一种基于支架阻力监测的冲击地压在线监测系统及监测方法与流程

本发明涉及采矿工程技术领域，特别涉及一种基于支架阻力监测的冲击地压在线监测系统及监测方法。

背景技术：

近年来的我国煤矿冲击地压灾害愈发严重，国内外已针对冲击地压监测预警开展广泛的研究，在冲击地压监测预警方法与装备方面取得众多有益的成果。在冲击地压危险监测预警方法与装备方面，主流应力场监测包括:钻屑法、在线应力法、矿压观测法、弹性波和震动波ct法等;主流震动场监测包括:微震法、声发射、电磁辐射等。

实践证明，由于冲击地压的复杂性，上述单一方法均难以做到对冲击地区的准确预警，而考虑多种方法的多参量综合监测预警更为科学。其中钻屑法、在线应力法、微震法使用最为广泛。在线应力法是基于“当量钻屑量原理”和“多因素耦合”的冲击地压危险性确定方法。其基本原理是岩层运动、支承压力、钻屑量与钻孔围岩应力之间的正相关关系。通过实时在线监测工作面前方采动应力场的变化规律，找到高应力区及其变化趋势，实现冲击地压危险区和危险程度的实时监测预警和预报。具体做法是在煤层中埋设钻孔应力计，配合数据采集、传输、处理等系统实现在线监测，其监测的对象为巷道两侧煤岩体。

在煤矿冲击地压防治过程中需要在采煤工作面两侧的巷道内布置超前液压支架，在实际监测预警工作中发现，超前液压支架支护阻力与巷道两侧煤岩体内钻孔应力计监测数值呈现完全的正相关，当煤层厚度较大，煤体单轴抗压强度相差较大时，首先出现煤体应力显著增加及变形的是单轴抗压强度较低的部位，此时若钻孔应力计埋设在强度较大的煤体内，其监测效果相对超前液压支架支护阻力不够敏感。其次，超前液压支架支护阻力直接反应处巷道顶底板煤岩体受力特征，对于冲击地压常见的瞬间底鼓、顶板下沉等，超前液压支架支护阻力监测显得更为直接。最后，由于超前液压支架需要随着工作面的回采而不断移动，对于非自移式超前液压支架，频繁移动时需准确记录实际安装位置，否则对危险区域的判别将出现偏差。

技术实现要素：

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种基于支架阻力监测的冲击地压在线监测系统及监测方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于支架阻力监测的冲击地压在线监测系统，包括位于地面上的地面处理系统和设置井下的超前液压支架阻力在线监测装置、支架定位系统，所述超前液压支架阻力在线监测装置、支架定位系统分别连接井下光纤环网和井下隔爆型本安电源；所述超前液压支架阻力在线监测装置包括超前液压支架、安装在超前液压支架上的支架压力传感器、安装于工作面巷道帮部的数据采集器、井下分站，所述支架定位系统包括标识卡、读卡分站。

进一步的，所述支架压力传感器安装在超前液压支架的立柱压力接口上，数据采集器与井下分站之间、井下分站与井下光纤环网之间均通过信号电缆ⅰ连接.

进一步的，所述井下分站通过供电电缆ⅱ与井下隔爆型本安电源连接。

进一步的，所述数据采集器、读卡分站分别通过供电电缆i与井下隔爆型本安电源连接，读卡分站通过信号电缆ⅱ连接井下光纤环网。

进一步的，所述每台超前液压支架上安装一个支架压力传感器、一个标识卡。

进一步的，所述数据采集器和读卡分站每隔100-200m安装于工作面巷道的帮部。

本发明还提供了一种基于支架阻力监测的冲击地压在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤一、将超前液压支架安装于工作面巷道内，支架压力传感器将实时测得的压力信号转换为电信号传输给数据采集器；

步骤二、数据采集器通过信号电缆ⅰ将步骤一的电信号传至井下分站，信号经井下分站处理后经信号电缆ⅰ传输至井下光纤环网；

步骤三、标识卡和读卡分站采用基于极窄脉冲的超宽带uwb射频信号通信，读卡分站实时接收标识卡的信号，并通过信号电缆ⅱ输送给井下光纤环网；

步骤四、光纤环网将超前液压支架阻力在线监测装置及支架定位系统实时监测数据传输至地面处理系统，进行转换、分析，实时监测每台超前液压支架实时支护阻力及具体位置。

进一步的，所述步骤一中，支架压力传感器按照采样时间检测一次压力变化，当相邻两次检测到的数字压力计差值≥触发阈值时，触发数字压力计记录并存储一次有效数据，当差值≤触发阈值时,此时数字压力计不记录，超过30秒仍不超过阈值，30秒触发记录一次有效数据。

与现有技术相比，本发明的有益之处为：

1、对于中、厚煤层，不同层位煤体单轴抗压强度相差较大时，相对煤体应力监测，超前液压支架支护阻力监测对巷道围岩应力集中程度更为敏感、更为直接；

2、本发明支架压力传感器按照设置的采样时间检测一次压力变化，当相邻两次检测到的数字压力计差值≥触发阈值时，触发支架压力传感器记录并存储一次有效数据。对于超前液压支架的降架—移架—升架的工况捕捉，急增阻—微增阻—恒阻的阻力变化捕捉以及安全阀开启溢液的捕捉能够比传统的定时采集更精确与直观；

