煤矿锚网巷道锚杆应力及顶板离层运动计算机监测系统研究.pdf

东北大学 硕士学位论文 煤矿锚网巷道锚杆应力及顶板离层运动计算机监测系统研究 姓名闫相宏 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师唐春安;蒋金泉 20031201 东北大学硕士学位论文 摘要 煤矿锚网巷道锚杆应力及顶板离层运动计算机监测系统研究 摘要 随着采矿技术的发展，我国煤矿井下巷道的支护方式已普遍采用锚杆、锚杆 为主要支护手段的锚网或锚喷支护。目前国内用于锚网巷道的顶板及围岩应力的 动态检测技术还相对落后，虽然近年来在国内刊物上也发表了不少用于巷道的围 岩应力测试方法，但离形成系统的测试手段还有一定的差距。为了进一步研究锚 网支护强度对不同顶板和开采方式的影响，搞好顶板安全管理，本论文提出了研 究开发一套用于锚网支护的顶板及围岩运动的计算机检测系统，用以解决现场巷 道支护中存在的实际问题，为巷道顶板安全管理提供重要数据和反馈信息。 本论文重点从该系统的传感器的设计、检测原理方法、测试电路、通讯及软 件开发等方面作了较详细的论述。该系统从监测功能上分为锚杆应力检测、测力 锚杆检测、顶板离层检测三个子监测系统。 锚杆应力检测系统，主要用于对目前普遍采用的金属锚杆的端锚方式锚杆的 受力状况进行监测，本系统采用的传感器是一种电阻应变式轴向载荷应力传感器， 测量方法是比较成熟的，主要针对井下环境和被测对象的结构，论文从传感器、 分站的工作原理、结构及工艺设计等方面作了详细的叙述，还简要的介绍了系统 的使用方法和主要的技术指标。 测力锚杆监测系统，主要用于巷道内部不同深度岩层受力检测，该部分的设 计是基于一种类似锚杆的组合传感器结构测量技术，基本的测量部分是电阻应变 式传感器，这种测量方法能够在不破坏顶板岩层应力分布的情况下，比较精确的 测量不同深度锚杆的受力情况，测力锚杆的结构与材料特性与普通的金属锚杆相 同，以次可推理分析相邻位置锚杆的受力状况。该部分使用了与锚杆应力监测相 同分站。 顶板离层监测系统，主要用于对煤矿井下巷道顶板岩层运动产生的位移进行 检测和分析，采用位移传感器对顶板离层运动检测具有精度高和连续记录等特点， Ⅱ 糸北大学硕士学位论文摘要 可相关分析顶板离层运动的速度、加速度等变化规律。本文介绍了一种容栅位移 测量技术，同时还叙述了离层传感器的结构和工艺设计方法。 本监测系统设计思路是以数据检测和分析为主，同时具有现场报警和指示功 能。系统采用分布式系统结构，监测分站是一个智能化的功能单元，具有检测、 数据处理分析、通讯、显示和报警功能。监测数据通过通讯分站的远程数据收发 单元发送到井上的接收主机。 该系统的研究采用产品研发设计思路，从技术、工艺、安装使用三个方面进 行细致的研究，并进行了一定规模的现场实践，取得较好应用效果。 关键词巷道锚网支护分布式结构在线监测智能化 Ⅲ 查苎查芏壁主兰竺笙圭兰里翌垦竺 S t u d y o fC o m p u t e rM o n i t o r i n gS y s t e m f o rB o l tS t r e s sa n d R o o fA b s c i s sL a y e r M o v e m e n t o fA n c h o r e dW i r e m e s hR o a d w a y s A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o a lm i n i n gt e c h n o l o g y , t h er e i n f o r c e m e n t m o d eo fc o a l m i n er o a d w a y si s a n c h o r e dw i ，r e m e s ho ra n c h o r e de j e c t i o n r e i n f o r c e m e n t ．T h ed y n a m i cs t r e s sm e a s u r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi s a b o u t r o o fa n ds u r r o u n d i n gr o c km a s s e si n a n c h o r e dw i r e m e s hr o a d w a y s ，1 S r e l a t i v e l yl a g g a r d ．