一種用於巷道頂板離層的模擬實驗監測系統的製作方法
2023-06-01 22:06:56 2
本實用新型涉及一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統。
背景技術：
巷道冒頂是煤礦中最常見的事故，給煤礦的正常生產和工人生命安全帶來嚴重威脅。隨著巷道掘進工作面防治頂板事故的技術和裝備逐步提高，掘進工作面頂板事故率逐步下降。工程實踐表明，防治煤礦巷道頂板事故，關鍵是採取正確的理論和手段對頂板進行監測，掌握頂板離層規律，監測巷道頂板離層以及採取必要的應對手段和措施對預防事故的發生和保證安全生產具有重大意義。相似材料室內模擬實驗是由原蘇聯學者庫茲涅佐夫提出的相似理論而建立起來的一套由物理實驗、力學分析、模型測試直至指導工程實踐的實驗研究方法。該方法廣泛應用於採礦、巖土、冶金、水利、石油、建築、機械、地質、爆破和地下工程等行業。因此，國內外諸多專家學者採用相似材料室內模擬實驗手段研究煤礦巷道圍巖失穩變形破壞機理，但傳統的機械式頂板離層監測儀器用於室內相似模擬時，雖然結構簡單，但體型較大，無法適應相似模擬巷道狹小的開挖空間；測量精度較低，無法準確監測相似模擬巷道微小的頂板離層位移量；而且如果巷道開挖後人工鑽孔安裝離層位移監測基點，在狹小模擬空間內打鑽操作不便，離層位移監測基點安裝精度無法精準掌控。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供一種體積小、靈敏度高、可實現離層位移監測基點預埋、耐腐蝕、抗電磁幹擾，在室內相似模擬巷道開挖空間狹小、離層數量級較小、頂板有淋水等條件下可以安全使用，實現相似模擬巷道頂板離層的實時在線監測的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統。
上述的目的通過以下的技術方案實現：
一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，其組成包括：預埋導管、離層監測基點、直角型高強度梁式支架、導向滑輪組、細鋼絲、離層位移傳感監測記錄顯示組件，所述的預埋導管包括預埋導管Ⅰ1與預埋導管Ⅱ2，所述的預埋導管Ⅰ1的頂端安裝離層監測基點Ⅰ3，所述的離層監測基點Ⅰ3連接細鋼絲Ⅰ4的一端，所述的細鋼絲Ⅰ4的另一端引導至預埋導管Ⅰ1的底部孔口外通過固定在直角型高強度梁式支架上的導向滑輪組Ⅰ與放置在相似模擬實驗臺18側邊的離層位移傳感監測記錄顯示組件相連接；
所述的預埋導管Ⅱ2的頂端安裝離層監測基點Ⅱ5，所述的離層監測基點Ⅱ5連接細鋼絲Ⅱ6的一端，所述的細鋼絲Ⅱ6的另一端引導至預埋導管Ⅱ2的底部孔口外通過固定在直角型高強度梁式支架上的導向滑輪組Ⅱ與放置離層位移傳感監測記錄顯示組件的方形外殼體23相連接；
所述的預埋導管Ⅰ1、離層監測基點Ⅰ3與預埋導管Ⅱ2、離層監測基點Ⅱ5均埋在相似模擬實驗臺18內。
所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的離層位移傳感監測記錄顯示組件包括離層監測基點Ⅰ3的位移傳遞Ⅰ的電阻式位移傳感器Ⅰ與離層監測基點Ⅱ5的位移傳遞Ⅱ的電阻式位移傳感器Ⅱ；
所述的離層監測基點Ⅰ3通過位移傳遞Ⅰ將信號傳遞至電阻式位移傳感器Ⅰ，所述的電阻式位移傳感器Ⅰ將信號傳遞至精密恆流源電路Ⅰ，所述的精密恆流源電路Ⅰ將信號傳遞至單片機電路，所述的單片機電路與人機接口電路、存儲電路、通信電路之間雙向傳遞信號，所述的單片機電路接收供電電路的信號；
