CN116927842A - 一种基于rfid的锚杆或锚索自动化测报系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统及方法，系统：位移传感器一安装在杆头的内部；应力测报垫板通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，其内部装配有应力传感器与RFID收发装置一；位移测报装置位于应力测报垫板靠外的一侧，且通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，其内部装配有位移传感器二与RFID收发装置二；球头形螺母位于锚杆或锚索在实际使用过程中裸露于巷道的一端。方法：获取锚杆或锚索的位移初始状态和应力初始状态；实时监测实际应力值和实际位移值，并分别与应力报警阈值和位移报警阈值进行比较，在失效后及时进行报警。该系统及方法能够通过无接触的方式进行锚杆或锚索的数据测报，可及时、准确地对锚杆或锚索使用状态进行监测。

Description

一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统及方法
技术领域
本发明属于煤矿安全开采及锚杆或锚索状况监测技术领域，具体涉及一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统及方法。
背景技术
煤矿中的锚杆和锚索是用来支撑和固定巷道壁面的重要设备，如果在支护过程中发生锚杆和锚索失效的情况，便会有很大的概率导致巷道的坍塌和安全事故的发生。因此，对支护过程中的锚杆和锚索进行实时监控是防止其失效的一个重要手段。目前，在煤矿中监测锚杆和锚索失效的方法主要有钢丝绳振动检测法、声波检测法、应变计监测法、视觉检测法等，以上这些方法通常需要根据具体情况进行选择和综合运用，这对于煤矿一线工作人员而言具有很大的难度，往往会因操作人员的技术水平的差异而导致检测结果不准确、失效监测不及时等一系列问题，进而会严重影响锚杆和锚索监测结果的时效性和准确性。同时，以上这些方法在测量过程中也常常需要工作人员携带大量的设备，这不仅给操作人员带来了较大的劳动负荷，同时，也制约了智能化数字矿山的建设进程。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统及方法，该装置智能化程度高，能进行无接触式的锚杆或锚索数据测报，可便于及时、准确对锚杆或锚索使用状态进行监测；该方法步骤简单，可以对锚杆或锚索进行无接触式的精密监测，能大大提高监测结果的准确性和时效性，有利于确保煤矿生产作业的安全进行。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统，包括锚杆或锚索、位移传感器、应力测报垫板、位移测报装置和球头形螺母；
所述锚杆或锚索由位于中部的杆身、位于杆身一端的杆头、位于杆身另一端的杆尾组成，所述杆头为锚杆或锚索在实际使用中位于岩石内部的一端，所述杆尾为锚索或锚杆在实际使用中位于岩石与工程构筑物连接处的一端；所述位移传感器一安装在杆头的内部；
所述应力测报垫板通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，并位于岩石与工程构筑物的连接处，其内部装配有应力传感器与RFID收发装置一，所述应力传感器用于实时监测锚杆或锚索的应力信号，并用于将应力信号实时发送给RFID收发装置一；所述RFID收发装置一用于将所接收到的应力信号通过无线的方式发送给煤矿一线工作人员手中的手持终端；
所述位移测报装置位于应力测报垫板靠外的一侧，且通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，其内部装配有位移传感器二与RFID收发装置二，所述位移传感器二与位移传感器一相互配合使用，用于实时监测锚杆或锚索的位移变形信号，并用于将位移变形信号实时发送给RFID收发装置二；所述RFID收发装置二用于将所接收到的位移变形信号通过无线的方式实时发送给煤矿一线工作人员手中的手持终端；
所述球头形螺母位于锚杆或锚索在实际使用过程中裸露于巷道的一端，其通过螺纹配合套装在杆尾的端部，并将位移测报装置压紧在应力测报垫板上，同时，用于将围岩应力集中传递到应力测报垫板上。
