本發(fā)明屬于智能化礦山安全監(jiān)測，具體是一種適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度確定方法。

背景技術(shù)：

1、巷道變形始自開挖、源于擾動，掘進(jìn)期間由迎頭循環(huán)掘進(jìn)產(chǎn)生的多次擾動，是導(dǎo)致錨固系統(tǒng)初期損傷和后期失穩(wěn)的先導(dǎo)誘因。循環(huán)掘進(jìn)擾動的實質(zhì)是對鄰近錨固體周期性加卸載，在這種周期性掘進(jìn)擾動易造成目前巷道普遍采用的端錨、加長錨的錨固支護體系錨固系統(tǒng)的錨固界面松脫損傷，錨固系統(tǒng)發(fā)生微破裂、小變形，并以此為破壞根源持續(xù)演變，對巷道長期承載性能造成了不利影響，也成為了礦山安全生產(chǎn)的重大威脅。因此根據(jù)巷道迎頭循環(huán)掘進(jìn)過程中錨桿錨固界面松脫損傷特性，針對性科學(xué)確定錨桿錨固粘結(jié)段長度，從而加大錨固粘結(jié)界面損傷弱化的閾值，強化錨固系統(tǒng)承載性能至關(guān)重要，具有重要的科學(xué)意義和理論價值。

2、根據(jù)工程現(xiàn)場應(yīng)用以及相關(guān)理論研究情況，目前對于巷道迎頭循環(huán)掘進(jìn)對錨桿錨固系統(tǒng)擾動的研究還較少，而其又是錨固系統(tǒng)漸進(jìn)破裂失效、圍巖變形失穩(wěn)的先導(dǎo)誘因。在工程現(xiàn)場中，現(xiàn)有的錨桿支護體系對于確定錨固粘結(jié)段長度普遍采用工程經(jīng)驗法，缺乏對開采深度逐漸增加的高應(yīng)力巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的適應(yīng)性，在掘進(jìn)初期即發(fā)生錨固界面損傷弱化、支護效能下降，進(jìn)而引發(fā)巖體裂隙損傷等，給后期失穩(wěn)埋下隱患，對巷道長期承載性能造成影響。因此，亟需提供一種適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度確定方法，以為礦山安全生產(chǎn)作業(yè)提供更加堅實的保障。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度確定方法，該方法能有效地確定出適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度，能為工程現(xiàn)場設(shè)計適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度提供強有力支撐，為統(tǒng)籌對比分析不同層位巖體受循環(huán)掘進(jìn)擾動影響提供了可靠的技術(shù)手段，具有良好的應(yīng)用價值。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度確定方法，采用一種振動信號監(jiān)測系統(tǒng)，所述振動信號監(jiān)測系統(tǒng)包括固定監(jiān)測裝置和便攜采集終端，所述固定監(jiān)測裝置包括中空金屬桿、智能感知模塊和拾震傳感器；所述中空金屬桿由首端至末端依次分為自由段、感應(yīng)段和錨固段，所述感應(yīng)段的長度方向上依次間隔地開設(shè)有連通至中空金屬桿內(nèi)腔的多個過線孔；所述智能感知模塊包括殼體、微控制器、存儲模塊一、無線傳輸模塊一和電源模塊一；所述殼體為箱式結(jié)構(gòu)，其頂板固定安裝在中空金屬桿的首端，且殼體的頂板上開設(shè)有與中空金屬桿的內(nèi)腔連通的連通孔；所述無線傳輸模塊一、微控制器、存儲模塊一和電源模塊一均安裝在殼體的內(nèi)部中；所述微控制器分別與存儲模塊一、無線傳輸模塊一和電源模塊一連接；所述拾震傳感器的數(shù)量為多個，多個拾震傳感器沿感應(yīng)段的長度方向依次間隔地固定安裝在中空金屬桿的桿身上，其上連接的導(dǎo)線通過多個過線孔分別穿入中空金屬桿的內(nèi)部，并在穿過連通孔后與微控制器連接；所述便攜采集終端包括機殼、無線傳輸模塊二、處理器、存儲模塊二和電源模塊二；所述無線傳輸模塊二、處理器、存儲模塊二和電源模塊二均安裝在機殼的內(nèi)腔中，且無線傳輸模塊二通過無線通信的方式與無線傳輸模塊一連接；處理器分別與無線傳輸模塊二、存儲模塊二和電源模塊二連接；

