一种采场围岩受力特性和振动特性实时观测的可回收式采集仪及使用方法与流程

本发明属于矿山安全监测领域，具体涉及一种采场围岩受力特性和振动特性实时观测的可回收式采集仪及其使用方法。

背景技术：

在金属矿地下开采过程中，由于矿山岩体弹性变性能的瞬间释放而产生的突然剧烈破坏的动力现象称为“地压”。地压的发生往往会造成惨重的人员伤亡和巨大的经济损失，已经成为引发矿山重大灾害的主要因素之一。长期来，国内外矿山虽然采用了诸多方法用于采场的安全监测与安全防范，这样的方法包括有微震监测、声发射观测、地应力观测与位移观测等，受监测方法的局限性、监测成本及采场爆轰波的破坏影响等，往往对采场顶板及围岩的综合受力情况了解甚微，岩层的稳固性与破坏情况难以获知，无法对采场的安全进行有效管理与精准操控，由此导致重大的生产安全事故。

由于深部开采工作过程中，复杂的围岩力学条件导致当前监测手段无法对采场顶板和围岩产生有效的监测结果和精确的评价，此情况会形成过度支护的方式而造成支护成本的提高。专利号01272808.x公开了一种煤岩动力灾害电磁辐射监测装置，201110109285.9公开了无损实时磁监测预报深部围岩岩爆的方法，但由于地下水、电磁辐射的干扰导致监测结果误差较大；专利号201910083121.x公开了一种矿用监控预警锚杆，专利号201710452402.9公开了一种锚杆支护巷道的围岩灾害预警方法及锚固预警装置，但都不可回收容易造成资源的浪费；专利号201310147960.6公开了一种巷道围岩灾害的智能锚杆预警监测系统，但监测数据单一，预警效果不够精确。因此研究发明一种能够实时对反映围岩稳定性的多种数据进行监测并结合分析、对采场围岩进行实时预警而可回收成本低廉的地压监测设备，对提高采矿的安全和效率具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本项发明提供了一种采场围岩受力特性和振动特性实时观测的可回收式采集仪，其目的在于克服上述现有设备的无法进行多项数据综合采集、支护合理化程度低、实时性差等缺点。

为实现这一目的，本发明采用的技术方案为：

一种采场围岩受力特性和振动特性实时观测的可回收式采集仪，其特征在于，包括涨壳锚头、头部连杆、止动圆环、应力传感器、振动传感器、保护套筒、无线数据采集模块、尾部连杆、托盘、螺母，所述应力传感器上端通过左旋螺纹与头部连杆连接，所述头部连杆顶端安装有涨壳锚头，所述应力传感器下端通过左旋螺纹与尾部连杆连接，连接处进行胶水紧固，在所述尾部连杆下端安装托盘和螺母，所述应力传感器中部呈中空筒状，所述中空筒状底部设置有向外突出的台阶，所述中空筒状上部设置凹槽，所述振动传感器安装于所述凹槽内，所述保护套筒套设于所述应力传感器中部，下端抵接于所述台阶上，在所述保护套筒上端安装止动圆环，所述尾部连杆内置无线数据采集模块。

进一步地，所述头部连杆和尾部连杆外部均设置有热缩管包裹，以降低环境对锚杆的腐蚀。

进一步地，所述应力传感器下端的左旋螺纹开孔，所述振动传感器和应力传感器的导线从孔出引出，连接至所述无线数据采集模块。

进一步地，在采场外设置数据集成装置，所述无线数据采集模块接收振动传感器和应力传感器发送的数据信号，并传输给数据集成装置，所述数据集成装置对数据按照设置的时间间隔和标准进行集成和整理，完成数据的连续采集和集成，最后通过井下光缆发送到地表的计算机终端进行分析。

进一步地，当固定在岩层钻孔中的头部连杆受到岩层变形产生拉应力作用时，所述应力传感器通过感知应力大小产生相对应频率的振弦信号，在通电的情况下，振弦信号以相同频率电信号的形式输出。

进一步地，所述振动传感器通过记录岩层断裂产生的振动，监测数据以相应的电流信号输出，从而获得任意时间岩层能量变化与岩层破坏情况，以对岩层安全性进行预估和评价。

进一步地，所述保护套筒由钢质材料制成，两端连接处进行胶封处理。

一种采场围岩受力特性和振动特性实时观测的可回收式采集仪的使用方法，其应用于上述所述的可回收式采集仪，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：

步骤一、根据矿山实际情况和需求，选择合适的采场、巷道地点进行监测设备的布置，同时确定监测设备布置的数量数目。

步骤二、进行采集仪的组装，将涨壳锚头与头部连杆进行连接；校准应力传感器和振动传感器后，将振动传感器放置在应力传感器中部的凹槽中，连接同轴导线固定后，套上保护套筒，安装上止动圆环后与头部连杆进行连接；应力传感器下端与尾部连杆进行连接，为了保证装置能够可靠的进行回收，连接处进行胶固处理。

