一种矿山巷道顶板离层的实时监测和预警装置的制作方法

本发明属于矿山巷道的实时监测和预警装置领域。具体涉及一种矿山巷道顶板离层的实时监测和预警装置。

背景技术：

在地下矿山开采中，巷道或采场顶板岩体或充填体的离层、变形破坏是地下矿山主要的安全隐患之一。随着科技的发展，越来越多的新技术应用到矿山的生产建设中，有效地预防了矿山开采过程中可能出现的安全事故，尤其是通过巷道或采场围岩变形监测可以有效预测巷道或采场的变形破坏情况，从而为地下矿山安全生产提供技术保障。

如“一种巷道冒顶监测预警仪”(cn202274954u)专利技术，该技术虽能同时完成锚杆受力和离层现象监测，能够实时读取现场锚杆受力和离层数据，但由于仪器结构精细复杂，不易安装和操作，难以适应地下复杂多变的环境，且易产生误动，故而不能精确地监测矿山巷道顶板的离层现象。

又如“一种巷道顶板变形预警装置”(cn106351696b)和“顶板离层仪”(cn201320311166.6)专利技术，该专利技术的装置设计虽结构简单，易于安装维修，但预警的准确性不高，不能根据井下现场情况，对易出现离层的区域进行针对性的监测，也无法进行数据实时监测和传输，不能实现安全系统联网实时监测和预警。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种易于安装、维修方便，准确性高、可靠性强、能实时监测和实时数据传输，能够提前预警的矿山巷道顶板离层的实时监测和预警装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

所述实时监测和预警装置包括主分节锚杆、锚杆套筒、位移传感器、中空金属杆、套筒底座、副分节锚杆、圆盘、托盘、数据处理终端和声光报警器。

所述托盘为长方体，长方体的中心处开有中心孔，中心孔的两侧对称地设有条形孔。

主分节锚杆的下端和锚杆套筒的上端螺纹连接，锚杆套筒的下端与套筒底座固定连接；主分节锚杆的下端面中心位置处装有位移传感器，中空金属杆的上端与位移传感器的下端通过螺钉固定连接，中空金属杆的下端穿过套筒底座的中心孔与托盘通过螺母固定连接；副分节锚杆穿过托盘两侧的条形孔通过螺母与托盘固定连接。

托盘的下平面安装有数据处理终端和声光报警器；位移传感器的信号传输线穿过中空金属杆与数据处理终端连接，数据处理终端与声光报警器连接。

所述数据处理终端包括收发模块、单片机、锂电池供电模块、串行时钟芯片、状态选择拨码开关、硬件看门狗芯片、eeprom存储芯片、晶体数码管和信号传输模块组成。

收发模块的输出端rxd1、txd1与单片机的输入端txd1、rxd1对应连接；单片机的引脚p0.0～p0.7与锂电池供电模块的引脚db0～db7对应连接，单片机的引脚p1.0、p1.1与串行时钟芯片的引脚scl2、sda2对应连接，单片机的引脚p1.2～p1.7与状态选择拨码开关的引脚sw0～sw5对应连接，单片机的引脚res、p2.0的与硬件看门狗芯片的引脚res、wdt对应连接，单片机的引脚p2.1、p2.2与eeprom存储芯片的引脚scl1、sda1对应连接，单片机的引脚p4.0～p4.7与晶体数码管的端口a～g对应连接，单片机的引脚p2.3～p2.6与晶体数码管的端口wel1～wel4对应连接，单片机的引脚txd、rxd与信号传输模块的引脚rxd、txd对应连接；信号传输模块采用zigbee技术外接井上的上位机。

