郭書英,王睿豐,曲 光
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.北京四中,北京 102499;3.北京神龍安科技術(shù)發(fā)展中心,北京 100120)
通過(guò)對(duì)煤礦巷道頂板冒頂隱患的探測(cè)研究分析,現(xiàn)有的判斷煤礦巷道頂板是否存在冒頂隱患主要是通過(guò)對(duì)巷道頂板進(jìn)行離層監(jiān)測(cè)或錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)[1-2],依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判定巷道是否存在冒頂隱患,兩者對(duì)巷道冒頂預(yù)警起到了重要作用[3],但這些方式都是利用錨桿錨索錨固支護(hù)后所進(jìn)行的監(jiān)測(cè)預(yù)警,觀測(cè)周期長(zhǎng),且觀測(cè)點(diǎn)的布置有其本身固有的局限性。除此之外,國(guó)內(nèi)學(xué)者在頂板巖層結(jié)構(gòu)探測(cè)、分析方面也做了很多的工作:吳聯(lián)君[4]研發(fā)了巖層結(jié)構(gòu)探測(cè)儀用于探測(cè)頂板巖層的結(jié)構(gòu);鄧廣濤、馬念杰[5]提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法是把鉆孔內(nèi)各巖層的分布情況[6];鉆孔窺視儀的應(yīng)用對(duì)頂板巖層的探測(cè)也起到了一定的推動(dòng)作用,但這些方法使用復(fù)雜,精確度不高,無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冒頂隱患的存在。針對(duì)以上情況,論文研究設(shè)計(jì)了頂板冒頂隱患測(cè)試儀,該測(cè)試儀的設(shè)計(jì)依據(jù)為鉆削破巖理論[7],該理論指出,錨桿鉆機(jī)在頂板鉆進(jìn)破巖時(shí)反映出來(lái)的瞬時(shí)信息可以反映出所鉆進(jìn)巖層的密度、強(qiáng)度、硬度等物理力學(xué)特征,因此,只要在掘進(jìn)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)完整地獲取這些信息,就能據(jù)此推斷出鉆孔所在點(diǎn)巷道頂板的巖層物理力學(xué)特征,該測(cè)試儀實(shí)時(shí)采集鉆機(jī)在鉆孔過(guò)程中所受到的推力,并依此分析判斷此處頂板冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍[8],為巷道冒頂防治工作提供很好的幫助,并為煤礦的安全生產(chǎn)提供可靠保障。
圖1 惠斯通電橋原理圖
圖2 惠斯通電橋等效原理圖
鉆削破巖理論指出,錨桿鉆機(jī)在頂板鉆進(jìn)破巖時(shí)反映出來(lái)的瞬時(shí)信息可以反映出所鉆進(jìn)巖層的密度、強(qiáng)度、硬度等物理力學(xué)特征,因此,只要在鉆孔時(shí)能夠?qū)崟r(shí)完整地獲取這些信息,就能據(jù)此推斷出鉆孔所在點(diǎn)巷道頂板的巖層物理力學(xué)特征。而頂板冒頂隱患測(cè)試儀就是依據(jù)鉆機(jī)在對(duì)破碎巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)與對(duì)完整巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)所受到的力不同設(shè)計(jì)而成。
頂板冒頂隱患測(cè)試儀主要由壓力傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊組成,壓力傳感器主要用于測(cè)量鉆機(jī)在鉆孔過(guò)程中所受到的力;數(shù)據(jù)處理模塊主要用于采集壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)信息并對(duì)其進(jìn)行處理分析。由于對(duì)破碎巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)與對(duì)完整巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)鉆機(jī)所受到的力不同,根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊采集到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)信息,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理,形成鉆機(jī)推力曲線圖,并依此來(lái)判斷頂板此處冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍。
壓力傳感器是由特殊工藝材料制成的彈性體、電阻應(yīng)變片及溫度補(bǔ)償電路組成,并采用非平衡電橋方式連接,最后密封在彈性體中。其中應(yīng)變片可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化,為了顯示和記錄應(yīng)變的大小,再將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,其采用的測(cè)量技術(shù)為惠斯通電橋測(cè)量法。圖1為惠斯通電橋原理圖,其中,四個(gè)電阻RX、R1、R2、R3,連成四邊形,稱為電橋的四個(gè)臂,其中 R1、R2、R3為固定電阻,RX為可變電阻,當(dāng) RX變化時(shí)UL的值也隨之改變。
根據(jù)戴維南定理,圖1所示的橋路可等效為圖2所示的二端口網(wǎng)絡(luò),其中U0C為輸出端開路的輸出電壓,Ri為輸出阻抗,等效圖見圖3,可見
圖3 惠斯通電橋等效原理圖
惠斯通電橋的輸出采用的是負(fù)載很大近似于開路,所以在這種情況下RL→∞,所以得出:
令RX=RX0+△R,RX為被測(cè)電阻,RX0為其初始值,△R為電阻變化量。
通過(guò)整理,(1)、(2)式分別變?yōu)?
