一种煤矿巷道多方位应力与形变无线监测预警方法及系统

技术领域

本发明属于煤矿井下安全设备领域，具体涉及一种煤矿巷道多方位应力与形变无线监测预警方法及系统，普遍适用于井下巷道围岩应力与形变的实时动态监测，用于指导矿井采掘过程的顶板安全管理和煤岩动力灾害防控。

背景技术

近年来，煤矿开采过程中频繁发生的重大安全事故，在各类煤矿事故中，顶板事故仍居前位，顶板灾害事故是指在煤矿井下生产过程中，顶板意外冒落造成的人员伤亡、设备损毁、生产终止等事故。顶板事故相对于煤矿瓦斯爆炸、透水等事故而言，虽然每次死亡人数比较少，但其事故发生频率高，事故总量大，也是控制煤矿事故总量的重点。多年来，我国煤矿的顶板事故及顶板灾害以其点多面广、控制难度大等特点，在各类煤矿事故中一直居于前列。由于顶板灾害受煤层赋存条件、地质构造、采掘活动及开采技术等多种因素影响，目前还没有措施能完全预防顶板事故的发生，所以在煤矿开采过程中对工作面顶板安全实时动态监测就显得尤为重要，这能够极大地保证煤矿人员及财产的安全。随着生产能力的提高、开采强度的增大和向深部开采转移，顶板安全等问题越来越凸现，回采工作面上覆岩层初次来压与周期来压的矿压变化规律不清楚。我国几乎所有煤矿都面临开采顶板安全问题，而这些问题往往由于局限于相对落后的监测手段和信息处理技术而被忽略，这是顶板管理不到位的主要原因。

随着采空区的不断扩大和煤层附近地应力的不断调整,就会引起煤层和煤层附近地层中的裂隙不断发育、扩大,煤层上、下方的隔水层就可能因裂隙扩张而导通含水层, 煤层的顶、底板就可能出现冒顶、底鼓、自然垮落,煤层中吸附态的瓦斯就可能释放出一部分充填在裂隙中,使得游离态的瓦斯含量增加,面对这些水文、地质条件随时间变化的复杂情况,在那些潜伏着不同地质灾害隐患的矿井。目前，能有效反映工作面顶板安全的指标有顶板压力、端面冒高、顶底板移近量等。矿井在开采之前，煤岩体普遍受到重力的作用，各个方面的受力是平衡的，表现不出压力现象，矿井在生产期间，随着采掘工作的进行，形成一定的空间，使顶板岩石悬露，从而破坏了地层原有的平衡稳定状态，岩石开始移动，发生变形，这种岩石活动所产生的力，叫矿山压力。在矿山压力的作用下，造成顶板下沉、破碎、支架压坏、片帮、煤体变形等现象，称为矿山的压力显现，矿山压力显现是矿山压力作用的结果。顶底板移近量是在液压支架支撑作用下，回采空间受采动影响，围岩变形移动的反映，所以用它可以评价综采工作面顶板稳定程度、支架支护效果及适应性，为支架选型、设计（支架的结构、高度等）提供数据，为改进顶板管理提出建议。另外用它可以判定老顶初次来压、周期来压的步距和强度，从而掌握综采工作面围岩运动规律，为保证工作面安全，国家规定每米采高的顶底板移近量不大于100mm。当前在我国还没有找到比顶底板移近量衡量综采工作面支护效果更好的指标，因此顶底板移近量的观测是不容忽视的观测项目。端面距是指液压支架前探梁到煤壁之前的距离，规定不能超过340mm，端面冒高指这段距离的冒落高度，规定距离不能超过300mm。当直接顶端面冒高小于临界冒高时，可以形成稳定的冒落拱，冒落高度大于临界高度时，直接顶岩体难以形成稳定的冒落拱，导致综采面出现严重的冒顶事故。有效控制碎裂结构直接顶的漏冒，必须将端面顶板冒高控制在临界高以内。但目前，这3个有效指标都是靠人工通过相互独立的仪器测得，一方面不能保证数据的准确性，另一方面也不能实时动态地监测各指标，再加上煤矿顶板事故的不确定性、偶然性，这就为工作面顶板事故埋下了隐患，严重威胁煤矿的财产和工人的生命安全。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种测量参数全面，方法简便，测量精度高，灵敏度高，使用效果好的煤矿巷道多方位应力与形变无线监测预警方法。

