一种巷道超前段稳定性自动测量车及其使用方法与流程

本发明涉及一种矿业机械，尤其适用于复杂围岩条件下的工作面煤炭开采时的巷道稳定性自动测量车及其使用方法。

背景技术：

采场支护系统由“底板－支架－顶板”所组成，在采动影响及支架(柱)超前支撑压力作用下底板发生位移、变形乃至破坏，巷道底板发生破坏的同时，顶板也发生破坏，甚至发生冒顶事故，底板的破坏会进一步影响采场与巷道的支护效果，支架(柱)可能发生钻底或倾斜，支架(柱)的有效支撑力显著降低，顶板下沉量增大，直接顶发生离层，甚至发生冒顶事故，并且可能导致地下水重新分布，引起突水事故的发生。因此采场支护系统对煤矿安全开采具有重要作用。

因此，为保证支护体的有效支撑能力，针对底板需要研究煤层底板的承载特性,得出底板的刚度及底板比压，针对支架需要确定液压支架能否满足现场要求，针对底板需要科学合理卧底，保证底板刚度和开采要求，如此才能保证采场超前支护系统承载安全。

底板比压测试是对煤层底板进行抗压入特性测试，通过数据分析，计算出底板比压参数。在超前支护段，如果支承超前液压支架的底板为软弱底板，支架接触比压值大于底板容许比压值时，支架底座可能会陷入底板，导致支架不能达到足够的支护阻力，目前国内进行底板比压测试的仪器主要有冲击式底板比压仪和静压式底板比压仪，冲击式底板比压仪适合测量较硬岩层底板的底板比压，仪器精确度不高，并且只用于测量压模压入深度一定范围内的底板比压，测量范围较小，对于本文情况下不合适；静压式底板比压仪适合测量较软岩层底板的底板比压，仪器精确度较高，但是需要工人扛着外注式单体支柱，但是本发明是针对整条巷道底板比压的测试，主要难度有：整条巷道长达2000多米，液压泵站根本无法在这么长的距离为单体支柱提供液压；第二，如果采用手动液压泵，需要补充大量的液压乳化液；第三如此长的距离，还需要携带不同厚度的压模，总共加一起四五十斤，工人工作强度非常大；第四，长距离测量，需要根据当时测量的压模压入量随时更换压模，测量的工作量太大，记录工作繁杂；第五，传统的测量工作并未考虑顶板压坏的可能性，因为在特厚煤层中，巷道顶板为煤，则很多测试是需要考虑顶板压入对比压测试带来的影响。

巷道稳定性主要包括顶板和底板，传统的测试都是顾及到某一方面，如只简单测量部分锚杆锚固力，或者测试少量底板比压值，以此来代替整条巷道的稳定性，在复杂围岩情况下，这种方式是很不严谨的，特别是顶板和底板的测量点往往并不统一，对于巷道断面整体稳定性的测量与评价是很不科学的，实质上在复杂围岩情况下，巷道断面变化值是一个非常重要的参数，但是如何快速，大量，准确的测量测点的断面以及轮廓是很难的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题针对软弱底板条件下，由于工作面采动影响及超前支承压力的影响，沿空顺槽顶板发生下沉、底板发生底鼓的可能性增大，特别是软弱底板刚度低，支架容易发生钻底甚至倾斜，采场支护系统不稳定的问题而研发的一种巷道超前段稳定性自动测量车及其使用方法。

一种巷道超前段稳定性自动测量车，包括车体和可拆卸地固定在其上的改进单体支柱；

所述车体包括车厢板，所述改进单体支柱可拆卸地固定在所述车厢板上，在所述车厢板上还设置有操作机和储物箱，以及与所述操作机相连的位移计量系统、液压计量系统和巷道断面测量系统；所述改进单体支柱分别与所述位移计量系统、所述液压计量系统和所述巷道断面测量系统相连；

所述改进单体支柱由内柱和套设在所述内柱外的外柱构成，所述外柱为一端封闭的中空结构，中空部分为油腔，所述内柱为两端封闭的结构，一端设置有顶板挡板，另一端设置有密封板，所述密封板与所述外柱的非封闭端密封连接，能够沿所述外柱的内壁自由滑动；