A l t h o u g h s o m es t r e s s m e a s u n n g m e t h o d sw e r e p r e s e n t e do nm a n y i n t e r n a lp e r i o d i c a l s ，t h es y s t e m i cm e a s u r m gm e t h o dI S s t i l lu n f o r m e d ．I no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to nd i f f e r e n t r o o fa n dc o a lm i n i n g m e t h o db yt h ei n t e n s i t yo fa n c h o r e dw i r e m e s hr e i n f o r c e m e n t ，ac o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c h i sa b o u tm o v e m e n to f r o o fa n ds u r r o u n d i n gr o c k m a s s e sf o ra n c h o rn e tt i m b e r i n g ，w a sp r e s e n t e d ．T h i s n e wm o m t o r l n g s v s t e r nc a np r o v i d es o m ei m p o r t a n t d a t aa n df e e d b a c k m e s s a g e ，a n d r e s o l v es o m e p r a c t i c a lp r o b l e m s i nt h ec o u r s eo fr o a d w a y sr e i n f o r c e m e n t ． T h i s p a p e r h a s g i v e n d e t a i ld i s c u s s i o nf r o mt h ed e s i g n o fs e n s o r , m o n i t o r i n gm e t h o d ，t e s t i n g c i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o n a n d s o f t w a r e ． d e v e l o p m e n t ，a n dS Oo n ．T h i ss y s t e me n c l o s e st h r e es u b s y s t e m s ，t h a ti s ， m e a s u r i n g s t r e s so fb o l t ，m o n i t o r i n gs t a t i o no fb o l t ，a n dm o n i t o r i n gs t a t i o n o fi s o l a t i o nl a y e ro fr o o f ． T h em e a s u r i n gs y s t e mo fb o l ts t r e s si sa p p l i e dt om o n i t o r i n gs t r e s s e d s t a f t o no fb o l tb a s e do ns i d eb o l tm o d eo fm e n t a lb o l t ．B e c a u s eo ft h e c i r c u m s t a n c ea n ds t r u c t u r eo fo b j e c tm e a s u r e du n d e rw e l l ，t h es y s t e m a d o p t e dak i n do fr e s i s t a n c e s t r a i ng a u g ea x i a lb u r d e ns t r e s ss e n s o r ．