本發(fā)明涉及煤礦安全技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀及控制方法。

背景技術(shù)：

自上世紀90年代以來，錨桿支護以其顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)越性成為我國煤礦巷道支護的重要形式之一，在現(xiàn)代化礦井中巷道錨桿支護占比達到了90％以上，層狀結(jié)構(gòu)是煤巷頂板主要結(jié)構(gòu)型式之一，而層狀頂板也是最適合于錨桿支護的頂板類型。近幾年來，我國許多大型煤礦集團平均每年發(fā)生巷道冒頂事故3～8次，人員傷亡事故也屢有發(fā)生。在幾百米、甚至上千米長度的錨桿支護巷道中也經(jīng)常出現(xiàn)局部區(qū)域冒頂事故，造成巨大的危害。因此，首先通過對錨固體的錨固質(zhì)量進行檢測，然后結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，對錨固體的失穩(wěn)模式進行判別是有效預防煤巷冒頂事故的措施。

在煤巷錨桿支護現(xiàn)場，對錨固體的錨固質(zhì)量進行檢測，一般常采用的方法是拉拔實驗分析法和取巖芯法。由于拉拔試驗法比較費人費力，也只能獲得錨桿錨固力的大小，并不能得到錨固段長度；取巖芯法雖然能對煤巷錨桿錨固質(zhì)量進行綜合評價，但由于它是破壞性的檢測手段，在煤巷現(xiàn)場并不常用。因此，錨桿支護效果的無損檢測是防止煤巷冒頂?shù)挠行侄?。目前，我國錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測技術(shù)在理論上比較成熟，但是在應用于煤巷層狀頂板錨固體無損檢測時，存在檢測效果差的問題。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中，存在煤巷層狀頂板錨固體無損檢測效果差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀及控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在煤巷層狀頂板錨固體無損檢測效果差的問題。

本發(fā)明實施例提供一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀，包括：無損檢測模塊和智能識別模塊；

所述無損檢測模塊包括：力錘、加速度傳感器和計時器；所述智能識別模塊包括：ARM處理器；

所述力錘，用于對煤巷層狀頂板錨固體產(chǎn)生激發(fā)波；

所述加速度傳感器，用于采集所述激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號，并且將所述反射波信號發(fā)送給所述ARM處理器；

所述計時器，用于獲取所述激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波傳播時間，并且將所述反射波傳播時間發(fā)送給所述ARM處理器；

所述ARM處理器，用于根據(jù)所述反射波信號、所述反射波傳播時間和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式。

較佳地，所述無損檢測模塊還包括：壓電力傳感器，電荷放大器和數(shù)字式峰值電壓表；所述力錘與所述壓電力傳感器連接，所述壓電力傳感器、所述電荷放大器和所述數(shù)字式峰值電壓表依次電連接。

較佳地，所述無損檢測模塊還包括：信號處理器和數(shù)字示波器；所述加速度傳感器、所述信號處理器、所述數(shù)字示波器和所述ARM處理器依次電連接。

較佳地，所述煤巷層狀頂板錨固體包括：錨桿和錨固劑體；所述錨桿插設在煤層上；所述錨固劑圍設在位于所述煤層內(nèi)部的所述錨桿上，并且錨固底端端面與錨桿底端端面位于同一平面；其中，位于所述煤層外部的所述錨桿上設置有連接圓盤，所述加速度傳感器設置在所述連接圓盤上。

較佳地，所述錨桿通過托盤固定在所述煤層上，并且所述托盤位于所述煤層外部。

較佳地，所述智能識別模塊還包括：PC機、鍵盤、USB接口和LCD顯示器，所述PC機、所述鍵盤、所述USB接口和所述LCD顯示器均與所述ARM處理器電連接。

本發(fā)明實施例提供一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀的控制方法，包括：

對煤巷層狀頂板錨固體產(chǎn)生激發(fā)波；

獲取所述激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波傳播時間；

采集所述激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號；

根據(jù)所述反射波傳播時間、所述反射波信號和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式。

較佳地，所述獲取所述激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波傳播時間為獲取所述激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑固端的反射波傳播時間；

所述采集所述激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號，包括：采集所述激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑固端時的第一反射波信號和所述激發(fā)波沿錨桿傳播至錨桿底端時的第二反射波信號。

較佳地，所述根據(jù)所述反射波傳播時間、所述反射波信號和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式，包括：

根據(jù)所述激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑前端面的反射波傳播時間，所述錨桿的總長度和所述激發(fā)波在錨桿中的傳播速度，通過公式(1)，確定錨固段長度；