提供一种适用于本发明煤矿巷道多方位应力与形变无线监测预警方法的的监测预警系统是本发明的另一个目的。

本发明的技术方案是：一种煤矿巷道多方位应力与形变无线监测预警方法，包括如下步骤：

a、巷道围岩应力动态监测，在采掘工作面或煤岩动力现象显著的巷道两侧壁按照顺层、逆层方向分别布置多组钻孔，钻孔深度为10～15m，同时在顶、底板顺层方向成20°～30°夹角分别布置多组钻孔，底板钻孔深度为10～15m，顶板钻孔深度15～20m，通过四个壁面的钻孔监测此处围岩应力变化规律，每组钻孔的间隔为100～150米；钻孔中由中空弹性杆置入正方体三维应力监测传感器，监测传感器的信号传输电缆由中空弹性杆导出巷道壁位置，通过A/D转换器与单片机连接，单片机通过正方体三维应力监测传感器的反馈进行三维煤岩体动态地应力监测，经处理后由单片机无线通信模块传递给监控分站；所述正方体三维应力监测传感器的三个正交面上设置有凹槽，凹槽内按照等角应变组合建立配置模型布置三个电阻式应变传感单元，表面覆盖保护涂层；

b、巷道形变的动态监测，在巷道顶、底板及两侧巷壁上分别布置离层传感器，将探头置入到巷壁围岩内；在巷道顶、底板及左右侧壁巷壁表面上分别对称布置红外测距传感器的发射模块和接受模块，两个模块需要正对，偏差角度为±15°通过收发信号计算间距，实现巷道围岩相对距离的全方位监测；在巷道顶、底板及两侧巷壁表面分别布置移进量传感器；离层传感器传感器、红外测距传感器、移进量传感器信号连接A/D转换器传入单片机，单片机处理监测信息并通过无线收发模块传递给监控分站；

c、在采掘工作面巷道每隔150m～200m布置一个监控分站，采用无线通信方式进行应力与形变参数的动态采集并实时显示，在采掘工作面的入口处连接就近的工业以太网交换机，通过井下工业以太网通信系统将检测信息传递给地面监控中心；监控分站设置相关监控参数阈值，超限后触发报警器就地报警；

d、地面监控中心由工控机、显示器，所述工控机用于将监控数据导入数据库，统计分析监控参数并通过动态分布曲线在窗体中显示应力和形变状态，通过设置应力和形变权重，构建巷道围岩破坏风险研判模型，综合异常预警值

进一步的，钻孔三维应力传感器置入后，要进行封孔，水泥砂浆封孔压力1MPa，保持10分钟。

进一步的，步骤a中所述的三维煤岩体动态地应力监测，在单一平面上运用三个应变片按照等角应变组合建立配置模型，三个电阻式应变传感单元在单分量布置方向分别为：

三个电阻式应变传感单元在平面上的单分量的应变为：

根据应变状态方程可得单一方向最大、最小主应力为：

将三个电阻式应变传感单元组成一组等角应变组合配置计算模型，可得出单个正交平面内最大主应变

根据胡克定律，可求得平面主应力最值：

式中

煤岩体的三维空间应力可用三个相互正交的平面表示，每个正交面的应力通过三个电阻式应变传感单元组成的等角应变组合进行监测，按照上述计算方法后去最大主应力。三个正交平面

三维空间应力值

监测系统动态监测每个正交面上的三个电阻式应变传感单元获取单面应力，按照上述计算方法最终获取三维空间应力和最大主应力值。

上述方法中，地应力是一个动态的三维物理矢量，包括大小与方向，为实现对巷道围岩应力的连续监测，必须对地应力的大小与方向同时监测。三维空间的应力特性用三个正交平面进行分向表示，其表面最大主应力矢量合成空间的最大主应力大小与方向。被测物体的平面应变乘以其弹性模量得到应力，可将平面内最大主应力测量转化为应变测量。

本发明方法可以确定巷道应力集中部位，揭示煤岩应力迁移的动态变化过程及规律，判断矿井动力现象危险点，分析预测矿井动力现象发生规律。从而保障企业安全生产，具有显著的社会效益和广泛的应用前景。