T h e d e t a i ld i s c u s s i o nw a sp r e s e n t e df r o mt h e o r y ，c o n s t r u c t i o na n d c r a f td e s i g n o fs e n s o ra n ds u b s t a t i o n ．T h i sp a p e ra l s ob r i e f l yi n t r o d u c e du s i n gm e t h o d Ⅳ‘ 东北大学j 女士学位论文 A B S T R A C T a n dm a i nt e c h n o l o g yi n d e xo ft h es y s t e m ． T h e m o n i t o r i n gs y s t e m o fs t a t i o no fb o l ti s m a i n l ya d o p t e db y m o n i t o r i n gs t r e s s s t a t i o no fr o c kl a y e ri nd i f f e r e n td e p t h ．D e s i g no ft h e s u b ．s y s t e m i sb a s e do nm u l t i s e n s o rm e a s u r i n gt e c h n o l o g yt h a ti ss i m i l a rt o b o l t ．T h eb a s i cm e a s u r i n gs e c t i o ni sr e s i s t a n c es t r a i ng a u g et r a n s d u c e r ．I f t h i s m e a s u r i n gm e t h o di sa d o p t e d ，t h es t r e s s s t a t i o no fb o l ti nd i f f e r e n t d e p t hw a sp r e c i s e l ym e a s u r e d ．T h e s t r u c t u r ea n dm a t e r i a l p e c u l i a r i t yo f m e a s u r i n gs t r e s sb o l t i st h es a m ea so r d i n a r ym e n t a lb o l t ，b yw h i c hw ec a n a n a l y z e t h es t r e s ss t a t i o no fn e i g h b o r i n gb o l t ．T h es u b s t a t i o no ft h e s u b s y s t e m i st h es a m ea st h el a s t ． T h em o n i t o r i n gs y s t e mo fs t a t i o no fi s o l a t i o nl a y e ro fr o o fi s m a i n l y u s e dt om o n i t o ra n da n a l y z ep o s i t i o nc h a n g et h a tg e n e r a t e db yt h er o c k l a y e rm o v e m e n t o fr o o fu n d e rw e l lo fc o a l m i n e ．B e c a u s eo f m o n i t o r i n gt h e m o v e m e n to fi s o l a t i o n l a y e r o fr o o f b yd i s p l a c e m e n t s e n s o c t h i s s u b s y s t e mh a ss o m em e r i t s ，s u c ha sh i g hp r e c i s i o n ，c o n t i n u a lr e c o r d s ，a n d S O o n ．T h r o u g hw h i c h ，w e c a n a n N y z et h ec h a n g i n g c h a r a c t e ra b o u t v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n ，e t c ．