根據(jù)所述錨固段長度，確定錨固力；

根據(jù)所述激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號，確定錨固密實度；

根據(jù)所述錨固段長度、所述錨固力、所述錨固密實度和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式。

公式(1)如下所示：

L₁＝L-(V·T)

其中，L₁為錨固段長度；L為錨桿的總長度；V為激發(fā)波在錨桿中的傳播速度；T為激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑前端面的反射波傳播時間。

較佳地，所述錨桿的工作荷載值，通過下式確定：

其中，F(xiàn)為錨桿工作荷載；f為錨桿的橫向波振動頻率；V_c為錨桿的縱向波傳播速度；A為錨桿橫截面面積；E為錨桿的彈性模量。

本發(fā)明實施例中提供一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀及控制方法，該發(fā)明通過力錘捶打錨桿對錨桿產(chǎn)生激發(fā)波，通過加速度傳感器采集激發(fā)波沿錨桿傳播的反射波，同時通過計時器獲取激發(fā)波沿錨桿傳播的反射波傳播時間，最后ARM處理器根據(jù)反射波、反射波傳播時間和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式，即提高了煤巷層狀頂板錨固體無損檢測的準確度，該探測儀穩(wěn)定可靠，能夠滿足煤礦現(xiàn)場安全防爆要求，可有效預防煤巷冒頂事故的發(fā)生。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀的控制方法流程圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體應用實例圖。

附圖標記說明：

1-無損檢測模塊，11-力錘，12-壓電力傳感器，13-電荷放大器，14-數(shù)字式峰值電壓表，15-加速度傳感器，16-信號處理器，17-數(shù)字示波器，18-計時器，2-智能識別模塊，21-ARM處理器，22--PC機，23-鍵盤，24-USB接口，25-LCD顯示器，3-煤層，31-錨桿，32-錨固劑，33-托盤，34-連接圓盤，35-1-自由端，35-2-固端，35-3-錨固底端，35-4-錨桿底端。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀，包括：無損檢測模塊1和智能識別模塊2。

需要說明的是，首先通過無損檢測模塊1對煤巷層狀頂板錨固體錨固質(zhì)量進行無損檢測，然后通過智能識別模塊2根據(jù)無損檢測結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，可以準確地判別錨固體的失穩(wěn)模式，進而達到預防冒頂事故的目的。

具體地，無損檢測模塊1包括：力錘11、加速度傳感器15和計時器18；智能識別模塊2包括：ARM處理器21。力錘11，用于對煤巷層狀頂板錨固體產(chǎn)生激發(fā)波；加速度傳感器15，用于采集激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號，并且將反射波信號發(fā)送給ARM處理器21；計時器18，用于獲取激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波傳播時間，并且將反射波傳播時間發(fā)送給ARM處理器21；ARM處理器21，用于根據(jù)反射波信號、反射波傳播時間和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式。

需要說明的是，煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式的影響因素眾多，主要有原巖應力、頂板巖層巖性、巷道尺寸的大小、頂板巖層傾角、錨桿參數(shù)、錨固力、錨固段有效錨固范圍(錨固段長度)、錨固劑密實程度。由于現(xiàn)場的原巖應力、頂板巖層巖性、巷道尺寸、頂板巖層傾角、錨桿參數(shù)等這些條件是已知的，因此，只需測出錨固段有效錨固范圍(錨固段長度)、錨固力和錨固劑密實程度。而錨固段有效錨固范圍(錨固段長度)、錨固力和錨固劑密實程度可以通過無損檢測模塊1得到，然后結(jié)合已知的地質(zhì)條件參數(shù)，能夠?qū)敯邋^固體的失穩(wěn)模式進行判別。

需要說明的是，對錨固體錨固質(zhì)量進行無損檢測是通過聲波反射法原理來實現(xiàn)的，它首先是在錨桿頂部施加一個激振，施加的力度大小可以由傳感器測得，激振產(chǎn)生的聲波在錨固體內(nèi)傳播，在錨固劑界面處會產(chǎn)生反射波，透過的聲波會在錨桿底部發(fā)生反射，根據(jù)兩次反射波的時間可以計算出錨固段長度，根據(jù)反射波的響應大小可以判斷錨固體錨固密實度，并且求得錨固段長度后，可計算出錨固力的大小。

需要說明的是，根據(jù)測得的錨固段有效錨固范圍(錨固段長度)、錨固力和錨固劑密實程度，參照比對原巖應力、頂板巖層巖性、巷道尺寸、頂板巖層傾角、錨桿參數(shù)等現(xiàn)場地質(zhì)條件，結(jié)合國家煤礦安全規(guī)程中煤巷失穩(wěn)模式分類方法，經(jīng)過本探測儀失穩(wěn)模式智能識別模塊2分析處理后，可以判斷出錨固體的失穩(wěn)模式(穩(wěn)定頂板、中等穩(wěn)定頂板、易失穩(wěn)頂板、極易失穩(wěn)頂板)。