本发明中，通过在锚杆或锚索的杆头内部装配位移传感器一，在安装在杆尾处的位移测报装置中设置有位移传感器二，同时，使位移传感器一和位移传感器二相互配合进行锚杆或锚索位移变形信号的监测，便可以实时采集到锚杆或锚索的位移量。由于在位移测报装置中设置了RFID收发装置二，这样，便可以通过无线的方式方便的将所监测的位移变形信号实时发给工作人员携带的手持终端，进而可实时准确的将所测报的形变信息并发送给煤矿一线工作人员进行实时查看。通过在应力测报垫板中设置有应力传感器和RFID收发装置一，可以利用应力传感器实时采集锚杆或锚索的应力信号，并能通过RFID收发装置一以无线的方式将所监测的应力信号发送给工作人员携带的手持终端，进而可实时准确的将测报的应力信息发送给煤矿一线工作人员进行实时查看。该装置智能化程度高，可以自动化地对锚杆或锚索进行准确的监测作业，极大的提高了监测结果的准确性和时效性。同时，RFID收发装置的使用可完成锚杆和锚索进行无接触式的数据传输，大大降低了监测的工作量，同时，有效确保了工作人员的人身安全，有利于确保煤矿生产作业的安全进行。
本发明还提供了一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报方法，包括以下步骤：
步骤一：在锚杆或锚索初装完成后，通过装配在杆头处的位移传感器一与装配在杆尾处的位移测报装置获取锚杆或锚索的位移初始状态信号，通过装配在杆尾处的应力测报垫板获取锚杆或锚索的应力初始状态信号，同时，工作人员携带手持终端到锚杆或锚索附近接收位移初始状态信号和应力初始状态信号，并利用手持终端根据所接收到位移初始状态信号和应力初始状态信号获得位移初始值和应力初始值；
步骤二：进行锚杆或锚索应力和位移状态的实时监测；
S21：通过装配在杆头处的位移传感器一与装配在杆尾处的位移测报装置实时监测锚杆或锚索的位移变形信号，并通过RFID收发装置二实时发送给工作人员手中的手持终端；通过装配在杆尾处的应力测报垫板4获取锚杆或锚索的应力信号，并通过RFID收发装置一实时发送给工作人员手中的手持终端；
S22：工作人员利用所携带的手持终端根据所接收到的位移变形信号实时获得测量位移变形值，并基于测量位移变形值和位移初始值获得实际位移值，当实际位移值超过位移报警阈值进进行位移超限报警；工作人员利用所携带的手持终端根据所接收到的应力信号实时获得测量应力值，并在于测量应力值和应力初始值获得实际应力值，当实际应力值小于应力报警阈值时进行应力失效报警。
S23：通过比对锚杆或锚索实时形变测量数据和变形的初始值获得差值D，然后基于差值D和两次监测时间差t的函数关系D＝f(t)绘制锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图；
S24：利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行一次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化速度并绘制锚杆或锚索实时形变速度曲线图；
S25：利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行二次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化加速度并绘锚杆或锚索实时形变加速度曲线图；
S26：结合锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图、锚杆或锚索实时形变速度曲线图和锚杆或锚索实时形变加速度曲线图对锚杆或锚索的失效时间进行综合判断，并得到失效时限数据，操作人员根据失效时限数据在锚杆或锚索失效前进行相应锚杆或锚索的更换。
作为一种优选，在步骤二的S22中，锚杆的位移报警阈值为于杆身1长度的15～18％，锚索的位移报警阈值为于杆身1长度的15～24％。
本方法步骤简单，实施成本低，实用性强，仅利用位移传感器和应力传感器便可准确、及时地采集到锚杆或锚索的状态，同时，利用RFID收发装置实现了无接触式的数据传输。首先，通过比对锚杆或锚索实时形变测量数据和变形的初始值获得差值D，然后基于差值D和两次监测时间差t的函数关系绘制出锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图，接着，利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行一次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化速度，并绘制锚杆或锚索实时形变速度曲线图，再者，利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行二次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化加速度，并绘锚杆或锚索实时形变加速度曲线图，最后基于形变随时间的变化曲线图、实时形变速度曲线图和实时形变加速度曲线图对锚杆或锚索的失效时间进行判断并得到失效时限数据，这样，可以对支护过程中的锚杆或锚索的失效时限进行数据化分析，进而可以对支护过程中的锚杆或锚索的使用寿命进行科学准确的预判，有助于在锚杆或锚索支护失效前便对其进行及时的更换，从而可以极大的提高巷道支护的安全性，有利于确保煤矿生产工作的安全进行。