CN210637115U - 一种煤矿井下顶板支护形变预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，包括支护形变预警装置主体，所述支护形变预警装置主体上设置有防爆箱、通信光缆、支护网、支护架体、第一组激光入侵探测器、第二组激光入侵探测器、第三组激光入侵探测器、位移传感器、煤帮、木板、地面控制室和声光报警灯；所述防爆箱内设置有STM32主控制器、光电转换器、定位器和开关电源，所述光电转换器通过跳线和光纤接头盒与井下原有的通信光缆相连；所述支护架体一侧柱顶端固定安装有声光报警灯。本实用新型在实际使用中，安装简易、牢固，可有效监测支护弯曲形变程度、煤帮平移量，并可准确定位，适合在煤矿井下局部、临时支护地点推广使用。

Description

一种煤矿井下顶板支护形变预警装置

技术领域

本实用新型涉及煤矿井下支护安全预警相关技术领域，具体为一种煤矿井下顶板支护形变预警装置。

背景技术

在矿山开采过程中，顶板会因压力变化而发生不同程度变形，一般先沿顶板节理出现裂隙，并伴有离层现象产生。如果此时防护不当或支护的质量不好，压力持续增大，岩石变形超过极限，就会出现断裂、垮落、片帮或局部冒顶。目前，国内外井下采用的主要支护技术是锚网索支护，其施工工艺流程是先在顶板岩土体内合理布局钻孔，并安装一定长度的锚杆和锚索，并进行压力注浆，使得锚杆与岩土体形成复合体，增强自身结构和坡面稳定性；然后，在坡面上铺设钢筋网，并合理焊接加强筋(如工字钢等)、喷射混凝土，使坡面形成一个整体，防止变形，提高抗压力；最后，进行锚索预应力张拉、锚固，对不稳定土层，开挖修坡后，还应增加喷射第一次混凝土。

除去特殊原因而引起的顶板瞬间坍塌、煤帮平移或冒垮后挤压支护架体而导致弯曲变形等现象之外，冒顶事故一般是从顶板煤块和石块的少量冒落开始，到支护网承受大量煤块和石块后发生形变而逐渐弯曲，直至超出支护网及其支护架体所能承受的最大承载力为止，出现支护架体弯曲或断裂，致使冒顶事故发生；此外，多次冒顶事故都是由于支护架体受矿车等外力撞击而产生形变、且未及时修复，从而降低了支护架体的承载能力，缩减使用寿命，造成安全隐患。

通常情况下，煤矿冒顶事故都伴随着人员伤亡和巨大财产损失，煤矿冒顶的直接体现就是井下支护的变形或坍塌。因此，若在支护网和支护架体发生形变、煤帮平移或冒垮发生前期第一时间发现并报警，就可为现场施工人员争取更多的逃生时间，从而减少人员伤亡和财产损失。基于此，本实用新型开展的基于激光入侵探测器的井下支护形变监测安全预警系统研究具有重要的现实意义。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，在支护变形、煤帮平移或冒垮发生前期第一时间发现并报警，为现场施工人员争取更多的逃生时间。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，包括支护形变预警装置主体，所述支护形变预警装置主体上设置有防爆箱、通信光缆、支护网、支护架体、第一组激光入侵探测器、第二组激光入侵探测器、第三组激光入侵探测器、位移传感器、煤帮、木板、地面控制室和声光报警灯；所述防爆箱固定安装在地面上，所述防爆箱内设置有STM32主控制器、光电转换器、定位器和开关电源，所述STM32主控制器上设置有扩展口，所述第一组激光入侵探测器、第二组激光入侵探测器、第三组激光入侵探测器和位移传感器的信号输出端口分别与扩展口电性相连，所述定位器的双向通信端口与STM32主控制器电性相连，所述STM32主控制器的信号输出端口上电性连接有光电转换器，所述光电转换器通过跳线和光纤接头盒与井下原有的通信光缆相连，所述通信光缆连通至地面控制室；所述支护架体顶端固定安装有支护网，所述支护网上方为局部或临时支护区顶板，所述第一组激光入侵探测器、第二组激光入侵探测器和第三组激光入侵探测器的发射端自上往下有序地固定在支护架体上，对应的接收端安装在对立面的支护架体上；所述支护架体中临近煤帮的侧柱上固定安装有两只位移传感器，所述煤帮上固定安装有表面平整的木板；所述支护架体一侧柱顶端固定安装有声光报警灯，所述声光报警灯的控制端口直接与STM32主控制器电性相连。