所述巷道断面测量系统包括第一水平测距仪、第二水平测距仪和第三水平测距仪，所述第一水平测距仪固定在所述内柱的侧壁的上部，所述第二水平测距仪和所述第三水平测距仪分别固定在所述外柱的侧壁的上部和下部；所述第一水平测距仪与所述内柱的侧壁之间以及所述第二水平测距仪和所述第三水平测距仪与所述外柱的侧壁之间具有间隔。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，所述改进单体支柱竖立时，所述第一水平测距仪距离所述顶板挡板之间的垂直距离为200mm，所述第二水平测距仪距离所述外柱的顶端之间的垂直距离为100mm，所述第三水平测距仪距离所述外柱的底端之间的垂直距离为200mm；

所述第一水平测距仪与所述内柱的侧壁之间以及所述第二水平测距仪和所述第三水平测距仪与所述外柱的侧壁之间的水平距离为150mm。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，所述位移计量系统包括固定点、位移数据线和测量表，所述固定点固定在所述内柱上，所述测量表固定在所述外柱上，所述位移数据线连接所述固定点和所述测量表，所述位移数据线与所述改进单体支柱的轴线方向一致。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，在所述外柱上设置有注液口和放液口，所述液压计量系统包括手动液压箱，在所述手动液压箱上设置有加压杆，所述手动液压箱通过高压注液管与所述注液口连接，通过乳化液回收管与所述放液口连接，在所述注液口处设置有压力传感器，所述操作机分别与所述测量表和所述压力传感器相连。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，所述车体还设置有扶手和轮体，所述轮体包括两个主轮和一个副轮，所述两个主轮设置在所述车厢板下部的中后侧，所述副轮设置在所述车厢板前端的下方，当所述两个主轮和一个副轮均与地面接触时，所述车厢板的前端向下倾斜，所述车厢板与水平面之间的角度为11.3°。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，所述储物箱为设置在所述车厢板上的一个凹槽，在所述储物箱内设置有多个不同规格的压模；

在所述改进单体支柱的下部的所述车厢板上铺设有橡胶垫，在所述橡胶垫的长度方向的两侧设置有多个限位卡托，所述改进单体支柱放置在多个所述限位卡托内，所述操作机可拆卸地固定在所述车厢板上。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，所述放液口与所述顶板挡板之间的距离大于所述注液口与所述顶板挡板之间的距离，并且所述放液口和所述注液口相对设置在所述外柱上。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，所述主轮的直径为1m-1.2m，所述副轮的直径为100mm-150mm，所述副轮的中心与所述主轮的圆心之间的水平距离为1m；

所述内柱和外柱均为圆柱形，所述外柱长度为2.2m，外径为180mm，内径为148mm，所述内柱长度为1.8m，直径为140mm，所述油腔长度为0.6m-2m，直径为148mm；所述改进单体支柱长度为2.4m-3.8m。

本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车，其中，所述顶板挡板为正方形，边长为350-400mm，厚度为10-12mm，材质为钢或铁；所述位移数据线为细钢丝线，直径为0.3mm-0.6mm；

所述压模为a、b、c、d、e共五种，直径分别为50mm、90mm、120mm、160mm和200mm，厚度分别为50mm、40mm、30mm、20mm和10mm。

一种采用本发明所述的巷道超前段稳定性自动测量车进行现场实测整条巷道不同地点底板比压的方法，包括如下步骤：

步骤一、布置测点：地形平整的巷道区域每隔10m布置一个测点，地形坡度大于8°或者20m长度的巷道内，任意两高低处相差500mm的区域每隔5m布置一个测点；

步骤二、测量：采用巷道超前段稳定性自动测量车，将其推送到第一个测点，先清扫底板，将改进单体支柱扶正，保持竖直状态，底板一定要接触完全，

打开高压注液管上的阀门，将改进单体支柱加压使顶板挡板顶到顶板不再变形为宜，按动操作机对测量地点进行数字编号，再按清除键，使位移和压力都设定为零，再设置压模类别，每一种都对应着位移变化阈值；当位移量超过对应阈值，即说明变化量过大，即压模不合适，操作机会显示红色指示灯提醒，这时需更换直径大一号的压模，直至没有红色指示灯亮起时，说明压模可用；按开始键，同时打开高压注液管上的阀门，在操作机屏幕上可以看到压力和位移曲线图，当压力值达到极值并下降到极值的1/3～1/2时，测量工作完成，停止注液，但当压力值未出现极值或者出现极值但压力值还未下降到极值的1/3～1/2时，位移量就已经超过对应阈值，即说明变化量过大，即压模直径仍然偏小，操作机会显示红色指示灯提醒，这时需更换直径大一号的压模，直至没有红色指示灯亮起时，说明压模可用，数据有用；