以上是一般形式的惠斯通電橋的輸出與被測(cè)電阻的函數(shù)關(guān)系,本文研究的頂板冒頂隱患測(cè)試儀采用的是等臂電橋,即電橋的四個(gè)橋臂阻值相等,即R1=R2=R3=RX0,此時(shí)(4)式簡(jiǎn)化為:
當(dāng)被測(cè)電阻的△R<<RX0時(shí),(5)式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為
由此可知U0與△R成線性關(guān)系,由此可由電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?,進(jìn)而根據(jù)電壓值的變化反映出外力作用的大小[6]。
數(shù)據(jù)處理模塊主要是指采集處理電路,主要包括處理器芯片,存儲(chǔ)器芯片,時(shí)鐘芯片等,數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)采集電阻的變化,并對(duì)其進(jìn)行處理分析,從而得到鉆機(jī)所受到的外力作用的大小,可清晰觀察鉆機(jī)在鉆孔過(guò)程中的受力情況[9],進(jìn)而判斷此處頂板是否存在冒頂隱患及隱患存在的范圍。
該采集處理電路以符合國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志為基本要求,采用低功耗芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),以單片機(jī)MSP430F5438為核心,用于采集處理壓力傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào),傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后利用芯片 ADS1248進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并將其存儲(chǔ)至AT24C1024串行EEPROM芯片;時(shí)鐘芯片采用PCF8563,射頻芯片采用NRF24L01。
該冒頂隱患測(cè)試儀為智能化數(shù)字儀表,內(nèi)置RS232C異步通訊接口,可直接與PC機(jī)連接,數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后,利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理從而得出各種曲線和報(bào)表。
頂板冒頂隱患測(cè)試儀密封性較好,具有很好的環(huán)境適應(yīng)性,其使用條件為如下:工作環(huán)境溫度:0℃ ~﹢40℃;工作環(huán)境相對(duì)濕度:≤95%(+25℃);大氣壓力:80 kPa~110 kPa;在具有甲烷,煤塵爆炸性混合物的煤礦井下[10],無(wú)破壞絕緣的腐蝕性物質(zhì)的場(chǎng)合均可使用。
頂板冒頂隱患測(cè)試儀尾部通過(guò)釬桿與鉆機(jī)機(jī)身相連,其頭部為凹槽結(jié)構(gòu),可將釬桿至于凹槽內(nèi),安裝方式如下圖所示,將其安裝于鉆機(jī)機(jī)身與鉆桿之間,在鉆機(jī)開始進(jìn)行鉆孔之前打開頂板冒頂隱患測(cè)試儀的開關(guān)即可開始采集數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái),鉆孔完成后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)有線傳至計(jì)算機(jī),用相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理后形成鉆機(jī)推力曲線圖,并依此來(lái)判斷頂板此處冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍。
圖4 頂板冒頂隱患測(cè)試儀安裝圖
該試驗(yàn)地點(diǎn)選在中煤集團(tuán)的五家溝礦,五家溝礦煤層較厚,巷道沿煤層底板掘進(jìn),煤層頂板與巖層頂板相比,強(qiáng)度較弱,支護(hù)不及時(shí)將會(huì)發(fā)生冒頂危險(xiǎn),局部地區(qū)頂板淋水較為嚴(yán)重。煤層巷道在回采過(guò)程中,頂板下沉量較大,存在冒頂隱患,本試驗(yàn)需要通過(guò)研究確定巷道冒頂危險(xiǎn)區(qū)。