所述的離層監測基點Ⅱ5通過位移傳遞Ⅱ將信號傳遞至電阻式位移傳感器Ⅱ，所述的電阻式位移傳感器Ⅱ將信號傳遞至精密恆流源電路Ⅱ，所述的精密恆流源電路Ⅱ將信號傳遞至單片機電路，所述的單片機電路與人機接口電路、存儲電路、通信電路之間雙向傳遞信號，所述的單片機電路接收供電電路的信號。
所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的直角型高強度梁式支架包括可伸縮金屬託架Ⅰ7與可伸縮金屬託架Ⅱ8；
所述的可伸縮金屬託架Ⅰ7上設置導向滑輪組Ⅰ，所述的導向滑輪組Ⅰ包括一號導向滑輪9與二號導向滑輪10，所述的一號導向滑輪9固定設置在可伸縮金屬託架Ⅰ7的橫向杆的左側端，所述的二號導向滑輪10固定設置在可伸縮金屬託架Ⅰ7的橫向杆的右側端；
所述的可伸縮金屬託架Ⅱ8上設置導向滑輪組Ⅱ，所述的導向滑輪組Ⅱ包括三號導向滑輪11與四號導向滑輪12，所述的三號導向滑輪11固定設置在可伸縮金屬託架Ⅱ8的橫向杆的左側端，所述的四號導向滑輪12固定設置在可伸縮金屬託架Ⅱ8的橫向杆的右側端。
所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的電阻式位移傳感器Ⅰ包括精密電位器13，所述的精密電位器13的一端連接卷揚軸14，所述的卷揚軸14上纏繞細鋼絲Ⅰ4，所述的卷揚軸14的兩端分別連接軸承Ⅰ15與軸承Ⅱ16，所述的軸承Ⅰ15與軸承Ⅱ16之間設置兩個環形限位塊17，所述的環形限位塊17之間纏繞細鋼絲Ⅰ4；
所述的電阻式位移傳感器Ⅱ與電阻式位移傳感器Ⅰ的結構相同。
所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的精密恆流源電路Ⅰ與精密恆流源電路Ⅱ的電流範圍為0~0.5mA。
有益效果：
1、本實用新型具有體積小（便於在室內相似模擬狹小的模擬巷道內使用）、靈敏度高（相似模擬巷道開挖產生的頂板離層量小，需要高靈敏度的位移傳感器）、耐腐蝕（克服巷道頂板淋水影響）、抗電磁幹擾（克服實驗室內其它儀器的電磁幹擾）、可遠距離傳輸（便於與相似模擬架外部設備連接），可實現相似模擬巷道開挖頂板離層實時在線監測。可以廣泛應用於室內相似模擬礦山巖石巷道、煤層巷道的圍巖內部離層變化監測。
2、本實用新型安裝了精密的位移傳感器，靈敏度高，確保能夠實時監測記錄相似模擬巷道開挖產生的微小頂板離層量。
3、本實用新型通過導向滑輪Ⅰ與導向滑輪Ⅱ（發揮兩次導向作用：垂直至水平，水平至垂直），分別將離層監測基點Ⅰ的細鋼絲Ⅰ、離層監測基點Ⅱ的細鋼絲Ⅱ與放置在相似模型側邊的離層位移傳感監測記錄顯示組件相連，克服了模擬巷道開挖空間狹小，無法將離層位移監測記錄裝置全部放入巷道空間內部的局限性。
4、本實用新型實現了離層監測基點的預設預埋，克服了模擬巷道開挖後人工鑽孔安裝離層監測基點的操作不便和安裝精度無法精準掌控。
附圖說明：
附圖1是本實用新型的結構示意圖。
附圖2是本實用新型的離層位移傳感監測記錄顯示組件信號流程圖。
附圖3是附圖2的電阻式位移傳感器的卷揚機構。
附圖4是附圖1的局部放大示意圖。
附圖5是本實用新型的離層位移傳感記錄裝置標定實驗曲線圖。
附圖6是本實用新型的試驗臺與預埋導管位置示意圖。
具體實施方式：
實施例1
一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，其組成包括：預埋導管、離層監測基點、直角型高強度梁式支架、導向滑輪組、細鋼絲、離層位移傳感監測記錄顯示組件，所述的預埋導管包括預埋導管Ⅰ1與預埋導管Ⅱ2，所述的預埋導管Ⅰ1的頂端安裝離層監測基點Ⅰ3，所述的離層監測基點Ⅰ3連接細鋼絲Ⅰ4的一端，所述的細鋼絲Ⅰ4的另一端引導至預埋導管Ⅰ1的底部孔口外通過固定在直角型高強度梁式支架上的導向滑輪組Ⅰ與放置在相似模擬實驗臺18側邊的離層位移傳感監測記錄顯示組件相連接，所述的細鋼絲Ⅰ4穿過離層位移傳感監測記錄顯示組件的圓心通孔21；