T h i sp a p e ri n t r o d u c e dac a p a c i t a n c et y p es e n s o r a n ds t r u c t u r ea n dc r a f td e s i g no fi s o l a t i o nl a y e rs e n s o r ． T h em a i nc h a r a c t e ro ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi sm o n i t o ra n d a n a l y s i so f d a t a ．T h es y s t e mh a so t h e rc h a r a c t e r s ，s u c ha s w a r n i n g ，d i s p l a y i n gd a t a ． T h ed i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ew a su s e di nt h i ss y s t e m ．M o n i t o r i n gs u b s t a t i o n ， w h i c hi sa ni n t e l l i g e n tu n i t ，h a sf i v ec h a r a c t e r st h a ti n c l u d em e a s u r e m e n t 。 a n a l y s i s ，c o m m u n i c a t i o n ，d i s p l a ya n dw a m ．D a t aw e r es e n t t ot h em a i n c o m p u t e r o nw e l lb yw a yo f l o n g d i s t a n c er e c e i v e ra n ds e n d e r u n i tf i x e di n c o m m u n i c a t i n g s u b s t a t i o n ． T h e s t u d y m e t h o do ft h e s y s t e m i sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f p r o d u c t s ．T h es y s t e m w a ss t u d i e di n d e t a i lf r o m t e c h n o l o g y , c r a f t ， i n s t a l l a t i o na n do p e r a t i n gm e t h o d ．G o o da p p l i c a t i o nr e s u l tw a sa c q u i r e d t h r o u g hp r a c t i c e ． K e yw o r d s r o a d w a y s ；a n c h o r e dw i r e m e s hr e i n f o r c e m e n t ； d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r e ；o n l i n em e a s u r e m e n t ；i n t e l l i g e n t V 声明 本人呈交的东北大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和 世所公认的文献外，其余全部是本人在导师指导下完成的。不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包括为获得其他学位而使用 过的材料。该论文成果权归泰安市尤洛卡自动化仪表有限公司所有， 其中部分研究成果已应用到现场实践中。其他同志对本课题的研究所 做的贡献在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名 日期办卯{ ．从、7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 问题的提出、研究的目的意义 锚网支护始于上世纪末期，该支护技术机理先进，对煤矿井下不同类型的顶 板具有普遍适应性。