3、適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度確定方法包括以下步驟：

4、步驟一：在掘進(jìn)設(shè)備于巷道中進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)過程中，在掘進(jìn)迎頭后方緊靠掘進(jìn)迎頭待支護區(qū)域的頂板上施工出測試鉆孔；

5、步驟二：準(zhǔn)備與測試鉆孔的尺寸相適配的固定監(jiān)測裝置，將樹脂錨固劑置于測試鉆孔的底部，再將中空金屬桿的錨固段插裝于測試鉆孔的底部，以利用樹脂錨固劑將中空金屬桿的錨固段牢固地固定于測試鉆孔的底部，同時，使多個拾震傳感器對應(yīng)分布在錨固于頂板中錨桿的錨固粘結(jié)段高度l2范圍內(nèi)，使殼體裸露于孔口的外部；

6、步驟三：在固定監(jiān)測裝置安裝完畢后，開始進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，在掘進(jìn)作業(yè)過程中，固定監(jiān)測裝置至掘進(jìn)迎頭的距離l逐漸增加，在掘進(jìn)迎頭位于固定監(jiān)測裝置的掘進(jìn)擾動感知范圍之內(nèi)期間，每一次掘進(jìn)都會引起循環(huán)加卸載，循環(huán)加卸載過程中產(chǎn)生循環(huán)振動信號通過煤巖體傳播至中空金屬桿的桿身上，同步利用多個拾震傳感器實時采集循環(huán)振動信號，并發(fā)送給微控制器，微控制器在接收到循環(huán)振動信號后，為循環(huán)振動信號加上時間戳，形成帶有時間戳的時序循環(huán)振動信號，并將時序循環(huán)振動信號發(fā)送至存儲模塊一進(jìn)行存儲；

7、持續(xù)以上采集循環(huán)振動信號過程直至固定監(jiān)測裝置至掘進(jìn)迎頭的距離l超過感應(yīng)臨界距離值，掘進(jìn)迎頭不再位于固定監(jiān)測裝置的感知范圍內(nèi)，完成采集循環(huán)振動信號作業(yè)；

8、步驟四：通過人工手持便攜采集終端至固定監(jiān)測裝置所在位置處進(jìn)行井下信號采集作業(yè)，在無線信號的有效傳輸距離范圍內(nèi)，無線傳輸模塊二和無線傳輸模塊一之間建立無線通信鏈路，在無線通信鏈路建建立后，微控制器讀取存儲模塊一中的循環(huán)振動信號，并通過無線通信鏈路發(fā)送至處理器，處理器在接收到循環(huán)振動信號后將其存儲至存儲模塊二中；

9、步驟五：完成井下信號采集作業(yè)后，將便攜采集終端轉(zhuǎn)移至地面，再通過無線通信的方式建立便攜采集終端與工業(yè)計算機之間的通信鏈路，在通信鏈路建立后，便攜采集終端讀取存儲模塊二中的循環(huán)振動信號并通過通信鏈路發(fā)送至工業(yè)計算機，工業(yè)計算機對循環(huán)振動信號進(jìn)行分析處理得到振動頻率和振動幅度數(shù)據(jù)，并以該數(shù)據(jù)作為振動激勵數(shù)據(jù)，同時，將振動激勵數(shù)據(jù)存儲于振動信號數(shù)據(jù)庫中；