优选的，所述第一组激光入侵探测器、第二组激光入侵探测器、第三组激光入侵探测器的发射端与接收端皆保持水平安装，激光线顺通。

优选的，所述第一组激光入侵探测器、第二组激光入侵探测器、第三组激光入侵探测器皆采用ABJ-XXX-12型激光入侵探测器。

优选的，所述两只位移传感器皆采用FTM-50S型激光位移传感器。

优选的，所述光电转换器采用HTB-1100S-25AB型单模单纤光电转换器。

优选的，所述两只位移传感器呈水平放置，激光线分别与木板垂直。

优选的，所述第一组激光入侵探测器、第二组激光入侵探测器、第三组激光入侵探测器、位移传感器和定位器皆由开关电源供电，所述开关电源输入端接通煤矿井下220V市电。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型依托于现有地面控制室、井下通信光缆和锚网索支护结构，采用传感器检测技术、智能控制技术和光传输技术等，在支护变形、煤帮平移或冒垮发生前期第一时间发现并报警，为现场施工人员争取更多的逃生时间。

本实用新型的具体有益效果如下：

1、可实现对支护网和支护架体弯曲形变程度、煤帮平移量的有效监测，实现阈值报警。

2、可实现井下局部、临时支护之间的互联及定位，地面控制室可动态查看各组监测信息，并第一时间获取报警位置。

3、冒顶来临前期进行预警，并可现场报警，为井下现场施工人员争取更多的逃生时间，挽救员工生命。

4、本课题采用STM32主控制器及其电路板、多组ABJ-XXX-12型激光入侵探测器、FTM-50S型激光位移传感器、HTB-1100S-25AB型单模单纤光电转换器、定位器，可以有效获取支护网与支护架体弯曲形变程度、煤帮平移量数据及支护位置信息。检测出的激光截断信号、位移量信号、定位信息传输至STM32控制芯片，信号识别与处理后发送电信号控制指令，再经光电转换器变成光信号后，依附井下原有的阻燃式通信光缆作为光信号传输路径，传送至地面控制室，信号处理后获取报警及定位信息。

①STM32主控制器及其电路板：STM32主控制器负责收集三组激光入侵探测器、两只位移传感器的检测信号，当超出安全阈值时，启动定位器，并将定位信号、报警信号和位移变量信号一并传递给光电转换器，再由跳线和通信光缆传送至地面控制室。

②ABJ-XXX-12型激光入侵探测器：采用的是650nm可见光或808nm不可见激光作为光源，报警触发方式选择相邻双光束同时阻断报警，以避免出现偶然因素引发的误报情况，供电电压为DC12V，发射端电流为800-2000mA，接收端电流为250mA，工作环境适宜温度范围为-40℃～60℃，外壳采用不锈钢材质。

③FTM-50S型激光位移传感器：采用的是650nm可见光，供电电压为DC5V，量程为0.05m～70m，分辨率为0.1mm(根据实际情况可合理选择)，工作环境适宜温度范围为-20℃～70℃。两种激光器在井下长时间使用，皆需对发射透镜(和接受透镜)定时清洗。

④HTB-1100S-25AB型单模单纤光电转换器：供电电压为DC5V，电流为1A/2A，工作温度为0～60℃，传输距离为25km。以上传感器及光电转换器皆由多组开关电源供电。