所述的預埋導管Ⅱ2的頂端安裝離層監測基點Ⅱ5，所述的離層監測基點Ⅱ5連接細鋼絲Ⅱ6的一端，所述的細鋼絲Ⅱ6的另一端引導至預埋導管Ⅱ2的底部孔口外通過固定在直角型高強度梁式支架上的導向滑輪組Ⅱ與放置離層位移傳感監測記錄顯示組件的方形外殼體23相連接；
所述的預埋導管Ⅰ1、離層監測基點Ⅰ3與預埋導管Ⅱ2、離層監測基點Ⅱ5均埋在相似模擬實驗臺18內，所述的細鋼絲Ⅱ6穿過離層位移傳感監測記錄顯示組件的圓心通孔21。
實施例2
實施例1所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的離層位移傳感監測記錄顯示組件包括離層監測基點Ⅰ3的位移傳遞Ⅰ的電阻式位移傳感器Ⅰ與離層監測基點Ⅱ5的位移傳遞Ⅱ的電阻式位移傳感器Ⅱ；
所述的離層監測基點Ⅰ3通過位移傳遞Ⅰ將信號傳遞至電阻式位移傳感器Ⅰ，所述的電阻式位移傳感器Ⅰ將信號傳遞至精密恆流源電路Ⅰ，所述的精密恆流源電路Ⅰ將信號傳遞至單片機電路，所述的單片機電路與人機接口電路、存儲電路、通信電路之間雙向傳遞信號，所述的單片機電路接收供電電路的信號；
所述的離層監測基點Ⅱ5通過位移傳遞Ⅱ將信號傳遞至電阻式位移傳感器Ⅱ，所述的電阻式位移傳感器Ⅱ將信號傳遞至精密恆流源電路Ⅱ，所述的精密恆流源電路Ⅱ將信號傳遞至單片機電路，所述的單片機電路與人機接口電路、存儲電路、通信電路之間雙向傳遞信號，所述的單片機電路接收供電電路的信號。
實施例3
實施例1所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的直角型高強度梁式支架包括可伸縮金屬託架Ⅰ7與可伸縮金屬託架Ⅱ8，所述的可伸縮金屬託架Ⅰ7與可伸縮金屬託架Ⅱ8之間通過連杆22相連接；
所述的可伸縮金屬託架Ⅰ7上設置導向滑輪組Ⅰ，所述的導向滑輪組Ⅰ包括一號導向滑輪9與二號導向滑輪10，所述的一號導向滑輪9固定設置在可伸縮金屬託架Ⅰ7的橫向杆的左側端，所述的二號導向滑輪10固定設置在可伸縮金屬託架Ⅰ7的橫向杆的右側端；
所述的可伸縮金屬託架Ⅱ8上設置導向滑輪組Ⅱ，所述的導向滑輪組Ⅱ包括三號導向滑輪11與四號導向滑輪12，所述的三號導向滑輪11固定設置在可伸縮金屬託架Ⅱ8的橫向杆的左側端，所述的四號導向滑輪12固定設置在可伸縮金屬託架Ⅱ8的橫向杆的右側端。
實施例4
實施例2所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的電阻式位移傳感器Ⅰ包括精密電位器13，所述的精密電位器13的一端連接卷揚軸14，所述的卷揚軸14上纏繞細鋼絲Ⅰ4，所述的卷揚軸14的兩端分別連接軸承Ⅰ15與軸承Ⅱ16，所述的軸承Ⅰ15與軸承Ⅱ16之間設置兩個環形限位塊17，所述的環形限位塊17之間纏繞細鋼絲Ⅰ4；
所述的電阻式位移傳感器Ⅱ與電阻式位移傳感器Ⅰ的結構相同。
實施例5
實施例2所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的精密恆流源電路Ⅰ與精密恆流源電路Ⅱ的電流範圍為0~0.5mA。
實施例6
實施例1所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，所述的預埋導管Ⅰ1與預埋導管Ⅱ2均由多節帶螺紋的短管連接而成，所述的離層監測基點Ⅰ3具有錨頭Ⅰ，所述的離層監測基點Ⅱ5具有錨頭Ⅱ，所述的錨頭Ⅰ與錨頭Ⅱ的結構相同，所述的錨頭Ⅰ固定連接有錨爪Ⅰ19，所述的錨爪Ⅰ19配合孔壁四周使用，所述的錨頭Ⅱ固定連接有錨爪Ⅱ20，所述的錨爪Ⅱ20配合孔壁四周使用。