收发模块的输入端a与位移传感器的输出端va连接，单片机的引脚txd2、rxd2与声光报警器的引脚rxd2、txd2对应连接。

所述主分节锚杆由上往下依次为主顶节锚杆、主中间节锚杆和主尾节锚杆，主中间节锚杆为0～2节；主分节锚杆的每节直径相同，主分节锚杆的每节间通过螺纹连接。

主顶节锚杆的顶部为圆锥形，紧靠圆锥形的顶节锚杆上部杆体设有大螺纹或倒钩，主顶节锚杆的下端面中心位置处设有螺孔；主中间节锚杆的上端面中心位置处设有螺柱，主中间节锚杆的下端面中心位置处设有螺孔；主尾节锚杆的上端面中心位置处设有螺柱，主尾节锚杆下部设有外螺纹，主尾节锚杆下端面的中心位置设有万用接头螺孔。

所述锚杆套筒为圆管状，长度为450～2450mm，圆管的壁厚为5～10mm；圆管上部设有内螺纹，圆管上部的内螺纹与主分节锚杆的尾节锚杆的外螺纹名义尺寸相同；圆管的下端设有外螺纹，圆管下端的外螺纹与套筒底座的内螺纹名义尺寸相同。

所述套筒底座为外径相同的圆环和圆形板构成的整体，所述圆环的内壁设有内螺纹。

所述副分节锚杆由上往下依次为副顶节锚杆、副中间节锚杆和副尾节锚杆，副中间节锚杆为0～2节；副分节锚杆的每节直径相同，副分节锚杆每节间通过螺纹连接。

副分节锚杆的副顶节锚杆、副中间节锚杆与主分节锚杆对应的主顶节锚杆、主中间节锚杆的结构相同，副尾节锚杆上端的中间位置处设有螺柱，副尾节锚杆从下端往上设有外螺纹，外螺纹的长度为副尾节锚杆杆身0.7～0.8倍。

本发明的使用方法是：

先将副分节锚杆的副顶节锚杆、副中间节锚杆和副尾节锚杆由上往下依次进行组装，将主分节锚杆的主顶节锚杆、主中间节锚杆和主尾节锚杆由上往下依次进行组装；再将位移传感器安装在主分节锚杆的主尾节锚杆下端面的万用接头螺孔中，中空金属杆的上端与位移传感器的下端螺钉连接，主分节锚杆的主尾节锚杆下端和锚杆套筒的上端螺纹连接，锚杆套筒的下端与套筒底座固定连接，位移传感器的信号传输线穿过中空金属杆。

然后在矿山巷道顶板需检测的位置处打一个主锚杆孔，在主锚杆孔的两侧对称地打有副锚杆孔，三个锚杆孔的孔心连线为同一直线；副分节锚杆打入孔的深度以圆盘的位置作为标准，圆盘设置于副分节锚杆的顶节锚杆的尾端；再将主分节锚杆打入主锚杆孔中，将副分节锚杆分别打入两侧的副锚杆孔。然后将两根副分节锚杆分别穿过托盘两侧对应的条形孔，将中空金属杆穿过托盘的中心孔，上下移动托盘使位移传感器调至初始位置，依次拧紧中空金属杆的螺母和副分节锚杆7的螺母。

当主分节锚杆的主顶节锚杆的顶点所在水平面与副分节锚杆的副顶节锚杆的顶点所在水平面的中间区域发生离层现象时，固定在矿山巷道顶板深层的主分节锚杆不会发生移动，而固定在矿山巷道顶板浅层的副分节锚杆随着离层的岩体一起移动，拉动托盘和中空金属杆，托盘和中空金属杆的位移会使位移传感器通过中空金属杆内的信号传输线将位移信号传输到数据处理终端中，数据处理终端一方面把位移变化的数值通过晶体数码管实时显示出来，另一方面通过信号传输模块把位移信号传送到井上的上位机，达到实时监测的目的。当位移传感器监测到的位移数值超过现场工作人员以矿山巷道顶板离层临界值作为参照所设定的阈值时，数据处理终端的单片机会自动使声光报警器报警。

由于采用了上述方案，本发明具有以下积极效果：

本发明能根据现场的实际情况，选择主分节锚杆和副分节锚杆打入矿山巷道顶板的不同深度，能更加有针对性的对矿山巷道顶板较容易出现离层的区域进行实时监测；本发明的各零部件间的连接多采用螺纹连接，易于安装、便于维修。