利用该方法可以使煤矿工作人员方便掌握锚杆或锚索的应力或位移状态，大大降低了工作量。另外，采用位移传感器和应力传感器进行锚杆或锚索数据的采集，便于量化锚杆或锚索的应力和变形特征，避免了由于人为测量所导致的误差，为煤矿安全生产提供了重要保障措施。该方法有利于科学准确地判断出锚杆或锚索的失效时限，进而能够在失效前便采取有效的处理措施，极大地提高了煤矿生产过程中的安全系数。
附图说明
图1是本发明中基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统的结构示意图；
图2是本发明中方法的流程示意简图；
图3是本发明中RFID收发装置与手持终端的交互原理图；
图4是本发明中巷道表面某一锚杆或锚索变形量曲线图；
图5是本发明巷道表面某一锚杆或锚索变形速度曲线图；
图6是本发明巷道表面锚杆或锚索监测点变形加速度曲线图。
图中：1、锚杆或锚索的杆身，2、杆头，3、位移传感器一，4、应力测报垫板，5、位移测报装置，6、球头形螺母。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明提供了一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统，包括锚杆或锚索、位移传感器3、应力测报垫板4、位移测报装置5和球头形螺母6；
所述锚杆或锚索由位于中部的杆身1、位于杆身1一端的杆头2、位于杆身1另一端的杆尾组成，所述杆头2为锚杆或锚索在实际使用中位于岩石内部的一端，所述杆尾为锚索或锚杆在实际使用中位于岩石与工程构筑物连接处的一端；所述位移传感器一3安装在杆头2的内部；
所述应力测报垫板4通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，并位于岩石与工程构筑物的连接处，其内部装配有应力传感器与RFID收发装置一，所述应力传感器用于实时监测锚杆或锚索的应力信号，并用于将应力信号实时发送给RFID收发装置一；所述RFID收发装置一用于将所接收到的应力信号通过无线的方式发送给煤矿一线工作人员手中的手持终端；
所述位移测报装置5位于应力测报垫板4靠外的一侧，且通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，其内部装配有位移传感器二与RFID收发装置二，所述位移传感器二与位移传感器一3相互配合使用，用于实时监测锚杆或锚索的位移变形信号，并用于将位移变形信号实时发送给RFID收发装置二；所述RFID收发装置二用于将所接收到的位移变形信号通过无线的方式实时发送给煤矿一线工作人员手中的手持终端；
所述球头形螺母6位于锚杆或锚索在实际使用过程中裸露于巷道的一端，其通过螺纹配合套装在杆尾的端部，并将位移测报装置5压紧在应力测报垫板4上，同时，用于将围岩应力集中传递到应力测报垫板4上。
本发明中，通过在锚杆或锚索的杆头内部装配位移传感器一，在安装在杆尾处的位移测报装置中设置有位移传感器二，同时，使位移传感器一和位移传感器二相互配合进行锚杆或锚索位移变形信号的监测，便可以实时采集到锚杆或锚索的位移量。由于在位移测报装置中设置了RFID收发装置二，这样，便可以通过无线的方式方便的将所监测的位移变形信号实时发给工作人员携带的手持终端，进而可实时准确的将所测报的形变信息并发送给煤矿一线工作人员进行实时查看。通过在应力测报垫板中设置有应力传感器和RFID收发装置一，可以利用应力传感器实时采集锚杆或锚索的应力信号，并能通过RFID收发装置一以无线的方式将所监测的应力信号发送给工作人员携带的手持终端，进而可实时准确的将测报的应力信息发送给煤矿一线工作人员进行实时查看。该装置智能化程度高，可以自动化地对锚杆或锚索进行准确的监测作业，极大的提高了监测结果的准确性和时效性。同时，RFID收发装置的使用可完成锚杆和锚索进行无接触式的数据传输，大大降低了监测的工作量，同时，有效确保了工作人员的人身安全，有利于确保煤矿生产作业的安全进行。
本发明还提供了一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报方法，包括以下步骤：
步骤一：在锚杆或锚索初装完成后，通过装配在杆头2处的位移传感器一3与装配在杆尾处的位移测报装置5获取锚杆或锚索的位移初始状态信号，通过装配在杆尾处的应力测报垫板4获取锚杆或锚索的应力初始状态信号，同时，工作人员携带手持终端到锚杆或锚索附近接收位移初始状态信号和应力初始状态信号，并利用手持终端根据所接收到位移初始状态信号和应力初始状态信号获得位移初始值和应力初始值；
