锚杆支护巷道矿压监测仪的研发与应用∗

郭书英武飞岐（.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,00083; 2.河北邢台学院,河北省邢台市,05600）



锚杆支护巷道矿压监测仪的研发与应用∗

郭书英1,2武飞岐1
（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.河北邢台学院,河北省邢台市,056001）

摘要针对矿压监测问题,通过分析矿压监测技术原理,研发了能够实时监测顶板及围岩的应力应变矿压监测仪,该监测仪能够精确动态地监测锚杆锚索的受力情况,据此确定巷道矿压显现规律。该仪器在中煤集团马营塔矿进行了实践研究,通过对所得数据进行处理分析,准确地得出了9103回风巷道顶板锚杆的受力状态、受力变化过程及变化趋势,为巷道顶板支护方案优化提供了基础数据和理论依据。

关键词巷道支护 锚杆支护 矿压监测 数据采集 监测仪 传感器

目前,巷道矿压显现规律的研究方法主要有理论分析、数值模拟、现场观测等,其中,现场观测是一种最直接、最有效的研究方法。本文研发了一种适用于煤矿井下的矿压监测仪,该监测仪可实时监测记录锚杆锚索的受力情况,能够精确、全面、动态地反映顶板及围岩的应力应变情况,并可据此确定巷道矿压显现规律,为巷道支护参数的选择提供理论依据和基础数据,为煤矿井下的高效开采和安全生产提供可靠的保障。

1　巷道矿压监测仪监测技术原理

巷道矿压监测仪监测主要是利用电阻应变片的应变效应,即电阻丝在受到应力作用时,其电阻随着所发生的拉伸或压缩式机械变形的大小而发生相应的变化,通过测量电阻的这种变化而对应变进行测量。进行压力监测时,将电阻应变片通过特殊的粘和剂紧密地粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。电阻应变效应的理论公式如下:

式中:R——电阻丝的电阻;

ρ——电阻丝的电阻率;

L——电阻丝的长度;

S——电阻丝的截面积。

由式（1）可知,电阻丝在承受应力而发生机械变形的过程中,ρ、L、S三者都要发生变化,从而必然会引起电阻丝电阻值的变化。当电阻丝受外力伸长时,长度增加,截面积减小,电阻值增加;当受压力缩短时,长度减小,截面积增大,电阻值减小。因此,只要能测出电阻值的变化,便可获得电阻丝的应变情况。这种转换关系为:

式中:ΔR——电阻丝电阻值的变化量;

K0——电阻丝材料的应变灵敏系数,其主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为常数;

ε——电阻材料的轴向应变值或长度应变值,其值在0.24～0.4之间;

ΔL——电阻丝长度的变化量。

2　巷道矿压监测仪的设计

巷道矿压监测仪由压力传感器和数据采集仪组成,其中压力传感器主要采用电阻应变片的应变效应,通过测量电阻的变化而对应变进行测量,由于应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,故应变片都组成应变电桥,并通过后续的放大电路进行放大,再传输给处理电路进行处理。数据采集仪负责完成对信号的放大、采集、存储,并通过相应的数据处理软件对采集数据进行处理,进而形成压力变化曲线。

2.1压力传感器

压力传感器是由特殊材料制成的弹性体、电阻应变片及温度补偿电路组成,并采用非平衡电桥方式连接,最后密封在弹性体中。其中应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化,为了显示和记录应变的大小,再将电阻的变化转换为电压的变化,其采用的测量技术为惠斯通电桥测量法。图1（a）为惠斯通电桥原理图,其中,4个电阻RX、R1、R2和R3连成四边形,称为电桥的4个臂。

图1　惠斯通电桥原理图及等效原理图

根据戴维南定理,图1（a）所示的电桥可等效为图1（b）所示的二端口网络,其中UOC为输出端开路的输出电压,Ri为输出阻抗。由图1（a）和图1（b）可知,Ri与R1、R2、R3及RX的关系如图1（c）所示。

可见:

R1、R2、R3——固定电阻;

RX——可变电阻;

RL——R3、RX两端的电阻值。

惠斯通电桥的输出采用的负载很大近似于开路,所以在这种情况下RL→∞,得出:

式中:RXO——其初始值;

△R——电阻变化量。

通过整理式（3）、（4）得到:

式（6）是一般形式的惠斯通电桥的输出与被测电阻的函数关系,本文研究的矿压监测仪采用的是等臂电桥,即电桥的4个桥臂阻值相等,即R1＝R2＝R3＝RXO,此时式（6）简化为:

当被测电阻△R≪RXO时,式（7）可进一步简化为:

可知UOC与△R成线性关系,由此可由电阻的变化转变为电压的变化,进而根据电压值的变化反映出外力作用的大小。

2.2数据采集仪

数据采集仪主要由电路板、外壳、接口等部件组成。其中电路板主要包括处理器芯片、存储器芯片、时钟芯片等元器件,数据采集仪通过实时采集压力传感器的模拟量,并对其进行处理分析,从而得到锚杆锚索所受到的压力值,依据锚杆锚索的受力情况进而判断此处顶板是否存在冒顶隐患及隐患存在的范围。

该数据采集仪采用低功耗芯片,以单片机MSP430F5438为核心,用于采集处理压力传感器产生的电压信号,传感器信号经过放大后利用芯片ADS1248进行模数转换,并将其存储至AT24C1024串行EEPROM芯片;时钟芯片采用PCF8563。为了适应复杂的井下环境,便于数据接收,仪器内部嵌入了NRF24L01射频芯片,使得数据采集仪不仅可以以有线通讯方式进行数据传输,而且可以通过无线通讯方式进行数据传输。该数据采集仪为智能化数字仪表,内置RS232C异步通讯接口,可直接与PC机进行通讯。

数据采集仪具有显示、校零、报警、参数设置等功能,采用光控触发显示,用矿灯照射一次可启动一次显示,显示5 s后自动关闭。当锚杆锚索压力值超过设定报警值时,数据采集仪自动声光指示报警,报警参数与其他参数设置操作可通过手持式无线传输设备完成,亦可通过有线通讯方式通过PC机进行设定。当数据采集仪采集到的数据传输到计算机后,利用相应的数据处理软件进行处理生成锚杆锚索受力曲线图,该曲线图可直观显示锚杆锚索在每个时刻的受力情况及总体变化趋势。

3　工程实践

3.1矿压监测仪

矿压监测仪能够实时监测锚杆锚索的受力状况,及时发现冒顶隐患,并对锚杆施工质量作出评价。本文采用矿压监测仪对锚杆锚索的受力进行监测,压力传感器安装在锚杆锚索尾部,通过数据线与数据采集仪连接。该监测仪为多路监测仪表,可同时监测5个锚杆锚索的受力情况。监测仪采集到的数据可以以无线通讯方式通过数据接收设备读取,然后传给上位机,或者直接将矿压监测仪与PC机连接读取采集数据。通过数据处理软件处理采集数据,并据此分析判断是否存在安全隐患,当存在安全隐患时,发出报警信号。

3.2地质状况

本次矿压监测仪监测锚杆的试验选在马营矿。矿内地层平缓,发育有次级宽缓褶曲和1条正断层,井田内未发现陷落柱和岩浆岩侵入现象,井田构造属简单类。煤层较厚,顶煤中存在多个软弱夹层;煤层顶板以直接顶为主,老顶次之;直接顶岩性为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩;老顶岩性为中、粗粒砂岩;底板岩性主要为泥岩,其次为砂质泥岩和粉砂岩。力学试验测试结果为中、粗粒砂岩为半坚硬岩石,泥岩、砂质泥岩为软弱的岩石。

3.3测点布置

根据马营矿现场实际地质条件和试验需要,将矿压监测仪安装在9103回风巷道的顶板锚杆上,在试验前,对矿压监测仪进行编号,各观测站矿压监测仪布置见表1所示。

表1　观测站布置参数及2 m锚杆受力监测结果

3.4数据分析

根据各矿压监测仪的监测数据对各个锚杆的受力情况进行分析,得到如图2所示的锚杆受力曲线图。

图2　锚杆受力曲线图

图2中各矿压监测仪监测的锚杆均为2 m短锚杆,1号矿压监测仪监测1＃和2＃锚杆的受力情况,监测显示1＃锚杆的初始锚固力为1 t,随着安装时间的延长,锚杆受力经历了下降、上升、稳定3个阶段,在这3个阶段内受力有所起伏但整体变化不大;2＃锚杆的初始锚固力为2.8 t,然后迅速下降到1 t,在此后的监测过程中,锚杆受力逐步下降,降至0.6 t后保持稳定。