锚网支护还具有材料成本低、施工效率高、便于维护、巷道 长期稳定性好等特点，采用锚网支护还可以提高回采速度，目前这一技术已在全 国煤矿广泛推广应用。 锚网支护按支护材料分锚杆、锚索两种，锚杆、锚索的混合支护方式应用越 来越广泛。合理的支护方式的采用不但可蹦节约煤矿生产成本，而且可以防止顶 板安全事故的发生。巷道锚杆或锚索的支护密度、锚杆的长度的确定与顶板的地 质条件、采场的布置方式所确定的。近年来，随着锚杆支护的推广，也有些矿井 照般别人的模式搞锚网支护，没有取得好的效果，也有个别的矿井，一味的追求 安全，过分强调锚杆的支护强度、深度而忽略了经济合理性指标。所有这些都是 因为对巷道围岩运动规律缺乏深入、细致的研究造成的。盲目的推崇经验是倡导 科学的大敌。很重要的原因之一是缺乏科学先进的检测手段。上世纪9 0 年代在锚 网支护的开始，一些科研单位、学校相继研制或引进了一些针对锚网支护的观测 仪器，例如顶板离层指示仪，锚杆测力计等，基于当时条件的限制，这些仪器 由于测量误差大、技术落后，仅可用于一般性的观测。因为观测人员从它那得到 的信息是基于时间段的离散的测量结果，这些信息掩盖了大量的动态信息，而且 这些信息在不同程度上带有人为的干扰误差。因此落后的检测手段制约了锚网技 术推广应用。 对锚网巷道的矿压检测方法有1 、顶板离层检测；2 、锚杆应力检测；3 、围岩 变形量检测 巷道收敛检测 。围岩变形量检测往往需要在巷道端面上固设安装测 量支架，影响了物料运输和人员通行，因此围岩变形检测的应用在很大程度上受 到了限制，常用的检测方法是顶板离层检测和锚杆应力检测。 。 随着计算机技术和微电子技术的发展，以单片计算机技术为核心的智能化仪 器已开始在我国煤矿得到应用。智能化仪器在煤矿中应用有它的突出的优势和特 点一是煤矿井下地址条件复杂，存在瓦斯和顶板安全隐患，智能化仪器可以固 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 定式安装自动检测运行，代替了很大部分人员到这种危险场所的去的机会，对安 全生产有帮助。二是煤矿井下检测点分布广，并且分布的随机性大，采用智能化 仪器后可实现自动检测和数据存储或传输，代替部分人的工作，有利于减员增效 ⋯】。三是煤矿井下顶板及围岩运动所反映的信息是动态的带有随机，离散的人工 测量方法，往往漏掉大量的有用的信息。智能化仪器具有自动数据采集、处理、 存储等功能，因此能够全面地反映煤矿井下顶板及围岩运动的动态信息。四是智 能化仪器由于采用了微电脑技术，易进行微型化设计，尤其是采用微功耗单片计 算机的电路‘”，可以采用干电池或蓄电池供电，大大方便了井下环境的布置使用。 针对提出的问题结合计算机技术应用的优势和特点，本论文提出了以单片计 算机技术为核心，研究开发一套用于煤矿井下的锚杆 锚索 巷道围岩运动和顶 板动态的监测系统，为并下生产提供动态的围岩运动和顶板动态数据信息，对促 进煤矿的安全生产具有重要的现实意义。 7 1 ．2 国内外概况及发展趋势 不同国家和地区，由于煤矿形成的地质条件和开采方法不同，可以选择不同 的巷道支护方式。目前在国内巷道锚网支护已达到总支护的5 0 ％，支护技术研究 步人世界先进行列，但就检测技术水平与国外有较大的差距。目前使用的顶板离 层指示仪、测力锚杆、锚杆测力计收敛仪等产品，技术上与国外的电测智能化产 品相比差距较大。近年来，国内的一些科研单位大专院校也提出了一些用于锚杆 支护检测的新的方法，包括传感器、检测仪表以及计算机处理软件等，由于诸多 因素的影响，大多没有产品推出。在锚网巷道动态检测、报警系统的研究方面还 没有相关的技术报道。 随着我国煤矿高产高效矿井的不断涌现，为满足综掘巷道快速支护的需要， 能够采用先进的测试手段，尤其是通过计算机技术实现快速自动检测和数据处理、 辅助分析，可以帮助现场工程技术人员提供科学的决策依据是煤矿开采现代化发 展的必然趋势。 1 ．3 本科题研究的要求和要达到的预期目标 。 本课题提出来源于煤矿现场的工程技术人员，其目的是解决煤矿并下锚网支 护遇到的围岩及顶板运动对支护安全影响的问题，课题的研究以实际应用的可行 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 性和安全性为前提的，同时兼顾技术先进性和经济性条件。