示级别划分模块将报警单元的警示级别分别划分为初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块，并且将不同矿山巷道顶板对应风险的相关判断标准分别输入到初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块中。

步骤三、初始值确定

将步骤一中压力传感器9测得使得数值传输到实时记录模块中，作为初始压力值，同时将测得的激光测距模组11与对应导杆6之间的间距值输入到实时记录模块中，作为初始间距值，通过无线射频标签10同步传输给自动控制系统18，并且在无线射频标签10中输入对应支撑机构的位置、编码信息，之后通过警示级别划分模块将警示级别分别划分为初级风险、中级风险和高级风险，并且将不同矿山巷道顶板对应风险的相关判断标准分别输入到初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块中。

步骤四、记录监测

通过单位时间设定模块来确定相邻两次监测数据传输的间隔时间，并通过实时记录模块对传输数据进行记录，并且通过差值计算模块对相邻两次传输的数据做差，然后通过数据比较模块判断差值变化速度的大小，进而根据步骤二中设定的风险标准来进行判断，若符合对应的风险标准，则直接控制三色报警灯组闪烁不同的颜色，如初级风险、中级风险和高级风险分别对应蓝、黄和红，并且在达到高级风险时，控制语音报警模块进行语音报警，也可直接通过自动控制系统18进行操作。

步骤五、变形监测

根据激光测距模组11的设置，当巷道顶板沉降使得支撑机构上导杆6和激光测距模组11之间的间距产生变化，弹性变形以及塑性变形的沉降数值均通过无线射频标签10同步传输到自动控制系统18上，工作人员根据无线射频标签10中的信息找到对应位置的支撑机构，并通过自动控制系统18远程控制使其亮蓝、黄和红三色灯以及报警。

步骤六、显示观察

通过统计分析模块的设置，对实时记录模块中记录的数据进行整合，并生成图表走势图，显示单元通过无线接收模块接收到相关信息后，通过信息转码模块将电信号转化为数字信号，进而在LED显示模块上进行相关图表的动态显示，压力值和沉降值均可同步在线显示传输。

以上所述，详细描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型，均应视为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于：包括支撑机构、设置在支撑机构上的实时监测组件和自动控制系统；

所述的支撑机构包括底座和升降杆组件，所述的升降杆组件包括液压杆、液压泵和支撑杆，支撑杆底端与底座固定连接，将升降杆组件固接在底座的上部；在底座上支撑杆的四周均开有销钉安装孔，所述的底座通过销钉固定设置在巷道地面上；

所述的实时监测组件包括从上至下依次连接的测压板、限位板和U型槽，还包括设置在U型槽内的测压机构以及由压力传感器、无线射频标签、报警器和激光测距模组构成的实时监测单元：

在所述测压板下部中心设有导柱，导柱的两侧设有若干个导杆，在每个导杆上还分别设有弹簧Ⅱ；

在限位板的中心位置开有导柱通孔，在限位板上开有若干个与导杆相对应的导杆通孔，测压板下部的导柱和两侧设有的导杆分别穿过导柱通孔和导杆通孔与限位板活动连接；

所述的U型槽为开口向上的U型槽，所述的测压机构设置在U型槽内，包括推板、两个滑杆和弹簧Ⅰ，所述的推板横向置于U型槽内，弹簧Ⅰ一端与推板上部中心固定连接，另一端与导柱的下端固定连接，在推板的两侧还开有两个滑杆通孔，所述的两个滑杆 分别穿过两个滑杆通孔一端与限位板下部固定连接，另一端与U型槽底板内侧固定连接，所述的液压杆的顶端与推板中心下部固定连接；

所述的压力传感器设置在U型槽内的底板上，所述的激光测距模组对称设置在U型槽两侧下部，并与导杆的底端对应适配，所述的无线射频标签和报警器设置在U型槽的底部外侧；所述的压力传感器、激光测距模组、无线射频标签和报警器分别与自动控制系统电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于，所述报警器为蓝、黄和红三色报警灯组。

3.根据权利要求1所述的一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于，所述的自动控制系统包括中央处理模块，分别与中央处理模块连接的信息存储模块、数据比较单元、统计分析模块，分别与中央处理模块和数据比较单元连接的实时监测单元及报警单元和与统计分析模块连接的显示单元。

4.根据权利要求3所述的一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于，所述数据比较单元包括单位时间设定模块、实时记录模块、差值计算模块和数据比较模块，所述单位时间设定模块的输出端与实时记录模块的输入端连接，所述实时记录模块的输出端与差值计算模块的输入端连接，所述差值计算模块的输出端与数据比较模块的输入端连接。

5.根据权利要求3所述的一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于，所述报警单元包括语音报警模块、警示级别划分模块、初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块，所述警示级别划分模块分别与初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块双向电性连接，所述警示级别划分模块的输出端分别与三色报警灯组和语音报警模块的输入端连接。

6.根据权利要求3所述的一种巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于，所述显示单元包括无线接收模块、信息转码模块和LED显示模块，所述无线接收模块的输出端与信息转码模块的输入端连接，所述信息转码模块的输出端与LED显示模块的输入端连接；所述LED显示模块为监控室内的显示屏幕。

7.一种巷道顶板稳定性的监测预警方法，采用权利要求1所述的巷道顶板稳定性的监测预警装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、装置安装与监测

将底座放置在矿区底部，然后使用销钉将底座固定在矿区地面上，之后利用升降杆组件，使得U型槽上升，带动限位板使得测压板上升，使测压板顶到巷道顶板上，直至压力传感器上显示出设定的数值，升降降杆组件的液压泵停止工作；当巷道顶板发生变形时，随着巷道顶板的下降，挤压测压板下降，使导柱挤压弹簧Ⅰ带动推板对压力传感器进行不断的挤压，压力值会通过无线射频标签同步传

输给自动控制系统；

步骤二、警示级别划分

在无线射频标签中输入对应支撑机构的位置及编码信息，之后通过警示级别划分模块将报警单元的警示级别分别划分为初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块，并且将不同矿山巷道顶板对应风险的相关判断标准分别输入到初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块中；

步骤三、初始值确定

将步骤一中的压力传感器测得数值传输到数据比较模块的实时记录模块中，作为初始压力值，同时将测得的激光测距模组与对应导杆之间的间距值输入到实时记录模块中，作为初始间距值，通过无线射频标签同步传输给自动控制系统；

步骤四、记录监测

通过单位时间设定模块来确定相邻两次监测数据传输的间隔时间，并通过实时记录模块对传输数据进行记录，并且通过差值计算模块对相邻两次传输的数据做差，然后通过数据比较模块判断差值变化速度的大小，进而根据步骤二中设定的风险标准来进行判断，若符合对应的风险标准，则直接控制蓝、黄和红三色报警灯组闪烁不同的颜色，如初级风险模块、中级风险模块和高级风险模块分别对应蓝、黄和红，并且在达到高级风险时，控制语音报警模块进行语音报警；

步骤五、变形监测

当巷道顶板沉降使得支撑机构的导杆和激光测距模组之间的间距产生变化时，弹性变形以及塑性变形的沉降数值均通过无线射频标签同步传输到自动控制系统上，工作人员根据无线射频标签中的信息找到对应位置的支撑机构，并通过自动控制系统远程控制使其亮蓝、黄和红三色灯以及报警；

步骤六、显示观察

统计分析模块对实时记录模块中记录的数据进行整合，并生成图表走势图，显示单元通过无线接收模块接收到相关信息后，通过信息转码模块将电信号转化为数字信号，进而在LED显示模块上进行相关图表的动态显示，压力值和沉降值均可同步在线显示。

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