旋转放液口的旋转按钮，放出乳化液，内柱在重力作用下下沉，当改进单体支柱顶端距离巷道顶板50mm-150mm时，反向旋转放液口的旋转按钮，关闭放液口，同时放倒改进单体支柱到车体上，并运输到下一测点；

测量过程中，注液口内的压力传感器通过油压数据线将压力值以电子信号的形式输入到操作机；测量表中有单片机，位移变化数据以电子信号的形式传输到操作机里，当手动液压箱的压力不够时，采用手动补压，加压要均匀。

步骤三、巷道断面轮廓测量：当所述改进单体支柱处于竖直工作状态时，第一水平测距仪、第二水平测距仪和第三水平测距仪在自身重力之下，会快速调整成竖直状态，释放出水平超声波，超声波遇到巷道帮部会反射回来，从而测量距离，同时所述第一水平测距仪、所述第二水平测距仪和所述第三水平测距仪水平旋转，通过不断检测超神波发射后遇到巷道帮部所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差t，然后求出距离l；同时所述第一水平测距仪、所述第二水平测距仪和所述第三水平测距仪与内柱或者外柱的侧壁之间的间距为150mm，当测量的距离小于300mm时，数据无效，不记录，这样就能够避免超声波测量到改进单体支柱与所述第一水平测距仪、所述第二水平测距仪和所述第三水平测距仪之间的距离，最终一个测点测量的所有距离值中最小的即为巷道的垂直距离，再加上位移计量系统测量巷道的顶板和底板高度，这样巷道测量断面中，上中下三个水平剖面的巷帮距离和顶底板距离都能够记录；

步骤四、所述操作机根据数据，对于顶板和底板任何一方参数值低于安全阈值以下的都会标红并警报，数据能够储存，能够在井上商讨解决和加固方案。本发明软弱底板条件下保证采场支护系统承载安全的方法与现有技术不同之处在于，具有如下优点：

1、研发巷道超前段稳定性自动测量车，循环注液，利用已有的乳化液为全程注液工作服务；

2、巷道超前段稳定性自动测量车上有改进单体支柱，可以保证上千米的工作距离都不需要工人扛单体，极大的减小了工作量和工作强度；

3、巷道超前段稳定性自动测量车上有储物箱，可以运送数十斤的压模和其他测量部件；

4、巷道超前段稳定性自动测量车，可以根据压模标号不同，具有不同的位移阈值，不需要人工的判断压模是否全部进入底板以及是否需要更换压模，全程全自动化测量，大大提高测量精确度，减小工作量；

5、改进单体支柱顶板有加大顶板挡板，确保测量结果不受顶板影响，提高测量准确性；

下面结合附图对本发明的一种巷道超前段稳定性自动测量车作进一步说明。

附图说明

图1为本发明巷道超前段稳定性自动测量车的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明巷道超前段稳定性自动测量车中改进单体支柱的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1-图3所示，一种巷道超前段稳定性自动测量车，包括车体和可拆卸地固定在其上的改进单体支柱；

车体包括车厢板1，改进单体支柱可拆卸地固定在车厢板1上，在车厢板1上还设置有操作机2和储物箱3，以及与操作机2相连的位移计量系统、液压计量系统和巷道断面测量系统；改进单体支柱分别与位移计量系统、液压计量系统和巷道断面测量系统相连；

改进单体支柱由内柱4和套设在内柱4外的外柱5构成，外柱5为一端封闭的中空结构，中空部分为油腔6，内柱4为两端封闭的结构，一端设置有顶板挡板7，另一端设置有密封板8，密封板与外柱5的非封闭端密封连接，能够沿外柱5的内壁自由滑动；