本实用新型在实际使用中，安装简易、牢固，可有效监测支护弯曲形变程度、煤帮平移量，并可准确定位，适合在煤矿井下局部、临时支护地点推广使用。

附图说明

图1为本实用新型一种煤矿井下顶板支护形变预警装置主体结构简图；

图2为本实用新型的系统结构框图；

图3为本实用新型的开关电源的输出电路图；

图中：1-支护形变预警装置主体；2-防爆箱；3-通信光缆；301-光纤接头盒；302-跳线；4-支护网；5-支护架体；6-第一组激光入侵探测器；7-第二组激光入侵探测器；8-第三组激光入侵探测器；9-位移传感器；10-煤帮；11-木板；12-地面控制室；13-声光报警灯；14-STM32主控制器；15-光电转换器；16-定位器；17-开关电源。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，包括支护形变预警装置主体1，所述支护形变预警装置主体1上设置有防爆箱2、通信光缆3、支护网4、支护架体5、第一组激光入侵探测器6、第二组激光入侵探测器7、第三组激光入侵探测器8、位移传感器9、煤帮10、木板11、地面控制室12和声光报警灯13；所述防爆箱2固定安装在地面上，所述防爆箱2内设置有STM32主控制器14、光电转换器15、定位器16和开关电源17，所述STM32主控制器14上设置有扩展口，所述第一组激光入侵探测器6、第二组激光入侵探测器7、第三组激光入侵探测器8和位移传感器9的信号输出端口分别与扩展口电性相连，所述定位器16的双向通信端口与STM32主控制器14电性相连，所述STM32主控制器14的信号输出端口上电性连接有光电转换器15，所述光电转换器15通过跳线302和光纤接头盒301与井下原有的通信光缆3相连，所述通信光缆3连通至地面控制室12；所述支护架体5顶端固定安装有支护网4，所述支护网4上方为局部或临时支护区顶板，所述第一组激光入侵探测器6、第二组激光入侵探测器7和第三组激光入侵探测器8的发射端自上往下有序地固定在支护架体5上，对应的接收端安装在对立面的支护架体5上；所述支护架体5中临近煤帮10的侧柱上固定安装有两只位移传感器9，所述煤帮10上固定安装有表面平整的木板11；所述支护架体5一侧柱顶端固定安装有声光报警灯13，所述声光报警灯13的控制端口直接与STM32主控制器14电性相连。

其中，所述第一组激光入侵探测器6、第二组激光入侵探测器7、第三组激光入侵探测器8的发射端与接收端皆保持水平安装，激光线顺通。

其中，所述第一组激光入侵探测器6、第二组激光入侵探测器7、第三组激光入侵探测器8皆采用ABJ-XXX-12型激光入侵探测器。

其中，所述两只位移传感器9皆采用FTM-50S型激光位移传感器。

其中，所述光电转换器采用HTB-1100S-25AB型单模单纤光电转换器。

其中，所述两只位移传感器9呈水平放置，激光线分别与木板11垂直。

其中，所述第一组激光入侵探测器6、第二组激光入侵探测器7、第三组激光入侵探测器8、位移传感器9和定位器16皆由开关电源17供电，所述开关电源17输入端接通煤矿井下220V市电。

工作原理：

①前期准备：将STM32主控制器14及其电路板制作好(或直接购买)，地面控制室12须布置一台单独的电脑进行数据处理和报警、定位显示，并依附井下及地面原有的通信光缆3，进行信号传输。

②安装配件：将定位器16和HTB-1100S-25AB型单模单纤光电转换器15放入准备好的防爆箱2内，并与声光报警灯13一起安装在支护架体5的合理位置上，布置好信号线。

③安装激光入侵探测器：将ABJ-XXX-12型激光入侵探测器的发射端安装在支护网一侧支护架体的柱子上，并在支护网另一侧对应柱子的适当位置安装接收端，保证激光信号能够顺利接受；此外，根据现场情况及经验值，在每对柱子上自上往下依次安装三组ABJ-XXX-12型激光入侵探测器。

三组激光入侵探测器的安装要求及其功能为：

第一组激光线距离支护网4最近。当支护网4发生微小形变、但危险系数较小时，第一组中的两根激光线会被同时截断，此时现场无报警声光，地面控制室12有报警提示，并可在界面上查询具体位置，便于相关负责人及时处理；

第二组激光线位居中间位置。当支护网4发生较大形变时，第二组中的两根激光线被同时截断，此时现场无报警声光，地面控制室12有报警提示，且可查询具体位置；一般情况下，第二组激光线被截断时，支护网4所承受冒落煤岩的重量已接近临界值，需相关技术人员及时查看并处理；