根據(jù)五家溝礦的地質(zhì)條件、煤層開采情況和項(xiàng)目試驗(yàn)研究需要,在5203運(yùn)輸巷道和5203輔助運(yùn)輸巷道進(jìn)行試驗(yàn),在5203運(yùn)輸巷道距開切眼50m處和距開切眼150m處各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),在5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼50 m處和距開切眼250 m處各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),各個(gè)測(cè)點(diǎn)詳細(xì)的布置位置如表1所示。每個(gè)安裝位置的頂板孔位于頂板中間,測(cè)試孔深10 m,直徑28 mm。
表1 試驗(yàn)點(diǎn)位置
將頂板冒頂隱患測(cè)試儀采集到的數(shù)據(jù)利用軟件處理后得到鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中的受力圖如下圖5-8所示。
圖5表明在5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼150 m處進(jìn)行頂板鉆進(jìn)時(shí)鉆機(jī)受力較為平穩(wěn),鉆機(jī)受力穩(wěn)定在5~8 kN之間,說(shuō)明頂板此處不存在破碎巖層,頂板較為穩(wěn)定,不存在冒頂隱患;圖6表明在5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼250m處進(jìn)行頂板鉆孔時(shí),鉆機(jī)在距離頂板3.3 m處的受力急劇下降,由7 kN下降至3.5 kN,3.3~5.6 m處趨于平穩(wěn),5.6 m處急劇上升由2.5 kN上升至7 kN,說(shuō)明此處在距頂板3.3~5.6 m有破碎巖層,此處存在冒頂隱患;同理,圖7表明在5203運(yùn)輸巷道距開切眼50 m處,在距離頂板5.5~7.8 m處有破碎巖層,此處存在冒頂隱患,圖8表明5203運(yùn)輸巷道距開切眼150 m處頂板較為穩(wěn)定,不存在冒頂隱患。將此圖與鉆機(jī)采樣的巖芯進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)與其測(cè)試結(jié)果一致,效果良好。
圖5 5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼50 m處鉆機(jī)受力圖
圖6 5203輔助運(yùn)輸巷道距開切眼250 m處鉆機(jī)受力圖
圖7 5203運(yùn)輸巷道距開切眼50 m處鉆機(jī)受力圖
圖8 5203運(yùn)輸巷道距開切眼150 m處鉆機(jī)受力圖
1)頂板冒頂隱患測(cè)試儀根據(jù)鉆機(jī)在對(duì)破碎巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)與對(duì)完整巖層進(jìn)行鉆孔時(shí)鉆機(jī)所受到的力不同,來(lái)判斷頂板此處冒頂隱患的程度及頂板巖層破碎的范圍,壓力傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)鉆孔過(guò)程中的推力,數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)壓力傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、處理,形成鉆機(jī)推力曲線圖。
2)壓力傳感器核心結(jié)構(gòu)彈性體由特殊工藝材料加工,并采用非平衡電橋方式連接,保證了該傳感器的可靠性,數(shù)據(jù)處理模塊采用低功耗芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),以單片機(jī)MSP430F5438為核心,同時(shí)進(jìn)行了密封設(shè)計(jì),保證了該探測(cè)儀具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。
3)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)表明,該頂板冒頂隱患測(cè)試儀可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)是的推力進(jìn)行同步、連續(xù)的采集存儲(chǔ),并能利用采集到的數(shù)據(jù)判定此處頂板是否存在冒頂隱患及隱患存在的范圍,效果良好,在煤炭行業(yè)和其他領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
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