10、步驟六：在實驗室條件下，利用無縫鋼管、普通鋼管、凡士林、砂漿混凝土、煤礦常用的左旋螺紋鋼錨桿、樹脂錨固劑制作完成n根不同粘結(jié)長度s1、s2、s3···sn的錨固試件，其中，n≤10；

11、s61：準(zhǔn)備長度為200～400mm、外徑為50～55mm、內(nèi)徑為40～45mm，且一端開口、另一端封閉的無縫鋼管；準(zhǔn)備外徑為30mm、長度為300～550mm的普通鋼管，并于普通鋼管的外壁上涂覆凡士林，然后，將普通鋼管居中插裝于無縫鋼管中，并使其外端裸露于無縫鋼管開口端的外部；

12、s62：根據(jù)頂板中錨桿的錨固粘結(jié)高度l2范圍內(nèi)巖體的巖性，采用相似材料模擬制備砂漿混凝土以模擬l2范圍內(nèi)巖體的巖性，并將砂漿混凝土填充于普通鋼管和無縫鋼管之間的環(huán)形縫隙中，注入后的砂漿混凝土的端面與無縫鋼管的開口端相齊平，養(yǎng)護28天；

13、s63：將普通鋼管拔出，在無縫鋼管的內(nèi)腔中形成了厚度為10～15mm的砂漿環(huán)以及直徑為30mm的測試孔；

14、s64：根據(jù)錨桿直徑、鉆孔直徑、樹脂錨固劑直徑三徑匹配原則，分別計算出形成粘結(jié)長度為s1、s2、s3···sn時所需的樹脂錨固劑量劑，并依次將n份樹脂錨固劑以及長度為300～550mm、直徑為22mm的n根左旋螺紋鋼錨桿依次對應(yīng)置于n個測試孔中，完成不同粘結(jié)長度s1、s2、s3···sn的錨固試件的制作，得到n個錨固試件；

15、步驟七：采用低頻振動模擬測試系統(tǒng)，并根據(jù)相似模擬實驗的相似比將振動激勵數(shù)據(jù)換算得到室內(nèi)實驗中所需的振動信號數(shù)據(jù)，再依據(jù)振動信號數(shù)據(jù)對制備好的錨固試件進(jìn)行振動激勵，之后利用電液伺服力學(xué)試驗系統(tǒng)對錨固試件進(jìn)行拉拔測試，綜合拉拔實驗過程中拉拔應(yīng)力、位移數(shù)據(jù)及利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行的聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取錨固試件的錨桿錨固力變化、桿壁相對位移及破裂信息，完成n個錨固試件的測試后，對比分析振幅和振動頻率對不同粘結(jié)長度的錨固試件對應(yīng)的錨固界面粘結(jié)強度的弱化規(guī)律，進(jìn)而明確不同粘結(jié)長度錨固試件的錨固內(nèi)環(huán)和外環(huán)粘結(jié)界面的松脫損傷特征，根據(jù)實驗測試結(jié)果，分析得出不同粘結(jié)長度的錨固試件對應(yīng)的錨固界面松脫損傷程度w1、w2、w3···wn，并根據(jù)錨固試件錨固界面破壞臨界值w臨對應(yīng)的錨固試件粘結(jié)長度得到發(fā)生錨固界面發(fā)生破壞時對應(yīng)的臨界粘結(jié)長度s臨；

16、步驟八：將30％～50％s臨根據(jù)相似模擬實驗的相似比換算得到實際工程現(xiàn)場中頂板中錨桿臨界錨固粘結(jié)段長度s臨錨，此長度即為適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度。

17、進(jìn)一步，為了確保殼體與中空金屬桿之間的可靠連接，所述殼體通過焊接的方式與中空金屬桿的首端連接。

18、作為一種優(yōu)選，相鄰兩個拾震傳感器之間距離為50～200mm。

19、作為一種優(yōu)選，在步驟三中，所述感應(yīng)臨界距離值為60～100m。

20、作為一種優(yōu)選，在步驟二中，所述中空金屬桿的長度較錨固于頂板中的錨桿長300～600mm，中空金屬桿的直徑為30～60mm；所述拾震傳感器的長度為30～60mm，寬度為20～40mm。