将成熟的应用技术与 煤矿井下的实际应用条件结合起来，研制开发一套用于巷道围岩应力、顶板运动 状态和支护强度计算机自动检测系统，其中包括传输系统、传感器、计算机软件 开发。 3 东北大学硕士学位论文第二章奉课题总的研究方案 第二章本课题总的研究方案 2 ．1 本课题总的研究内容 本课题研究内容包括以下几个方面 a 针对我国煤矿井下开采的方法，特别是放顶煤开采方式对锚网支护的具体 要求，探讨和研究监测手段的完善对锚网巷道支护的影响和意义。 b 研究适用煤矿井下巷道锚杆应力、围岩应力、顶板离层传感技术和传感器。 c 研究适用于煤矿井下锚杆、围岩、顶板等作用对象的传感器的结构工艺和 安装方法。 d 研究用于煤矿井下环境原距离数据传输系统。包括井下的数据收发系统和 井上的数据接收、输出 P C 计算机 接口。 e 研究可独立运行使用的锚杆应力、围岩应力、顶板离层监测分站。 f 研究基于以上各个分站的数据传输接口和通用数据采集装置。 g 研究开发用于该系统的计算机软件。 2 1 2 系统组成与结构 监测系统包括井上和井下两个组成部分 图2 - 1 。井上部分包括隔离安全栅、 接收主机、数据处理计算机和计算机软件。井下部分包括锚杆载荷应力监测子 系统、测力锚杆 围岩应力 应力监测子系统，顶板内部离层监测子系统。在井 下设一个数据通讯总站，总站应安装在检测物理区域的中心位置，通讯主站与各 个数据通讯分站呈放射状结构布置，采用此结构的原因是基于煤矿井下的采取布 置形式。每个通讯分站管理一个监测区域，监测区域U ；t q - 作面划分，每个监测区 域有两条巷道。 井下系统与井上采用R D s l 数字传输系统连接，传输介质可选用电话线 路 低速数据传输方式 或专用双绞线传输 高速数据传输方式 。数据通讯采用 无调制基带传输技术，通讯方式采用了串行异步通讯，数据协议采用了短帧通讯 协议[ 1 6 】。 监测系统井上部分包括安全栅、接收主机、数据处理计算机。 4 东北大学硕士学位论文 5 第 章本课题总的研究方案 着案匿望 ∞昌Is。岛鲁。u g旦殳∞∞Ec。口。lII’J。导III IIu『】u告。卫_工 _ 【．N 凹山 函糟憾氆矧螺峨嚣划固 蒋蠡基封 n 吲嚣 屯蘑鲥 寸埘露 蒋木鼋訇 嚣赫l 卜去 叫丰 东北大学硕士学位论文 堡封工斟雀 6 第二章本课题总的研究方囊 暑三一兽}刮刮叫交辛制每{_1 耋芒兰髫釜 苦去暑固 uI∞苗曹Mocoao暑％o苗gD点Ioo 1 0 d s D d 卜 匝啊梏垮霹蠕皤蓐翊qN田 尊锌删孥型 q ％I d j 出＼＼ 、、 ＼＼ 一 ＼、 ＼＼ ＼＼ ＼＼ ＼、 一 、＼ 卜 、、 、＼ ＼、 ＼＼ ＼＼ ＼＼ r f帮 、 、 潺 ＼＼ 捌 捌 ＼＼ ＼＼ ＼、 ●_ ＼＼ ＼＼ ＼＼ ＼＼ ＼＼ ＼＼ ＼＼ ＼＼ ＼＼ 、＼ 一 2 一一4＼ ＼ ＼＼ I i 彳L j 亍 ＼＼ ＼＼ L j l ；‘ 、＼ 、＼ ＼＼ ≤ 蓁耋鎏≥ l』 E ’F 卜 ＼长生茁＼ ≥ 差婆 墓 一J II ≮ 捂幕匿 弋 ≥ 一一 一睁 ≤ 厂刭 ≤ 薹 ≮ 、＼ 0 2 。- J 两 ＼＼ } 飞i介≤ 、、 幻、 ＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼ 青书磊垒≈z 矗太嚣垂 n 岳丧暮鲁一 查 垄芏堡兰竺丝圭 图2 ．2 为一个测区监测系统现场布置结构图 不同的测区。 2 ．2 ．1 锚杆载荷应力监测子系统 第二章本课题总的研究方案 本检测系统最大可管理四个配置 锚网支护的核心是锚杆或锚索的应用。锚杆的种类很多，有金属螺纹钢锚杆、 金属管缝锚杆、树脂锚杆、竹锚杆。其中金属螺纹钢锚杆应用最普遍，因为螺纹 钢锚杆的支护强度、加工方便，易回收等优点。锚索支护是近年来采用的一种新 的支护形式，锚索支护具有强度大，支护深度大等优点f 2 】，但较锚杆支护的成本要 高。煤矿巷道支护常采用锚杆和锚索混合支护形式。锚杆和锚索的锚固方法相同。 锚固方法是采用快速凝固树脂型锚固剂锚固，锚固类型有端锚和全锚两种形式， 由于端锚具使用材料成本低，施工速度快的优点，该锚固方式为煤矿较普遍采用。 端锚是指在锚杆的端头锚固，一般锚杆的使用长度是根据巷道的地质条件决定的， 锚杆的一端应打到巷道上部坚硬的岩层上，另一端伸出顶板的表面，底部放一金 属托盘，最外部是螺栓。锚杆锚固后应施加一初始应力，这个应力称为初锚力。 根据煤矿安全规程规定，金属锚杆的初锚力不少于5 0 K N 。 