本发明对于矿山巷道顶板位移的监测主要是通过浅层岩体处的副分节锚杆拉动位移传感器来实现的，监测数据精度高；监测矿山巷道顶板离层现象的位移量程大和重复性精度高：位移量程为0～1000mm,重复性精度为0.01mm。

本发明的数据处理终端中包含了信号传输模块、晶体数码管和单片机，使得监测数据能实时显示和传输，并能够根据不同矿山环境设置不同的报警阈值，使用范围广；数据处理终端中的单片机能自动使声光报警器报警，实现全自动智能化监测与预警。

因此，本发明具有易于安装、维修方便、准确性高、可靠性强、监测量程大、能实时监测、实时数据传输和能够提前预警的特点，适用于矿山巷道顶板离层的实时监测预警。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为图1中托盘8的结构示意图；

图3为图1中数据处理终端9的系统示意图；

图4为图1中主分节锚杆1的主顶节锚杆的形状示意图；

图5为图1中主分节锚杆1的主中间节锚杆的形状示意图；

图6为图1中主分节锚杆1的主尾节锚杆的形状示意图；

图7为图1中副分节锚杆7的副顶节锚杆的形状放大示意图；

图8为图1中副分节锚杆7的副中间节锚杆的形状放大示意图；

图9为图1中副分节锚杆7的副尾节锚杆的形状放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种矿山巷道顶板离层的实时监测和预警装置。如图1所示，所述实时监测和预警装置包括主分节锚杆1、锚杆套筒2、位移传感器3、中空金属杆4、套筒底座5、副分节锚杆7、圆盘6、托盘8、数据处理终端9和声光报警器10。

如图2所示，所述托盘8为长方体，长方体的中心处开有中心孔，中心孔的两侧对称地设有条形孔。

如图1所示，主分节锚杆1的下端和锚杆套筒2的上端螺纹连接，锚杆套筒2的下端与套筒底座5固定连接；主分节锚杆1的下端面中心位置处装有位移传感器3，中空金属杆4的上端与位移传感器3的下端通过螺钉固定连接，中空金属杆4的下端穿过套筒底座5的中心孔与托盘8通过螺母固定连接；副分节锚杆7穿过托盘8两侧的条形孔通过螺母与托盘8固定连接。

如图1所示，托盘8的下平面安装有数据处理终端9和声光报警器10；位移传感器3的信号传输线穿过中空金属杆4与数据处理终端9连接，数据处理终端9与声光报警器10连接。

如图3所示，所述数据处理终端9包括收发模块11、单片机18、锂电池供电模块13、串行时钟芯片14、状态选择拨码开关15、硬件看门狗芯片16、eeprom存储芯片17、晶体数码管19和信号传输模块12组成。

如图3所示，收发模块11的输出端rxd1、txd1与单片机18的输入端txd1、rxd1对应连接；单片机18的引脚p0.0～p0.7与锂电池供电模块13的引脚db0～db7对应连接，单片机18的引脚p1.0、p1.1与串行时钟芯片14的引脚scl2、sda2对应连接，单片机18的引脚p1.2～p1.7与状态选择拨码开关15的引脚sw0～sw5对应连接，单片机18的引脚res、p2.0的与硬件看门狗芯片16的引脚res、wdt对应连接，单片机18的引脚p2.1、p2.2与eeprom存储芯片17的引脚scl1、sda1对应连接，单片机18的引脚p4.0～p4.7与晶体数码管19的端口a～g对应连接，单片机18的引脚p2.3～p2.6与晶体数码管19的端口wel1～wel4对应连接，单片机18的引脚txd、rxd与信号传输模块12的引脚rxd、txd对应连接；信号传输模块12采用zigbee技术外接井上的上位机。

如图3所示，收发模块11的输入端a与位移传感器3的输出端va连接，单片机18的引脚txd2、rxd2与声光报警器10的引脚rxd2、txd2对应连接。

如图1所示，所述锚杆套筒2为圆管状，长度为450～1450mm，圆管的壁厚为5～8mm；圆管上部设有内螺纹，圆管上部的内螺纹与主分节锚杆1的尾节锚杆的外螺纹名义尺寸相同；圆管的下端设有外螺纹，圆管下端的外螺纹与套筒底座5的内螺纹名义尺寸相同。