實施例7
實施例1所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統，傳感器型號：STS-R-1000位移傳感器；單片機型號：STC12C5A60S2。
實施例8
實施例1-5所述的一種用於巷道頂板離層模擬實驗的監測系統的監測方法，在巷道層位垂直頂板內預埋1根預埋導管Ⅰ1和1根預埋導管Ⅱ2，兩根導管內分別預安裝在不同深度的離層監測基點Ⅰ3（深部）和離層監測基點Ⅱ5（淺部），當巷道模擬開挖至預埋導管位置處，將分節螺紋連接的預埋導管垂直拽出，離層監測基點上的錨爪牢牢固定在孔壁四周；隨著模擬巷道繼續向前開挖或者受臨近採煤工作面採動影響，該巷道頂板覆巖預埋導管位置處會產生離層現象，離層監測基點通過細鋼絲沿直角型高強度梁式支架上的導向滑輪組引導，將離層位移量傳遞到離層位移傳感監測記錄顯示組件內部安裝的電阻式位移傳感器上，電阻式位移傳感器將信號傳遞至精密恆流源電路，精密恆流源電路將信號傳遞至單片機電路，單片機電路與人機接口電路、存儲電路、通信電路之間雙向傳遞信號，從而實現相似模擬巷道開挖頂板離層實時在線監測與數據顯示。
工作流程：
當巷道模擬開挖至預埋導管位置處，將分節螺紋連接的導管垂直拽出，離層監測基點的倒爪牢牢固定在孔壁四周，連接離層監測基點的細鋼絲另一端經由固定在直角型高強度梁式支架上的滑輪的引導，與放置在相似模擬實驗臺18側邊的離層位移傳感監測記錄顯示組件連接，該離層位移傳感監測記錄顯示組件，其內部安裝有2個性能相同的位移傳感器。
多段分節螺紋連接，導管的高度可調，以實現將離層監測深部基點A和淺部基點B安裝至合適的巷道頂板圍巖層位處，1根預埋導管Ⅰ的高度為28-40cm，直徑為φ2.8cm， 1根預埋導管Ⅱ的高度為7-10cm，直徑為φ2.8cm；（煤礦井下離層監測基點Ⅰ的深度一般為7~10m，離層監測基點Ⅱ的深度一般為1.8~2.5m，根據相似比1:25，換算成預埋導管Ⅰ的高度為28-40cm，預埋導管Ⅱ的高度為7-10cm。），（採用固定長度的短管設計，固定每節螺紋短管具有5cm、3cm、2cm等幾種標準長度，根據相似模型的鋪設比例、所模擬巷道的尺寸，自由組合）。
離層位移傳導組件的直角型高強度梁式支架的高度可調、長度可伸縮，以適應不同層位處開挖巷道，將離層位移監測組件監測到的離層位移傳導至離層位移傳感監測記錄顯示組件；鋼絲採用儀器專用鋼絲繩，鋼絲繩斷面直徑為0.8mm，每根鋼絲繩由49條細鋼絲編織而成，滿足使用的強度要求。
圖2、3、圖5所示，該裝置的結構緊湊布局合理，受力變形呈線性變化，準確記錄了相似模擬巷道開挖在頂板產生的微小離層量，引起該層位離層監測基點連接的鋼絲繩長度發生變化。通過固定在直角型高強度梁式支架上的滑輪的導向作用，鋼絲繩將離層位移傳遞給與之相連的離層位移傳感記錄裝置。
本實用新型完成後，對其樣機進行了標定實驗，結果如圖5所示。通過實驗結果可知，位移傳感器監測到的形變量與相似模擬巷道開挖頂板離層量呈現良好的線性關係，達到了設計要求，完全滿足設計初衷，說明本裝置可以對相似模擬巷道開挖頂板離層量進行有效監測。
當然，上述說明並非是對本實用新型的限制，本實用新型也並不僅限於上述舉例，本技術領域的技術人員在本實用新型的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本實用新型的保護範圍。