锚杆载荷应力监测子系统，主要用于端头锚固锚杆应力监测，这个力主要是 指锚杆的轴向拉力，同时锚杆也受剪切应力，但锚杆所能承受的剪切应力较小， 一般在支护中忽略锚杆在弯曲时锚杆所其的支护能力。因此锚杆的受力大小最终 从锚杆端头托盘的受的载荷应力中反映出来。 本系统中采用一种载荷应力传感器检测锚杆的应力变化。锚杆载荷应力监测 子系统包括传感器、监测分站、通讯分站、本安电源、通讯电缆组成。 每个监测分站可连接1 5 个应力传感器，传感器与分站通过带有屏蔽的通 讯电缆连接。由l 2 0 个载荷应力监测分站与通讯分站组成一个锚杆应力检测’ 子系统，监测设计的思路是每个分站可以监测巷道的一个特征段，每条巷道可选 择多个特征段来监测。每个监测分站是一个最小的监测单元。该单元可独立工作 实现数据采集、存储和数据通讯功能，并具有数据显示和超限报警功能。 该子系统最大可管理4 个巷道的监测，当使用多巷道监测时，应采用主站一 分站结构，每个分站可管理一条或两条巷道。 系统供电方式采用复合供电，主供电采用井下1 2 7 V 照明电源，通过本安型防 爆电源输出1 5 V 直流电源，在通讯分站和各个检测分站内设有后备电池，当井下 7 东北大学硕士学位论文第二章本课题总的研究方案 1 2 7 V 电源停电时，系统自动切换到后备电池供电方式。后备电池供电方式的主要 目的是一、当井下电源停电时传输系统能区分是停电还是通讯线路有故障二、 当井下电源停电时，监测系统仍能保持监测数据的连续性。三、当井下电源停电 时，后备电池能够维持现场各个分站的独立运行，起到实时报警功能。 2 ．2 ．2 顶板内部应力监测子系统 顶板的内部应力是指巷道开拓后，由于开采因素的影响产生的不同深度岩层 的相互作用力，这个的大小直接影响着巷道的支护，主要体现在巷道围岩变形和 顶板的离层，变形的范围和大小在锚网支护中取决于锚杆或锚索的控制能力。也 就是说，锚杆或锚索的支护能力越强巷道的变形量也就越小。借助现代检测技术， 能够把岩层内部的受力情况研究清楚，对于提高巷道的支护安全，降低支护成本 具有重要意义。 在锚网支护中，主要的支护手段是锚杆和锚索，岩层的应力最终通过锚杆或 锚索的受力体现出来。我们采用了一种特殊的“锚杆”用于内部应力的测量，习 惯上称它为测力锚杆。测力锚杆严格意义上讲它是一种传感器。在一根特制的锚 杆上，经过加工后在锚杆的不同长度上设置多组测量传感器，锚杆安装后通过外 部测量电路，测量每组传感器的受力情况就可以定量的分析岩层的内部应力分布 状况。 测力锚杆在岩层内部应力测量中，需具备两个基本条件【4 】一、测力锚杆应能 承受足够的轴向载荷应力，当锚杆受力后产生的形变在传感器允许的弹性变化范 围之内。二、测力锚杆锚固后，锚杆与岩层具有足够的粘接强度，当锚杆受力后 不至于产生锚杆与岩层的松动。实现第一个基本要求主要通过对测力锚杆金属材 料的选型和热处理工艺实现。第二个基本要求是通过锚杆在安装过程中采用全锚 工艺实现。 顶板内部应力监测子系统包括测力锚杆传感器、监测分站、数据通讯分站、 防爆电源、通讯电缆组成。 每根测力锚杆敷设6 组传感器，每个分站可连接l 4 根测力锚杆，l 一2 0 个 监测分站组成顶板内部应力监测子系统。测力锚杆传感器上设计了智能数字输出 变送器，将每组测点的输出模拟信号转换成数字信号输出。在系统布置上可将一 条巷道划分成若干个检测区，每个监测区安装一台监测分站，监测分站与传感器 8 东北大学硕士学位论文 第二章本课题总的研究方囊 的最大距离不应超过1 0 0 m 。监测分站与监测分站之问通过通讯电缆连接，监测分 站与通讯分站之问也通过专用的屏蔽电缆连接。 顶板内部应力分布监测子系统结构采用分布式，分站之间通过隔离的4 8 5 总 线连接，分站在总线上采用无次序连接，每个分站上分配唯一的地址编码牡0 1 ，通 讯分站通过地址编码识别分站所处的物理位置。监测分站是一个基本的监测单元， 它可以脱离总线独立运行，监测分站可显示每个通道的测量数据，根据设定的报 警阈值，当数据超限时具有光 L E D 报警功能。 该子系统最大可管理2 个巷道的监测，每个巷道可设1 l o 个监测分站， 通讯分站可管理一条或两条巷道。 系统供电方式采用复合供电，主供电采用井下1 2 7 V 照明电源，通过本安型防 爆电源输出1 5 V 直流电源，在通讯分站和各个检测分站内设有后备电池，当井下 1 2 7 V 电源停电时，系统自动切换到后备电池供电方式。 2 ．2 ．3 巷道顶板离层监测子系统。 巷道顶板的离层反映了顶板的应力作用与支护强度的关系。