所述套筒底座5为外径相同的圆环和圆形板构成的整体，所述圆环的内壁设有内螺纹。

如图1所示，所述主多节锚杆1由上往下依次为主顶节锚杆、主中间节锚杆和主尾节锚杆，主中间节锚杆为0节；主分节锚杆1的每节直径相同，主分节锚杆1的每节间通过螺纹连接。

如图4所示，主顶节锚杆的顶部为圆锥形，紧靠圆锥形的顶节锚杆上部杆体设有大螺纹或倒钩，主顶节锚杆的下端面中心位置处设有螺孔；如图5所示，主中间节锚杆的上端面中心位置处设有螺柱，主中间节锚杆的下端面中心位置处设有螺孔；如图6所示，主尾节锚杆的上端面中心位置处设有螺柱，主尾节锚杆下部设有外螺纹，主尾节锚杆下端面的中心位置设有万用接头螺孔。

如图1所示，所述副分节锚杆7由上往下依次为副顶节锚杆、副中间节锚杆和副尾节锚杆，副中间节锚杆为0节；副分节锚杆7的每节直径相同，副分节锚杆7每节间通过螺纹连接。

如图7～图9所示，副分节锚杆7的副顶节锚杆、副中间节锚杆与主分节锚杆1对应的主顶节锚杆、主中间节锚杆的结构相同，副尾节锚杆上端的中间位置处设有螺柱，副尾节锚杆从下端往上设有外螺纹，外螺纹的长度为副尾节锚杆杆身0.7～0.8倍。

本实施例用于我国某金属矿山，具体使用方法是：先将副分节锚杆1的副顶节锚杆和副尾节锚杆进行组装，将主分节锚杆1的主顶节锚杆和主尾节锚杆进行组装；再将位移传感器3安装在主分节锚杆1的主尾节锚杆下端面的万用接头螺孔中，中空金属杆4的上端与位移传感器3的下端螺钉连接，主分节锚杆1的主尾节锚杆下端和锚杆套筒2的上端螺纹连接，锚杆套筒2的下端与套筒底座5固定连接，位移传感器3的信号传输线穿过中空金属杆4。

如图1所示，然后在矿山巷道顶板需检测的位置处打一个主锚杆孔，在主锚杆孔的两侧对称地打有副锚杆孔，三个锚杆孔的孔心连线为同一直线；副分节锚杆7打入孔的深度以圆盘6的位置作为标准，圆盘6设置于副分节锚杆7的顶节锚杆的尾端；再将主分节锚杆1打入主锚杆孔中，将副分节锚杆7分别打入两侧的副锚杆孔。然后，将两根副分节锚杆7分别穿过托盘8两边对应的条形孔，将中空金属杆4穿过托盘8的中心孔，上下移动托盘(8)使位移传感器3调至初始位置，依次拧紧中空金属杆4的螺母和副分节锚杆7的螺母。

当主分节锚杆1的主顶节锚杆的顶点所在水平面和副分节锚杆7的副顶节锚杆的顶点所在水平面的中间区域发生离层现象时，固定在矿山巷道顶板深层的主分节锚杆1不会发生移动，固定在矿山巷道顶板浅层的副分节锚杆7随着离层的岩体一起移动，拉动托盘8和中空金属杆4，托盘8和中空金属杆4的位移会使位移传感器3通过中空金属杆4内的信号传输线将位移信号传输到数据处理终端9中，数据处理终端9一方面把位移变化的数值通过晶体数码管19实时显示出来，另一方面通过信号传输模块12把位移信号传送到井上的上位机，达到实时监测的目的。当位移传感器3监测到的位移数值超过现场工作人员以矿山巷道顶板离层临界值作为参照所设定的阈值时，数据处理终端9的单片机18会自动使声光报警器10报警。