較佳地，無損檢測模塊1還包括：壓電力傳感器12，電荷放大器13和數(shù)字式峰值電壓表14；力錘11與壓電力傳感器12連接，壓電力傳感器12、電荷放大器13和數(shù)字式峰值電壓表14依次電連接。

需要說明的是，無損檢測模塊1是采用錘擊法的試驗系統(tǒng)。力錘11在錨桿31頂部施加一個激勵信號，壓電力傳感器12將振動信號轉(zhuǎn)化為電荷信號，電荷放大器13將微弱電荷信號放大，數(shù)字式峰值電壓表14接收電荷放大器13的電荷信號，顯示出電壓值，經(jīng)換算比對可以計算出力錘11施加激振的大小。

需要說明的是，通過設置壓電力傳感器12，電荷放大器13和數(shù)字式峰值電壓表14，獲取力錘施加的激振力的大小，即可以采用同樣大小的力度重復性對同一錨固體試驗，求響應的平均值，根據(jù)平均值計算可以減小誤差。

較佳地，無損檢測模塊1還包括：信號處理器16和數(shù)字示波器17；加速度傳感器15、信號處理器16、數(shù)字示波器17和ARM處理器21依次電連接。

需要說明的是，加速度傳感器15接收經(jīng)錨桿31圍巖反射過來的信號，經(jīng)信號處理器16處理調(diào)節(jié)之后，濾除干擾信號，然后傳給數(shù)字示波器17接收，可以實時顯示出反射波的波形，具有采樣率高、接收效果好的優(yōu)點。

需要說明的是，數(shù)字示波器17通過數(shù)字示波器接口和功放與ARM處理器上的PC1接口連接。

較佳地，煤巷層狀頂板錨固體包括：錨桿31和錨固劑32；錨桿31插設在煤層3上；錨固劑32圍設在位于煤層3內(nèi)部的錨桿31上，并且錨固劑32的錨固底端35-3端面與錨桿31的錨桿底端35-3端面位于同一平面；其中，位于煤層3外部的錨桿31上設置有連接圓盤34，加速度傳感器15設置在連接圓盤34上。錨桿31通過托盤33固定在煤層3上，并且托盤33位于煤層3外部。

較佳地，智能識別模塊2還包括：PC機22、鍵盤23、USB接口24和LCD顯示器25，PC機22、鍵盤23、USB接口24和LCD顯示器25均與ARM處理器21電連接。

需要說明的是，ARM處理器21通過MAX232芯片與PC機22的串口通訊；LCD顯示器25是16位的顯示器，可以顯示所有的ARM處理器21控制的數(shù)字、漢字和字符；通過鍵盤23可以隨時隨地實現(xiàn)人機對話，非常方便，它采用8個按鍵的形式，分擔ARM處理器21的8個I/O口；通過USB接口24可以實時存儲ARM處理器21的處理結(jié)果。

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀的控制方法流程圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的一種煤巷層狀頂板錨固體應用實例圖。如圖3和圖4所示，本發(fā)明提供的一種煤巷層狀頂板錨固體失穩(wěn)模式探測儀的控制方法，包括：

步驟S11：對煤巷層狀頂板錨固體產(chǎn)生激發(fā)波。

步驟S12：獲取激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波傳播時間。

步驟S13：采集激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號。

步驟S14：根據(jù)反射波傳播時間、反射波信號和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式。

較佳地，獲取激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波傳播時間為獲取激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑固端的反射波傳播時間；采集激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號，包括：采集激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑固端時的第一反射波信號和激發(fā)波沿錨桿傳播至錨桿底端時的第二反射波信號。

需要說明的是，將錨桿在煤巖層中外漏一端稱為自由端35-1，錨固劑32起始位置稱為固端35-2，錨固劑32末端稱為錨固底端35-3，錨桿31末端稱為錨桿底端35-4。本發(fā)明中探測儀工作過程是：首先在錨桿31的自由端35-1施加一激振，由激振產(chǎn)生應力波，其向錨桿31的錨桿底端35-4方向傳播，在固端35-2和錨桿底端35-4分別發(fā)生反射，用安裝在自由端35-1的加速度傳感器15接收反射波信號，然后信號通過數(shù)據(jù)線傳輸給探測儀的主機部分。