步骤二：进行锚杆或锚索应力和位移状态的实时监测；
S21：通过装配在杆头2处的位移传感器一3与装配在杆尾处的位移测报装置5实时监测锚杆或锚索的位移变形信号，并通过RFID收发装置二实时发送给工作人员手中的手持终端；通过装配在杆尾处的应力测报垫板4获取锚杆或锚索的应力信号，并通过RFID收发装置一实时发送给工作人员手中的手持终端；
S22：工作人员利用所携带的手持终端根据所接收到的位移变形信号实时获得测量位移变形值，并基于测量位移变形值和位移初始值获得实际位移值，当实际位移值超过位移报警阈值进进行位移超限报警；工作人员利用所携带的手持终端根据所接收到的应力信号实时获得测量应力值，并在于测量应力值和应力初始值获得实际应力值，当实际应力值小于应力报警阈值时进行应力失效报警。
S23：通过比对锚杆或锚索实时形变测量数据和变形的初始值获得差值D，然后基于差值D和两次监测时间差t的函数关系D＝f(t)绘制锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图，如图4所示；
S24：利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行一次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化速度并绘制锚杆或锚索实时形变速度曲线图，如图5所示；
S25：利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行二次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化加速度并绘锚杆或锚索实时形变加速度曲线图，如图6所示；
S26：结合锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图、锚杆或锚索实时形变速度曲线图和锚杆或锚索实时形变加速度曲线图对锚杆或锚索的失效时间进行综合判断，并得到失效时限数据，操作人员根据失效时限数据在锚杆或锚索失效前进行相应锚杆或锚索的更换。
作为一种优选，在步骤二的S22中，锚杆的位移报警阈值为于杆身1长度的15～18％，锚索的位移报警阈值为于杆身1长度的15～24％。
本方法步骤简单，实施成本低，实用性强，仅利用位移传感器和应力传感器便可准确、及时地采集到锚杆或锚索的状态，同时，利用RFID收发装置实现了无接触式的数据传输。首先，通过比对锚杆或锚索实时形变测量数据和变形的初始值获得差值D，然后基于差值D和两次监测时间差t的函数关系绘制出锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图，接着，利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行一次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化速度，并绘制锚杆或锚索实时形变速度曲线图，再者，利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行二次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化加速度，并绘锚杆或锚索实时形变加速度曲线图，最后基于形变随时间的变化曲线图、实时形变速度曲线图和实时形变加速度曲线图对锚杆或锚索的失效时间进行判断并得到失效时限数据，这样，可以对支护过程中的锚杆或锚索的失效时限进行数据化分析，进而可以对支护过程中的锚杆或锚索的使用寿命进行科学准确的预判，有助于在锚杆或锚索支护失效前便对其进行及时的更换，从而可以极大的提高巷道支护的安全性，有利于确保煤矿生产工作的安全进行。利用该方法可以使煤矿工作人员方便掌握锚杆或锚索的应力或位移状态，大大降低了工作量。另外，采用位移传感器和应力传感器进行锚杆或锚索数据的采集，便于量化锚杆或锚索的应力和变形特征，避免了由于人为测量所导致的误差，为煤矿安全生产提供了重要保障措施。该方法有利于科学准确地判断出锚杆或锚索的失效时限，进而能够在失效前便采取有效的处理措施，极大地提高了煤矿生产过程中的安全系数。

Claims (3)

1.一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报系统，包括锚杆或锚索，所述锚杆或锚索由位于中部的杆身(1)、位于杆身(1)一端的杆头(2)、位于杆身(1)另一端的杆尾组成，所述杆头(2)为锚杆或锚索在实际使用中位于岩石内部的一端，所述杆尾为锚索或锚杆在实际使用中位于岩石与工程构筑物连接处的一端；其特征在于，还包括位移传感器(3)、应力测报垫板(4)、位移测报装置(5)和球头形螺母(6)；