3、通过安装支架定位系统，系统自动记录超前液压支架频繁移动条件下具体位置，减少现场劳动强度，提高监测精度；

4、本发明，扩展了冲击地压监测预警方法种类，通过巷道超前液压支架阻力在线监测并实现支架的自动定位，以找到高应力区及其变化趋势，实现冲击地压危险区和危险程度的实时监测预警和预报。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明的安装示意图；

图3为本发明实施案例中的超前液压支架结构示意图。

图中，1、超前液压支架阻力在线监测装置，2、支架定位系统，3、支架压力传感器，4、数据采集器，5、井下分站，6、标识卡，7、读卡分站，8、井下隔爆型本安电源，9、井下光纤环网，10、信号电缆ⅰ，11、信号电缆ⅱ，12、供电电缆i，13、供电电缆ⅱ，14、超前液压支架，15、工作面巷道，16、地面处理系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1-3所示，一种基于支架阻力监测的冲击地压在线监测系统，包括位于地面上的地面处理系统16和设置井下的超前液压支架阻力在线监测装置1、支架定位系统2。所述超前液压支架阻力在线监测装置1、支架定位系统2分别连接井下光纤环网9和井下隔爆型本安电源8；所述超前液压支架阻力在线监测装置1包括超前液压支架14、安装在超前液压支架14的立柱压力接口上的支架压力传感器3、安装于工作面巷道15帮部的数据采集器4、还有井下分站5，其中，超前液压支架14安装在采煤工作面两侧的工作面巷道15内，超前液压支架14根据煤矿自身实际条件选择相对应的规格、型号，支架压力传感器3可将压力信号转换为电信号，数据采集器4可无线接收支架压力传感器3的电信号。所述数据采集器4与井下分站5之间、井下分站5与井下光纤环网9之间均通过信号电缆ⅰ10连接；井下分站5通过供电电缆ⅱ13与井下隔爆型本安电源8连接。

所述支架定位系统2包括标识卡6、读卡分站7。数据采集器4、读卡分站7均通过供电电缆i12与井下隔爆型本安电源8连接，读卡分站7通过信号电缆ⅱ11连接井下光纤环网9。所述每台超前液压支架14上安装一个支架压力传感器3、一个标识卡6。所述数据采集器4和读卡分站7每隔100-200m安装于工作面巷道15的帮部。

本发明还提供了一种基于支架阻力监测的冲击地压在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤一、将超前液压支架14安装于工作面巷道15内，支架压力传感器3将实时测得的压力信号转换为电信号传输给数据采集器4；

步骤二、数据采集器4通过信号电缆ⅰ10将步骤一的电信号传至井下分站5，信号经井下分站5处理后经信号电缆ⅰ10传输至井下光纤环网9；

步骤三、标识卡6和读卡分站7采用基于极窄脉冲的超宽带uwb射频信号通信，读卡分站7实时接收标识卡6的信号，并通过信号电缆ⅱ11输送给井下光纤环网9；

步骤四、光纤环网9将超前液压支架阻力在线监测装置1及支架定位系统2实时监测数据传输至地面处理系统16，进行转换、分析，实时监测每台超前液压支架14实时支护阻力及具体位置，当超前液压支架14支护阻力超过设定阈值时，自动报警。

采煤工作面在回采工程中，受后采空区超前支承压力、侧向支承压力等影响，工作面巷道15超前一定范围内巷道围岩应力集中程度不断增大，安装于工作面巷道15内两侧的超前液压支架14支护阻力随之升高，此时支架压力传感器3可将实时的压力信号转换为电信号。因此，步骤1中，支架压力传感器3按照设置的采样时间检测一次压力变化，采样时间为秒级。

当相邻两次检测到的数字压力计差值≥触发阈值时，触发数字压力计记录并存储一次有效数据，当差值≤触发阈值时,此时数字压力计不记录，超过30秒仍不超过阈值，30秒触发记录一次有效数据，时间间隔也可根据实际需求进行设置其他的时间。程序采用数据智能过滤算法，既保证压力值变化捕捉，又有效避免数据冗余。数据采集器4可无线接收支架压力传感器3的电信号，并通过信号电缆10传至井下分站5，信号经井下分站5处理后经信号电缆i10传输至地面井下光纤环网9。

在步骤四中，通过测量uwb信号在多个标识卡6和读卡分站7之间往返的飞行时间tof，按照设定好的读卡分站坐标位置，准确计算标示卡具体位置，从而实现厘米精度的距离/位置测量，当超前液压支架14移动时，读卡分站7可实时接收信号并分析标识卡6的具体位置，进而监测到安装标识卡6的超前液压支架14的具体位置，监测精度可达30mm以内。

本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，不能理解为对发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。