顶板灾害预警系统研发及在动压巷道中的应用

2021-06-26蔡正委侯俊领袁4杜承航4李垂宇4谢4邓金山

科学技术创新 2021年16期

蔡正委侯俊领袁琳,3,4杜承航,3,4李垂宇,3,4谢涛,3,4邓金山,3,4 李奇,3,4 刘兵,3,4

(1、四川铸创安全科技有限公司,四川成都610041 2、攀枝花学院,四川攀枝花617000 3、四川岩土智测科技有限公司,四川攀枝花617000 4、四川钛星工程科技有限责任公司,四川攀枝花617000)

1 概述

谭云亮等研究了煤矿坚硬顶板离层预测预报系统[1],李虎威等根据光纤光栅传感原理和受力特性[2],提出一种可进行实时在线监测和长期监测的矿压安全监测系统。用于监测顶板离层,支护体受力与变形和围岩应力等,在煤矿现场成功应用并取得显著效果。许多学者从巷道围岩破坏特征的角度研究了巷道围岩塑性区的演化规律及其致灾机理[3]；在顶板灾害的监测系统和仪器方面做了大量工作,丰富了矿压监测手段[4]。以上研究成果为矿山顶板灾害机理和预警提供了理论基础和技术手段。然而,由于矿山地质条件的不确定性,灾害形成机理复杂,虽然马念杰等众多的专家学者针对矿山灾害预警防控的课题进行了不断探索研究,到目前为止,无论是从空间上还是从时间上,国内外尚缺乏行之有效的矿山灾害预测预警方法,难以实现灾害的有效预警[5]。

2 分布式实时监测测力锚杆研发

2.1 测力锚杆监测原理

测力锚杆应变技术监测原理是根据惠斯通电桥平衡原理,惠斯通电桥由四个同等阻值的电阻组合而成,适用于检测电阻的微小变化。当测力锚杆杆体传感器受力后,测点i应变计会随杆体变形而拉伸或收缩,从而改变电阻值,引起输出电压变化,反映传感器应变大小。图1为惠斯通电桥。

图1 惠斯通电桥

当测力锚杆杆体受力时,杆体形变所产生的拉伸应变、拉伸应力、轴力参数,可根据公式计算得出:

当测力锚杆杆体受力时,杆体形变所产生的弯曲应变、弯曲应力、弯矩参数,可根据公式计算得出:

2.2 测力锚杆设计及制备

测力锚杆设计主要分为硬件设计以及嵌入式软件设计,测力锚杆传感器的结构设计可以主要包括如下几个步骤:(1)锚杆开槽,选取粘贴应变片或光纤等感知元件。(2)连接导线。(3)硅胶封槽,组装锚杆和集线盒。制备工艺包括:(1)设计专用锚杆夹具、铣槽轨道,开发了锚杆铣槽工装,实现批量化生产。(2)创建多道灌封、高温固化、电子元器件老化等工艺保障感知元件稳定可靠。(3)建立标定工装,基于数学优化技术编制误差矫正算法,测量值误差小于0.8%。标定工装主要由油泵、轮辐传感器、拉伸机构、机床和固定夹具等构成,标定时锚杆由螺母和固定夹具锁紧,通过拉伸机构拉动锚杆进行测定,轮辐传感器将数据传出,锚杆固定于机床的标定槽内,以模拟岩壁作用。

3 顶板安全监测预警平台构架

矿山顶板安全监测预警平台是一个具备远程遥测监测分站执行配置、采集与现场同步的系统,通过以太网络摆脱现有测力锚杆需要现场读取数据,提高监测的效率与便捷性,真正实现系统的无人监守和自动化。同时结合云计算资源,可实时查看、分析实时、历史数据,增加了系统应用的实时监测与应变能力。并将云计算与大数据技术紧密结合,利用大数据具有海量的数据规模、快速的数据流转、多样的数据类型和价值密度低的四大特征,对监测数据进行智能分析与学习,智能提高安全预警的效率与准确度。

平台以F1监测分站为控制终端,通过RS485电缆同1-10根锚杆通讯,交互应变传感器数据。F1分站所获得的监控数据通过以太网链路传输至地面控制中心,监控人员可通过使用中心计算机、访问WEB端以及使用Android端设备获取实时信息及发出动态指令。

平台实现了对锚杆轴力、剪力、弯矩、富余系数等支护体工况信息进行在线实时监测,并且为井巷动态支护设计信息化施工提供技术基础,为井巷顶板安全预测预报提供了有效方法。监测预警系统由感知层、网络层和应用层三部分构成。