步骤三、进行采集仪的安装，首先钻凿钻孔，将步骤二中组装的采集仪整体装入钻孔，然后手持尾部连杆进行左旋，使涨壳锚头涨开与岩石紧密贴合形成端部锚固力；待端部形成足够大的锚固力后，在尾部连杆下端安装上托盘和螺母，使尾部连杆上的托盘与围岩贴合后，拧紧螺母，将应力传感器和振动传感器通过无线数据采集模块与数据集成装置进行连接，对监测设备进行现场调试，并记录起始监测数据。

步骤四、将数据集成装置与井下通讯网络连接，测试地表终端接收数据情况。

步骤五、安装与调试工作完毕后，开始长时间持续监测工作；当围岩发生变形时，应力感应器和振动传感器收集顶板中的地压信息，通过有线网络传输给地表终端，地表计算机终端根据监测到的应力和振动数据对采场顶板的安全性进行评估。

有益效果

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本发明综合了应力和振动数据两种有效数据的监测手段，解决了传统地压监测只能依托单项数据的弊端，为矿山合理支护工作提供理论和数据支持，提高安全性的同时避免过度支护和滞后支护。

(2)本发明可以根据矿山已有的支护设备进行改造，大幅度降低监测工作的成本，依靠井下通讯网络可以实现采场大范围连续监测，提高了地压监测的灵活性和可靠性

(3)本发明实现了数据采集、传输和集成的自动化和持续化，使监测工作不再依赖现场人工采集，只要有完善的后续通讯网络，则可以轻易实现在地表开展顶板围岩监测工作，节省矿山的人力物力，有利于提高监测工作的安全性和效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的应力传感器结构图；

图3为本发明的数据采集示意图。

其中：1-涨壳锚头；2-头部连杆；3-止动圆环；4-应力传感器；4.1-台阶；4.2-凹槽；5-振动传感器；6-保护套筒；7-无线数据采集模块；8-尾部连杆；9-托盘；10-螺母；11-数据集成装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例一

一种采场围岩受力特性和振动特性实时观测的可回收式采集仪，如图1-2所示，包括涨壳锚头1、头部连杆2、止动圆环3、应力传感器4、振动传感器5、保护套筒6、无线数据采集模块7、尾部连杆8、托盘9、螺母10，所述应力传感器4上端通过左旋螺纹与头部连杆2连接，所述头部连杆2顶端安装有涨壳锚头1，所述应力传感器4下端通过左旋螺纹与尾部连杆8连接，连接处进行胶水紧固，在所述尾部连杆8下端安装托盘9和螺母10，所述应力传感器中部呈中空筒状，所述中空筒状底部设置有向外突出的台阶4.1，所述中空筒状上部设置凹槽4.2，所述振动传感器5安装于所述凹槽4.2内，所述保护套筒6套设于所述应力传感器中部，下端抵接于所述台阶4.1上，在所述保护套筒6上端安装止动圆环3，所述尾部连杆8内置无线数据采集模块7。

进一步地，所述头部连杆2和尾部连杆8外部均设置有热缩管包裹，以降低环境对锚杆的腐蚀。

进一步地，所述应力传感器4下端的左旋螺纹开孔，所述振动传感器5和应力传感器4的导线从孔出引出，连接至所述无线数据采集模块7。

进一步地，在采场外设置数据集成装置11，所述无线数据采集模块7接收振动传感器5和应力传感器4发送的数据信号，并传输给数据集成装置11，所述数据集成装置11对数据按照设置的时间间隔和标准进行集成和整理，完成数据的连续采集和集成，最后通过井下光缆发送到地表的计算机终端进行分析。

进一步地，当固定在岩层钻孔中的头部连杆2受到岩层变形产生拉应力作用时，所述应力传感器4通过感知应力大小产生相对应频率的振弦信号，在通电的情况下，振弦信号以相同频率电信号的形式输出。

进一步地，所述振动传感器4通过记录岩层断裂产生的振动，监测数据以相应的电流信号输出，从而获得任意时间岩层能量变化与岩层破坏情况，以对岩层安全性进行预估和评价。

进一步地，所述保护套筒6由钢质材料制成，两端连接处进行胶封处理。具体为：保护套筒6下端抵接于应力传感器4的台阶4.1，与应力传感器4进行胶结，而另一端，保护套筒6套在应力传感器4上之后，要在上端安装止动圆环3，以抵住保护套筒6，再拧上头部连杆2，这一端的胶结是保护套筒6、止动圆环3、应力传感器4三者之间的胶封，以对应力传感起到防水防腐防冲击的作用。