2号矿压监测仪监测3＃和4＃锚杆的受力情况,监测显示3＃锚杆的初始锚固力为6.1 t,随着安装时间的延长,锚杆受力有所起伏但整体变化不大,仅在观测第四天出现较明显波动,稳定在6.1 t;4＃锚杆的初始锚固力为9.1 t,然后迅速下降到8.2 t,而后又上升至9.2 t,在此后的观察中,锚杆受力呈下降趋势,总体变化不大。

3号矿压监测仪监测5＃和6＃锚杆的受力情况,监测显示5＃锚杆的初始锚固力为5.3 t,随着安装时间的延长,锚杆受力在观测的2 d内逐步下降到4 t,然后基本保持稳定,在观测的15～20 d锚杆受力变化较大,在4.3～6.2 t的范围内往复变化;6＃锚杆的初始锚固力为2.2 t,在此后的观察中,锚杆受力基本稳定,维持在2 t左右。

4号矿压监测仪监测7＃和8＃锚杆的受力情况,监测显示7＃锚杆的初始锚固力为3.1 t,在此后的观察的前26 d中,锚杆受力基本稳定,维持在3 t左右变化,在26 d瞬时下降到0.8 t,然后增长到2 t后基本保持稳定;8＃锚杆的初始锚固力为4.3 t,此后在观测中变化剧烈,最小降至2.8 t,最大达到7.2 t。

5号矿压监测仪监测9＃和10＃锚杆的受力情况,监测显示9＃锚杆的初始锚固力为9 t,在此后的观察中,锚杆受力经历下降、上升及稳定3个阶段,最后保持在7.8～8 t之间;10＃锚杆的初始锚固力为3.8 t,此后在观测的15 d内基本保持稳定,在观测的15～18 d锚杆受力变化较大,瞬时受力最大达9.1 t后逐步下降到4.8 t,而后持续上升至10.7 t,此后一直在7～10.6 t的范围内往复摆动,且摆动趋势逐步减小。

3.5监测结论

各个监测仪中所测锚杆受力的结果见表1,其中初始锚固力为该观测站两个锚杆的均值,受力最大值最小值为该观测站的最大和最小值。由表1及图2的监测数据可知:

（1）2 m锚杆受力最大值为10.7 t,最小值为0.5 t。

（2）锚杆受力监测曲线出现跳跃,说明顶板压力是一个动态的变化过程,锚杆利用自身良好的物理力学性能,很好地适应顶板压力的变化,对于维持巷道的稳定起到了至关重要的作用。

（3）在锚杆监测过程中均存在稳定状态,且能够长期保持巷道的稳定,说明目前使用的支护技术能够很好地适应马营矿的地质条件,但是部分地段锚杆受力变化较大,应对该地段加强监测和管理。

4　结论

（1）矿压监测仪在中煤集团马营矿9103回风巷道的试验过程中,对9103回风巷道的顶板锚杆受力情况进行了实时监测记录,准确地得出9103回风巷道的顶板应力情况效果良好,为矿山压力显现研究提供了基础数据,为巷道支护优化方案提供重要理论设计依据,为煤矿井下的安全生产提供可靠的保障。

（2）矿压监测仪可实时监测记录锚杆锚索的受力情况、受力的变化过程及变化趋势,能够精确、全面、动态地反映顶板及围岩的应力应变情况,并可据此确定巷道矿压显现规律,为巷道支护参数的选择提供理论依据和基础数据,在煤炭行业和其他领域具有广泛的应用前景。

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（责任编辑张毅玲）

Development and application of mine pressure monitor in bolt supporting roadway

Guo Shuying1,2,Wu Feiqi1
（1.College of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Xingtai University,Xingtai,Hebei 056001,China）

AbstractAiming at the mine pressure monitoring problems and by analyzing the principles of mine pressure monitoring technology,a kind of mine pressure monitor was researched and developed,which could monitor the stress-strain of the roof and surrounding rocks in real time and monitor the force conditions of bolts and cables accurately and dynamically.So the mine pressure behaviors were hereby determined.The practice research on the monitor was carried out in Mayingta Mine of China National Coal Group Corp. With the analysis on the obtained data,the stress state,stress changing process and trend of the roof bolts in air retuning roadway of No.9103 working face were achieved,which provided basic data and theoretical basis for supporting scheme optimization.

Key wordsroadway supporting,bolt support,mine pressure monitoring,data collection, monitor,sensor

作者简介:郭书英（1980－）,女,河北邯郸人,讲师,在读博士,研究方向:矿山压力监测及其控制。

基金项目:∗国家自然科学基金重点项目（51234005）

中图分类号TD353

文献标识码A