本发明的煤矿巷道多方位应力与形变无线监测预警系统，

包括监控中心，分布式设在巷道壁面与埋入围岩钻孔的多组无线传感器节点，设在巷道壁面上的多个监控分站、若干个单片机，

所述无线传感器节点，包括离层传感器，移近量传感器，激光测距传感器、正方体三维应力监测传感器，所述正方体三维应力监测传感器设置在采掘工作面或煤岩动力现象显著的巷道两侧壁按照顺层、逆层方向布置的钻孔及顶底板顺层方向成20°～ 30°夹角分别布置的钻孔内，所述正方体三维应力监测传感器的三个正交面上设置有凹槽，凹槽内按照等角应变组合建立配置模型布置三个电阻式应变传感单元，表面覆盖保护涂层；所述移近量传感器、离层传感器、激光测距传感器设置在巷道顶、底板及两侧巷壁上的钻孔内；所述无线传感器节点与监控分站通过A/D转换器与单片机连接，

所述监控分站，与单片机无线数据连接，包括中央处理器，与中央处理器连接的无线通信模块、显示模块、报警器，用于动态采集传感器节点信息并实时显示，同时将采集信息通过工业以太网通信系统传递至地面监控中心，

所述地面监控中心，与监控分站线路连接，由工控机、显示器，工控机用于统计显示动态分布曲线，实时记录并研判巷道形变及风险，出现异常触发地面及井下同时报警。

所述无线传感器节点的相同类型传感器每隔100～150米布设一组。

所述监控分站在巷道内每个100～150米布置一个。

本发明监测预警系统，可以实时监控巷道内的应力集中部位，并及时反馈给地面监控中心，为工作人员判断矿井动力现象危险点，分析预测矿井动力现象发生规律提供参考。最大限度的保证安全生产。

附图说明

图1 本发明的结构示意图。

图2 围岩钻孔三维应力监测原理与无线传感器节点示意图。

图3 形变监测无线传感器节点示意图。

图4巷道应力形变监测监控分站示意图。

图5巷道应力-形变监控预警系统图。

图6为本发明的围岩钻孔三维应力监测原理。

图7为本发明的三个电阻式应变传感单元的等角应变组合建立配置模型。

具体实施方式

如图1-7所示，一种煤矿巷道多方位应力与形变无线监测预警系统，

包括监控中心，分布式设在巷道壁面与埋入围岩钻孔的多组无线传感器节点，设在巷道壁面上的多个监控分站1、若干个单片机6，

无线传感器节点，包括型号为GUD-500的离层传感器2，型号为KBU101-200的移近量传感器3，型号为MSE-LT150的激光测距传感器4、正方体三维应力监测传感器5，其中正方体三维应力监测传感器5的三个正交面上设置有凹槽，凹槽内按照等角应变组合建立配置模型布置三个电阻式应变传感单元，表面覆盖保护涂层，正方体三维应力监测传感器设置在采掘工作面或煤岩动力现象显著的巷道两侧壁按照顺层、逆层方向布置的钻孔及顶底板顺层方向成20°～ 30°夹角分别布置的钻孔内，正方体三维应力监测传感器由中空弹性杆置入钻孔中，监测传感器的信号传输电缆由中空弹性杆导出巷道壁位置，通过型号为AD7706BRZ的多通道A/D转换器与型号为P89LPC932的单片机6连接，钻孔三维应力传感器置入后，要进行封孔，水泥砂浆封孔压力1MPa，保持10分钟；移近量传感器、离层传感器、激光测距传感器设置在巷道顶、底板及两侧巷壁上的钻孔内；

在巷道顶、底板及两侧巷壁上分别布置离层传感器，将探头置入到巷壁围岩内；在巷道顶、底板及左右侧壁巷壁表面上分别对称布置激光测距传感器的发射模块和接受模块，两个模块需要正对，偏差角度为±15°通过收发信号计算间距，实现巷道围岩相对距离的全方位监测；在巷道顶、底板及两侧巷壁表面分别布置移进量传感器；离层传感器传感器、红外测距传感器、移进量传感器信号连接型号为AD7706BRZ的多通道A/D转换器传入型号为MSP430F的单片机，单片机处理监测信息并通过无线收发模块传递给监控分站；

监控分站1，与单片机通过型号为CC2530的双工无线收发组网模块无线连接，包括中央处理器，与中央处理器连接的无线通信模块、显示模块、报警器，用于动态采集传感器节点信息并实时显示，同时将采集信息通过工业以太网通信系统传递至地面监控中心，

地面监控中心，与监控分站线路连接，由工控机、显示器，工控机用于统计显示动态分布曲线，实时记录并研判巷道形变及风险，出现异常触发地面及井下同时报警。

无线传感器节点的相同类型传感器每隔100～150米布设一组。

监控分站在巷道内每个100～150米布置一个。