第三组激光线位居最下侧、支护架体5中上部位置。当支护网4发生严重变形时，会随时冒落，第三组中的两根激光线被同时截断，在STM32主控制器14的处理下，支护现场和地面控制室12会同时发出报警信号。

此外，当支护架体5受矿车等外力撞击而产生形变时，激光发射端或接收端会随着支护架体5的弯曲而发生相对位移，由于第三组激光线位居所有激光线的最下侧、支护架体中上部，发生的相对位移最大，两路激光断路，支护现场和地面控制室12会同时报警，从而可以实现对支护网4和支护架体5弯曲形变程度、煤帮平移量的有效监测、溢值报警功能。

④安装位移传感器9：首先，在上帮或下帮煤体上竖直挂置一块表面平整的木板11；然后，将FTM-50S型激光位移传感器9固定安装在距离木板11最近的支护架体5上，并保证激光线与木板11垂直。当煤帮10发生移动或者倾斜时，位移传感器9会监测出位移变量，当变量值超出设定值时会自动发送给STM32主控制器14，识别与处理后，由光电转换器15转换成光信号，同位置信号一起传输至地面控制室12，从而可以实现动态获取煤帮10平移量。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，包括支护形变预警装置主体(1)，其特征在于：所述支护形变预警装置主体(1)上设置有防爆箱(2)、通信光缆(3)、支护网(4)、支护架体(5)、第一组激光入侵探测器(6)、第二组激光入侵探测器(7)、第三组激光入侵探测器(8)、位移传感器(9)、煤帮(10)、木板(11)、地面控制室(12)和声光报警灯(13)；所述防爆箱(2)固定安装在地面上，所述防爆箱(2)内设置有STM32主控制器(14)、光电转换器(15)、定位器(16)和开关电源(17)，所述STM32主控制器(14)上设置有扩展口，所述第一组激光入侵探测器(6)、第二组激光入侵探测器(7)、第三组激光入侵探测器(8)和位移传感器(9)的信号输出端口分别与扩展口电性相连，所述定位器(16)的双向通信端口与STM32主控制器(14)电性相连，所述STM32主控制器(14)的信号输出端口上电性连接有光电转换器(15)，所述光电转换器(15)通过跳线(302)和光纤接头盒(301)与井下原有的通信光缆(3)相连，所述通信光缆(3)连通至地面控制室(12)；所述支护架体(5)顶端固定安装有支护网(4)，所述支护网(4)上方为局部或临时支护区顶板，所述第一组激光入侵探测器(6)、第二组激光入侵探测器(7)和第三组激光入侵探测器(8)的发射端自上往下有序地固定在支护架体(5)上，对应的接收端安装在对立面的支护架体(5)上；所述支护架体(5)中临近煤帮(10)的侧柱上固定安装有两只位移传感器(9)，所述煤帮(10)上固定安装有表面平整的木板(11)；所述支护架体(5)一侧柱顶端固定安装有声光报警灯(13)，所述声光报警灯(13)的控制端口直接与STM32主控制器(14)电性相连。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，其特征在于：所述第一组激光入侵探测器(6)、第二组激光入侵探测器(7)、第三组激光入侵探测器(8)的发射端与接收端皆保持水平安装，激光线顺通。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，其特征在于：所述第一组激光入侵探测器(6)、第二组激光入侵探测器(7)、第三组激光入侵探测器(8)皆采用ABJ-XXX-12型激光入侵探测器。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，其特征在于：所述两只位移传感器(9)皆采用FTM-50S型激光位移传感器。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，其特征在于：所述光电转换器(15)采用HTB-1100S-25AB型单模单纤光电转换器。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，其特征在于：所述两只位移传感器(9)呈水平放置，激光线分别与木板(11)垂直。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下顶板支护形变预警装置，其特征在于：所述第一组激光入侵探测器(6)、第二组激光入侵探测器(7)、第三组激光入侵探测器(8)、位移传感器(9)和定位器(16)皆由开关电源(17)供电，所述开关电源(17)输入端接通煤矿井下220V市电。

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