需要說明的是，由激振力在錨桿31的自由端35-1產(chǎn)生的應力波稱之為激發(fā)波；當應力波傳播至錨桿自由段和錨固段界面時，一部分波發(fā)生反射，稱之為固端反射波；還有一部分波透過固端35-2，繼續(xù)向錨桿31的錨桿底端35-4傳播，最終在錨桿底端發(fā)生反射，稱之為底端反射波。對比分析可知，激發(fā)波是應力波還未開始在錨桿體中傳播，固端反射波是應力波只在錨桿自由段中傳播，底端反射波是應力波在錨桿中傳播了一個完整周期，那么固端反射波時間減去激發(fā)波的時間即是應力波在錨桿自由段中傳播時間。

較佳地，根據(jù)反射波傳播時間、反射波信號和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式，包括：

(1)根據(jù)激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑前端面的反射波傳播時間，錨桿的總長度和激發(fā)波在錨桿中的傳播速度，通過公式(1)，確定錨固段長度。

(2)根據(jù)錨固段長度，確定錨固力。

(3)根據(jù)激發(fā)波在煤巷層狀頂板錨固體內(nèi)傳播的反射波信號，確定錨固密實度。

(4)根據(jù)錨固段長度、錨固力、錨固密實度和煤巷現(xiàn)場地質(zhì)力學參數(shù)，確定煤巷層狀頂板錨固體的失穩(wěn)模式。

公式(1)如下所示：

L₁＝L-(V·T)

其中，L₁為錨固段長度；L為錨桿的總長度；V為激發(fā)波在錨桿中的傳播速度；T為激發(fā)波沿錨桿傳播至錨固劑前端面的反射波傳播時間。

需要說明的是，錨桿自由段長度L₂如圖4所示。

需要說明的是，由于錨桿31、錨固劑32和圍巖系統(tǒng)的振動響應與錨固劑32的錨固密實度密切相關(guān)，錨固劑32的錨固密實度優(yōu)良時，波形幅值衰減速度較快，在錨固劑32錨固密實度較差時，波形衰減速度較慢，因此，可以通過波形的衰減速度來判斷錨固劑的密實程度。

較佳地，錨桿的工作荷載值，通過下式確定：

其中，F(xiàn)為錨桿工作荷載；f為錨桿的橫向波振動頻率；V_c為錨桿的縱向波傳播速度；A為錨桿橫截面面積；E為錨桿的彈性模量。

需要說明的是，上述(2)式為錨桿工作荷載與其在激發(fā)荷載作用下系統(tǒng)的橫向振動頻率之間呈冪函數(shù)的關(guān)系式，通過對探測儀接收到的錨桿動測響應下曲線進行頻域分析，可得錨固體系在激振作用下的橫向振動頻率，進而通過錨桿工作荷載值與橫向振動頻率之間的冪函數(shù)關(guān)系，確定錨桿的工作荷載值。

需要說明的是，通常判斷錨固體失穩(wěn)模式的方法是先在現(xiàn)場測試錨桿錨固信息，然后將測試信息和現(xiàn)場地質(zhì)條件導入到計算機上，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)識別后才能得出。而本探測儀的失穩(wěn)模式智能識別模塊，采用了ARM處理器對信息進行分析與處理，能夠在現(xiàn)場方便快速地得出錨固體的失穩(wěn)模式。

需要說明的是，錨固體失穩(wěn)模式分為穩(wěn)定頂板、中等穩(wěn)定頂板、易失穩(wěn)頂板、極易失穩(wěn)頂板四類。通過按鍵輸入已知的原巖應力、頂板巖層巖性、巷道尺寸的大小、頂板巖層傾角、錨桿參數(shù)等和測得的錨固段長度、錨固力和錨固劑密實度，經(jīng)探測儀的智能識別模塊2分析與處理之后，就可出判別結(jié)果。

本發(fā)明提供的具體實施例如下：應用本發(fā)明的探測儀在五陽礦7603運輸巷750m位置進行監(jiān)測，依據(jù)該地點地應力測量可知，鉆孔測點的最大主應力9.4MPa、方位226.32°、傾角-6.63°，頂板第一層為煤、厚0.8m、第二層為粉砂巖、厚1.1m、第三層為中砂巖、厚2.5m，矩形巷道寬度為4.3m，高度為3.5m，頂板巖層傾角8°。巷道采用螺紋鋼錨桿支護，錨桿間排距700mm×700mm，錨桿長為2400mm，直徑為22mm，螺紋鋼錨桿密度為7880kg/m3，彈性模量為210GPa，采用3根2330的樹脂錨固劑，錨桿安裝時，根據(jù)理論計算錨固段的長度是1200mm。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。