所述位移传感器一(3)安装在杆头(2)的内部；
所述应力测报垫板(4)通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，并位于岩石与工程构筑物的连接处，其内部装配有应力传感器与RFID收发装置一，所述应力传感器用于实时监测锚杆或锚索的应力信号，并用于将应力信号实时发送给RFID收发装置一；所述RFID收发装置一用于将所接收到的应力信号通过无线的方式发送给煤矿一线工作人员手中的手持终端；
所述位移测报装置(5)位于应力测报垫板(4)靠外的一侧，且通过其中心的安装孔套设在杆尾的外部，其内部装配有位移传感器二与RFID收发装置二，所述位移传感器二与位移传感器一(3)相互配合使用，用于实时监测锚杆或锚索的位移变形信号，并用于将位移变形信号实时发送给RFID收发装置二；所述RFID收发装置二用于将所接收到的位移变形信号通过无线的方式实时发送给煤矿一线工作人员手中的手持终端；
所述球头形螺母(6)位于锚杆或锚索在实际使用过程中裸露于巷道的一端，其通过螺纹配合套装在杆尾的端部，并将位移测报装置(5)压紧在应力测报垫板(4)上，同时，用于将围岩应力集中传递到应力测报垫板(4)上。
2.一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在锚杆或锚索初装完成后，通过装配在杆头(2)处的位移传感器一(3)与装配在杆尾处的位移测报装置(5)获取锚杆或锚索的位移初始状态信号，通过装配在杆尾处的应力测报垫板(4)获取锚杆或锚索的应力初始状态信号，同时，工作人员携带手持终端到锚杆或锚索附近接收位移初始状态信号和应力初始状态信号，并利用手持终端根据所接收到位移初始状态信号和应力初始状态信号获得位移初始值和应力初始值；
步骤二：进行锚杆或锚索应力和位移状态的实时监测；
S21：通过装配在杆头(2)处的位移传感器一(3)与装配在杆尾处的位移测报装置(5)实时监测锚杆或锚索的位移变形信号，并通过RFID收发装置二实时发送给工作人员手中的手持终端；通过装配在杆尾处的应力测报垫板(4)获取锚杆或锚索的应力信号，并通过RFID收发装置一实时发送给工作人员手中的手持终端；
S22：工作人员利用所携带的手持终端根据所接收到的位移变形信号实时获得测量位移变形值，并基于测量位移变形值和位移初始值获得实际位移值，当实际位移值超过位移报警阈值进进行位移超限报警；工作人员利用所携带的手持终端根据所接收到的应力信号实时获得测量应力值，并在于测量应力值和应力初始值获得实际应力值，当实际应力值小于应力报警阈值时进行应力失效报警。
S23：通过比对锚杆或锚索实时形变测量数据和变形的初始值获得差值D，然后基于差值D和两次监测时间差t的函数关系D＝f(t)绘制锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图；
S24：利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行一次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化速度并绘制锚杆或锚索实时形变速度曲线图；
S25：利用形变测量数据和初始值的差值D对两次监测时间差t进行二次求导得到锚杆或锚索形变随时间的变化加速度并绘锚杆或锚索实时形变加速度曲线图；
S26：结合锚杆或锚索形变随时间的变化曲线图、锚杆或锚索实时形变速度曲线图和锚杆或锚索实时形变加速度曲线图对锚杆或锚索的失效时间进行综合判断，并得到失效时限数据，操作人员根据失效时限数据在锚杆或锚索失效前进行相应锚杆或锚索的更换。
3.根据权利要求2所述的一种基于RFID的锚杆或锚索自动化测报方法，其特征在于，锚杆的位移报警阈值为于杆身(1)长度的15～18％，锚索的位移报警阈值为于杆身(1)长度的15～24％。
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CN117782232A (zh) * 2024-02-28 2024-03-29 中铝智能(杭州)安全科学研究院有限公司 一种变形锚杆锚索监测系统及其监测仪
CN117782232B (zh) * 2024-02-28 2024-05-17 中铝智能(杭州)安全科学研究院有限公司 一种变形锚杆锚索监测系统及其监测仪

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