即当没有应力作 用时顶板不会产生离层，当支护强度足够大时也不会产生顶板的离层。顶板离层 程度宏观显现了顶板应力动态变化过程。顶板离层监测是通过检测手段对顶板内 部岩层的相对位移量进行动态连续测量。 煤矿井下的地质条件复杂，并且随着开采的推进不断的变化，因此巷道支护 研究是一个动态的课题。目前由于经济因素的制约，还不能够对整个巷道的顶板 应力全面的动态监测，选择具有典型特征的观测区域，通过动态的连续监测反映 在工作面推进过程中巷道顶板的运动规律f 7 】，顶板离层检测是研究顶板运动变化的 一种重要的手段。煤矿安全操作规程也明确规定了煤矿采掘巷道必须进行顶板 离层检测【“。 顶板离层检测始于上个世纪9 0 年代，测量方法是通过在巷道顶板上打钻孔， 在钻孔内不同的深度上设立基准点，通过测量基准点相对于钻孔端口的相对位移 变化，间接测量出顶板的离层情况。如果在一个钻孔中的不同深度上设多个测量 基准点，通过测量出基准点的相对位移变化，可以计算出顶板离层的部深度。用 于顶板离层测量的常用方法是顶板离层指示仪。顶板离层指示仪是一种机械式测 量仪表，这种测量仪表比较直观简单，反映的数据误差较大，且存在认为的读数 9 墨苎苎至堑主兰堡丝查 至三芏垄堡堑墨鱼堑查查茎 误差影响，在此基本测量方法我们研制了一种容栅式顶板离层传感器，能精确地 测量顶板的离层变化。这种传感器为实现顶板离层的实时监测提供了基本条件。 顶板离层传感器内部有两组位移测量电路，可以测量顶板两个不同深度的位 移。系统也采用了分布式监测系统结构，系统有1 2 0 个分站组成，每个分站可 连接卜_ 4 个传感器，每组传感器有两组测点。测区的布置方法与以上两个子系 统相同。 该系统最大可管理两条巷道，系统配置的数据处理软件可管理4 个测区，每 个测区可管理两条巷道，测区与测区之间的距离可能大于R S 4 8 5 总线的允许的通 讯距离，在每个测区设一个通讯分站，分站内置R D S 一1 0 0 型数据收发器，最大数 据通讯距离可扩展到1 G K r n 。该系统的供电方式采用复合供电，即交流供电和后备 电池供电，每条巷道安装一台本安型供电电源，能提供1 5 V0 5 7 A 的电源容量，本 安型电源与通讯分站进距离安装，通讯分站将数据总线传输电缆与电源线路合并 一条4 芯电缆传输，这样可减少电缆的数量，简化了系统结构。 顶板离层报警子系统的检测对象顶板位移是一个缓慢的变化的物理过 程。选用基本的采样周期为5 分钟，数据记录周期为1 小时。现场安装的检测分 站具有独立的报警和数据显示功能，当顶板的离层位移量或顶板的离层速度超过 了预先设定的阈值，检测分站即发出光报警或预警，离层位移超限时闪光的频率 高为报警，离层速度超限时闪光速度低为预警。报警及预警的信息包括测量数据 和发生的时间，形成一个事件发送到井上计算机保存。 2 ．3 系统总统硬件设计说明 系统的总体结构符合分布式监控系统的基本结构。本系统是一个典型的监测 管理系统，井下部分是该监测系统的主体。监测系统主要作用的核心部分是现场 各个功能监测的子系统实现的数据采集和数据显示和报警、预警功能。实现井上 的数据接收、记录和事件处理是利用计算机对监测数据进一步处理，来反馈指导 生产。根据煤矿井下的环境地址条件，本系统井下部分设计为三层结构 一 传 感器检测层。传感器直接感应被测对象，传感器内部结构嵌入智能微处理器电路， 集数据采集、处理、数据传输为一体，某些传感器具有现场报警指示功能，为统 一不同类别的传感器输出信号的形式。传感器采用了标准的R S - 4 2 2 ／4 8 5 总线接口， 嵌入数据通讯协议，实现了软件设置参数和即接既用的目的。采用了智能一体化 1 0 东北大学硕士学位论文第二章 本课题总的研究方案 传感器结构形式，还实现了系统对每个传感器单元的工作状态诊断。煤矿井下检 测区域分布较广，由于受地质条件和人为因素的影响，传感器可能经常受到损坏 或安装位置的改变，这些变化都会造成错误的信息介入，传感器的远程诊断是非 常重要的。另外，监测现场受工作面推进的影响，经常需要改变传感器的布置形 式，智能一体化的传感器具有即接即用的特点㈩。减少了井下维护的工作量，保 证了数据的完整性。 二 监测分站层。每个监测分站都承担着一个局部特征区域 的监测和信息输出，煤矿井下开采现场离不开工程技术人员和安全检查员，这些 人员需要从现场了解一些更为直接的安全信息，检测分站为他们提供了直接的检 测数据和进一步处理结果。输出的信息包括动态的数据显示和报警、预警信息