21、進(jìn)一步，為了能方便順利地將固定監(jiān)測裝置安裝在測試鉆孔中，在步驟二中，測試鉆孔的長度與中空金屬桿的長度相適配，其孔徑較中空金屬桿的直徑與拾震傳感器的寬度之和大6～10mm。

22、作為一種優(yōu)選，在步驟七中，錨固試件錨固界面破壞臨界值w臨的確定過程如下：將錨固試件錨固界面由松脫損傷到脫黏破壞的臨界松脫損傷程度定義為w臨。

23、本發(fā)明采用了振動信號監(jiān)測系統(tǒng)，對于振動信號監(jiān)測系統(tǒng)，通過在中空金屬桿的末段設(shè)置錨固段，可以便于在安裝過程中利用錨固劑將中空金屬桿的末段牢固地固定于鉆孔的底部，進(jìn)而可以確保在監(jiān)測持續(xù)過程中能夠更穩(wěn)定地獲取到振動信號。在中空金屬桿的感應(yīng)段長度方向依次間隔地安裝有多個拾震傳感器，能有效適應(yīng)錨桿錨固粘結(jié)段長度范圍內(nèi)不同層位的巖層對迎頭循環(huán)掘進(jìn)振動信號的感應(yīng)拾取需求，從而只需要設(shè)置一個固定監(jiān)測裝置便可同時獲取到多個不同層位巖層的振動信號。在中空金屬桿的感應(yīng)段上沿長度方向依次開設(shè)有多個過線孔，可以便于多個拾震傳感器所連接的導(dǎo)線能夠順利穿入桿體的內(nèi)部，并能延伸至桿體的首端，從而可以便于與位于桿體首端的智能感知模塊連接，同時，這種設(shè)置方式有利于保護導(dǎo)線，進(jìn)而不會發(fā)生因外物刮擦而使導(dǎo)線損壞的情況，確保了振動信號的可靠接收。通過電源模塊一的設(shè)置，能為固定監(jiān)測裝置進(jìn)行用電的穩(wěn)定供應(yīng)，使其具有了離線工作的能力，進(jìn)而不需要專門為固定監(jiān)測裝置鋪設(shè)供電線路。將殼體固定安裝在中空金屬桿的首端，可以在將中空金屬桿安裝到鉆孔中后，方便地將殼體裸于孔口的外側(cè)，進(jìn)而能確保無線信號的可靠傳輸。通過在智能感知模塊中設(shè)置有微控制器，可以使智能感知模塊具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，這樣，當(dāng)接收到由拾震傳感器傳輸而來的振動信號時，微控制器可以為其添加時間戳，進(jìn)而能形成帶有時間戳的時序循環(huán)振動信號，這樣，有利于后續(xù)在處理振動信號時能便于獲得對應(yīng)的時間信息。通過存儲模塊一的設(shè)置，能夠便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和讀取，這樣，微控制器不僅可以將處理后的數(shù)據(jù)便捷地存儲至存儲模塊一中，還能在無線通信鏈路建立后，從存儲模塊一中便捷地讀取出數(shù)據(jù)，并通過無線通信鏈路發(fā)送至便攜采集終端。通過在智能感知模塊中設(shè)置無線傳輸模塊一，同時，在便攜采集終端中設(shè)置無線傳輸模塊二，能夠便于通過無線傳輸模塊一和無線傳輸模塊二之間的無線連接，于固定監(jiān)測裝置和便攜采集終端之間形成無線通信鏈路，進(jìn)而能確保二者之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過電源模塊二的設(shè)置，能為便攜采集終端進(jìn)行用電的供應(yīng)，進(jìn)而使便攜采集終端具有了離線工作的能力，從而提高了攜帶的便利性。通過處理器的設(shè)置，能便于對所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時，能便于實現(xiàn)與工業(yè)計算機進(jìn)行的交互通信，進(jìn)而能將所接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至工業(yè)計算機中。該振動信號監(jiān)測系統(tǒng)集成度、自動化程度較高、監(jiān)測結(jié)果精準(zhǔn)，通過固定監(jiān)測裝置和便攜采集終端的配合，可實現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)過程中錨桿錨固粘結(jié)段高度范圍內(nèi)不同層位巖體的振動信號的同時監(jiān)測收集，為后續(xù)實驗室條件下的試驗過程提供了可靠的技術(shù)支撐。