本发明的工作原理是：所述采集仪安装完成后，调试数据传输功能并打开电源进行连续监测，在采场围岩受力发生变形时，采集仪上的振动传感器5和应力感应器4能监测到应力和振动信号并转换成相应的电信号，携带数据的电信号通过无线数据采集模块7在数据集成装置11中集成，再通过井下光缆传输到地表计算机进行整理和分析，基于监测数据对采场围岩进行实时监测预警。

下面对本实施例中各部件尺寸和功能做详细的说明：

所述涨壳锚头1涨壳前最大直径39mm，涨壳后最大直径45mm，有利于发挥最大锚固力的钻孔直径为42mm左右，长度15mm；材质为钢；在受到头部连杆2的左旋推进时，两侧夹具向上移动，与岩石紧密贴合形成锚固力。

所述头部连杆2用于连接应力传感器4和振动传感器5，使采集仪通过涨壳锚头1锚固安装在采场顶板岩层中，外部有热缩管包裹，降低环境对锚杆的腐蚀作用。

本实施例中，所述头部连杆2长度700mm，公称直径25mm，极限抗拉强度180kn，为左旋螺纹，齿高1.5mm，螺距12.7mm，上端与涨壳锚杆1进行连接，下端与应力传感器4连接；可以根据矿山的实际情况，对现有的支护锚杆进行改造生产，大幅度降低地压监测工作的成本。

所述止动圆环3厚度5mm，内径20mm，外径36mm，当保护套筒6套设于应力传感器4上后，安装在应力传感器4和保护套筒6上面，再在应力传感器4上端安装头部连杆2，所述止动圆环3一方面是便于振动传感器5安装，另一方面是使头部连杆2和应力传感器4连接可靠；

所述应力传感器4由设计定制加工而成，长度175mm，上端和下端分别设置左旋螺纹，其中下端左旋螺纹开孔，应力传感器中部呈中空筒状，所述中空筒状底部设置有向外突出的台阶4.1，台阶处直径为36mm，所述中空筒状上部设置凹槽4.2，用于安装振动传感器5，应力传感器4的导线以及振动传感器5的同轴导线都从下端左旋螺纹的开孔中引出，与尾部连杆8中的无线数据采集模块7连接，所述应力传感器4采用振弦理论设计，能测得最大应力260mpa，具有高灵敏度与高精度、全数字信号检测，长距离传输不失真等优点。

所述振动感应器5采用不锈钢制成，进行冲击测量，为单轴向压电加速度式，可以记录岩层断裂产生的振动，监测数据以相应的电流信号输出，从而获得任意时间岩层能量变化与岩层破坏情况，以此对岩层安全性进行预估和评价。

所述保护套筒6由不锈钢制成，硬度高，长度175mm，外径36mm，内径32mm，壁厚2mm，下端抵接于所述应力传感器的台阶4.1上，上端安装止动圆环3，再加以头部连杆2进行螺纹紧固，起到保护应力传感器4和振动传感器5的作用。

所述尾部连杆8长度800mm，公称直径25mm，极限抗拉强度180kn，为左旋螺纹，齿高1.5mm，螺距12.7mm，通过与应力传感器4的左旋螺纹连接将锚杆整体引出到孔外，同时自身包裹有热缩管来进行防腐防水，再配合托盘9以及螺母10在钻孔口处与围岩锚固，使监测设备整体在岩层中受到拉应力的作用。

实施例二

如图3所示，为本发明的使用方法示意图。所述一种采场围岩受力特性和振动特性实时观测的可回收式采集仪的使用方法的步骤是：

步骤一、根据矿山实际情况和需求，选择合适的采场、巷道地点进行监测设备的布置，同时确定监测设备布置的数量数目。

步骤二、进行采集仪的组装，将涨壳锚头1与头部连杆2进行连接；校准应力传感器4和振动传感器5后，将振动传感器5放置在应力传感器4中部的凹槽4.2中，连接同轴导线固定后，套上保护套筒6，安装上止动圆环3后与头部连杆2进行连接；应力传感器4下端与尾部连杆8进行连接，为了保证装置能够可靠的进行回收，连接处进行胶固处理。

步骤三、进行采集仪的安装，首先钻凿钻孔，将步骤二中组装的采集仪整体装入钻孔，然后手持尾部连杆8进行左旋，使涨壳锚头1涨开与岩石紧密贴合形成端部锚固力；待端部形成足够大的锚固力后，在尾部连杆8下端安装上托盘9和螺母10，使尾部连杆上的托盘9与围岩贴合后，拧紧螺母10，将应力传感器4和振动传感器5通过无线数据采集模块7与数据集成装置11进行连接，对监测设备进行现场调试，并记录起始监测数据。

步骤四、将数据集成装置11与井下通讯网络连接，测试地表终端接收数据情况。

步骤五、安装与调试工作完毕后，开始长时间持续监测工作；当围岩发生变形时，应力感应器4和振动传感器5收集顶板中的地压信息，通过有线网络传输给地表终端，地表计算机终端根据监测到的应力和振动数据对采场顶板的安全性进行评估。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。