实施例2

一种矿山巷道顶板离层的实时监测和预警装置。本实施例除下述外，其余同实施例1：

所述锚杆套筒2为圆管状，长度为1450～2450mm，圆管的壁厚为7～10mm。

所述主多节锚杆1由上往下依次为主顶节锚杆、主中间节锚杆和主尾节锚杆，主中间节锚杆为1节或2节。

所述副分节锚杆7由上往下依次为副顶节锚杆、副中间节锚杆和副尾节锚杆，副中间节锚杆为1节或2节。本实施例用于我国某煤矿，具体的使用方法是。先将副分节锚杆1的副顶节锚杆、1节或2节副中间节锚杆和副尾节锚杆由上往下依次进行组装；将主分节锚杆1的主顶节锚杆、1节或2节主中间节锚杆和主尾节锚杆由上往下依次进行组装。再将位移传感器3安装在主分节锚杆1的主尾节锚杆下端面的万用接头螺孔中，中空金属杆4的上端与位移传感器3的下端螺钉连接，主分节锚杆1的主尾节锚杆下端和锚杆套筒2的上端螺纹连接，锚杆套筒2的下端与套筒底座5固定连接，位移传感器3的信号传输线穿过中空金属杆4。

然后在矿山巷道顶板需检测的位置处打一个主锚杆孔，在主锚杆孔的两侧对称地打有副锚杆孔，三个锚杆孔的孔心连线为同一直线；副分节锚杆7打入孔的深度以圆盘6的位置作为标准，圆盘6设置于副分节锚杆7的顶节锚杆的尾端；再将主分节锚杆1打入主锚杆孔中，将副分节锚杆7分别打入两侧的副锚杆孔。然后，将两根副分节锚杆7分别穿过托盘8两边对应的条形孔，将中空金属杆4穿过托盘8的中心孔，上下移动托盘8使位移传感器3调至初始位置，依次拧紧中空金属杆4的螺母和副分节锚杆7的螺母。

当主分节锚杆1的主顶节锚杆的顶点所在水平面和副分节锚杆7的副顶节锚杆的顶点所在水平面的中间区域发生离层现象时，固定在矿山巷道顶板深层的主分节锚杆(1)不会发生移动，固定在矿山巷道顶板浅层的副分节锚杆7随着离层的岩体一起移动，拉动托盘8和中空金属杆4，托盘8和中空金属杆4的位移会使位移传感器3通过中空金属杆4内的信号传输线将位移信号传输到数据处理终端9中，数据处理终端9一方面把位移变化的数值通过晶体数码管19实时显示出来，另一方面通过信号传输模块12把位移信号传送到井上的上位机，达到实时监测的目的。当位移传感器3监测到的位移数值超过现场工作人员以矿山巷道顶板离层临界值作为参照所设定的阈值时，数据处理终端9的单片机18会自动使声光报警器10报警。

本具体实施方式具有以下积极效果：

本具体实施方式能根据现场的实际情况，选择主分节锚杆1和副分节锚杆7打入矿山巷道顶板的不同深度，能更加有针对性的对矿山巷道顶板较容易出现离层的区域进行实时监测；本发明的各零部件间的连接多采用螺纹连接，易于安装、便于维修。

本具体实施方式对于矿山巷道顶板位移的监测主要是通过浅层岩体处的副分节锚杆7拉动位移传感器3来实现的，监测数据精度高；监测矿山巷道顶板离层现象的位移量程大和重复性精度高：位移量程为0～1000mm,重复性精度为0.01mm。

本具体实施方式的数据处理终端9中包含了信号传输模块12、晶体数码管19和单片机18，使得监测数据能实时显示和传输，并能够根据不同矿山环境设置不同的报警阈值，使用范围广；数据处理终端9中的单片机18能自动使声光报警器10报警，实现全自动智能化监测与预警。

因此，本具体实施方式具有易于安装、维修方便、准确性高、可靠性强、监测量程大、能实时监测、实时数据传输和能够提前预警的特点，适用于矿山巷道顶板离层的实时监测预警。