24、本發(fā)明中的適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度確定，適用于巖土工程或井巷工程領(lǐng)域。首先，在巷道掘進(jìn)過程中，于巷道迎頭后方緊跟迎頭位置頂板施工鉆孔并安裝固定監(jiān)測裝置，隨著迎頭繼續(xù)向前循環(huán)掘進(jìn)，固定監(jiān)測裝置會感應(yīng)接收到每一次的循環(huán)掘進(jìn)擾動的振動信號，直至固定監(jiān)測裝置至迎頭的距離超過某一臨界值，即固定監(jiān)測裝置不再在迎頭的循環(huán)掘進(jìn)擾動范圍之內(nèi)。接著，通過便攜采集終端收集固定監(jiān)測裝置所感應(yīng)和存儲的振動信號數(shù)據(jù)，再于地面將振動信號數(shù)據(jù)發(fā)送至工業(yè)計算機，使工業(yè)計算機根據(jù)振動信號數(shù)據(jù)得到用于后續(xù)低頻振動模擬測試所需要的振動激勵數(shù)據(jù)，該振動激勵數(shù)據(jù)來源于真實的作業(yè)環(huán)境中，進(jìn)而能有效確保后續(xù)模擬試驗中模擬效果的準(zhǔn)確性。在實驗室中利用無縫鋼管、普通鋼管、凡士林、砂漿混凝土、煤礦常用的左旋螺紋鋼錨桿和樹脂錨固劑制作錨固試件，可以有效降低試驗成本，同時，能夠便于有效模擬出真實環(huán)境中的錨桿錨固界面，進(jìn)而有利于在實驗室條件下，以低成本、更安全的方式完成對不同粘結(jié)長度的錨固試件對應(yīng)的錨固界面松脫損傷程度的模擬過程。對于錨固試件，采用低頻振動模擬測試系統(tǒng)，并采用相似比的方式依據(jù)現(xiàn)場采集得到的振動激勵數(shù)據(jù)得到振動激勵，之后利用電液伺服力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行拉拔測試，進(jìn)一步綜合應(yīng)力、位移及聲發(fā)射監(jiān)測等實驗數(shù)據(jù)，能夠分析得出錨固試件錨固界面破壞臨界值及對應(yīng)的臨界粘結(jié)長度，再通過換算得到現(xiàn)場中對應(yīng)的錨桿臨界錨固粘結(jié)段長度，即適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度。

25、該方法結(jié)合現(xiàn)場采集振動信號、實驗室條件制備錨固試件、采用低頻振動模擬測試系統(tǒng)進(jìn)行振動激勵、利用電液伺服力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行拉拔測試、利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測，整個實施過程自動化程度較高，有效減少了對人工的依賴性，并降低了人工的勞動強度，該方法監(jiān)測分析結(jié)果精準(zhǔn)，能精準(zhǔn)地確定出適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段的長度，能為工程現(xiàn)場設(shè)計適應(yīng)巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動影響的錨桿錨固粘結(jié)段長度提供強有力支撐，為統(tǒng)籌對比分析不同層位巖體受循環(huán)掘進(jìn)擾動影響提供了可靠的技術(shù)手段，具有良好的應(yīng)用價值。