巷道断面测量系统包括第一水平测距仪22、第二水平测距仪23和第三水平测距仪24，第一水平测距仪22固定在内柱4的侧壁的上部，第二水平测距仪23和第三水平测距仪24分别固定在外柱5的侧壁的上部和下部；第一水平测距仪22与内柱4的侧壁之间以及第二水平测距仪23和第三水平测距仪24与外柱5的侧壁之间具有间隔。

改进单体支柱竖立时，第一水平测距仪22距离顶板挡板7之间的垂直距离为200mm，第二水平测距仪23距离外柱5的顶端之间的垂直距离为100mm，第三水平测距仪24距离外柱5的底端之间的垂直距离为200mm；

第一水平测距仪22与内柱4的侧壁之间以及第二水平测距仪23和第三水平测距仪24与外柱5的侧壁之间的水平距离为150mm。

在以上技术方案的基础上，以下为优选技术方案：

位移计量系统包括固定点9、位移数据线11和测量表10，固定点9固定在内柱4上，测量表10固定在外柱5上，位移数据线11连接固定点9和测量表10，位移数据线11与改进单体支柱的轴线方向一致；

在外柱5上设置有注液口12和放液口13，液压计量系统包括手动液压箱14，在手动液压箱14上设置有加压杆15，手动液压箱14通过高压注液管16与注液口12连接，通过乳化液回收管17与放液口13连接，在注液口12处设置有压力传感器，操作机2分别与测量表10和压力传感器相连。放液口13与顶板挡板7之间的距离大于注液口12与顶板挡板7之间的距离，并且放液口13和注液口12相对设置在外柱5上。液压计量系统对于测量整条巷道的效率大大提高，不需要再人为的扛着着乳化液补充，工人工作量大大降低；手动液压箱14上加压杆15可以为手动液压箱14增加压力，打开高压注液管16上的阀门，即可为改进单体支柱注液，改进单体支柱在高压乳化液的作用下，升起内柱4进行测量工作；当旋转放液口13按钮时，改进单体支柱内部乳化液释放，通过乳化液回收管17流进手动液压箱14；进而循环工作。注液口12在靠近手动液压箱14侧，放液口13在注液口12对立侧，注液口12与改进单体支柱顶端的距离小于放液口13与改进单体支柱顶端的距离，主要是因为当改进单体支柱站立工作时，这样的设计能够缩短管路和线路的距离；注液口12和放液口13在改进单体支柱的两侧，是为了安放到车子上时，不会挤压到管路和线路。

车体还设置有扶手18和轮体，轮体包括两个主轮19和一个副轮20，两个主轮19设置在车厢板1下部的中后侧，副轮20设置在车厢板1前端的下方，当两个主轮19和一个副轮20均与地面接触时，车厢板1的前端向下倾斜，车厢板1与水平面之间的角度为11.3°。

储物箱3为设置在车厢板1上的一个凹槽，在储物箱3内设置有多个不同规格的压模；

在改进单体支柱的下部的车厢板1上铺设有橡胶垫，这样可以保证增大摩擦力，避免不必要的晃动，在橡胶垫的长度方向的两侧设置有多个限位卡托21，改进单体支柱放置在多个限位卡托21内，可以保证改进单体支柱内外柱5刚接触平板时刚好被卡住，不会晃动，操作机2可拆卸地固定(比如采用魔术贴固定)在车厢板1上。

主轮19的直径为1m-1.2m，低于1m工人推车需要弯着腰，长距离测量会造成工人师傅过于疲劳，同时井下底板表面不均匀，沟壑，泥水等情况多，车轮太小会卡住。车轮直径太大，在井下狭窄的巷道里不易操作，同时，直径太大造成车身过高，改进单体支柱扶正时不方便，容易造成落地冲击，对线路、管路和工人师傅都有危险。

副轮20的直径为100mm-150mm，副轮20的中心与主轮19的圆心之间的水平距离为1m；车体水平时，副轮20与地面的垂直距离为200mm，副轮20主要作用是改进单体支柱竖直工作时维持车体将近11.3°的平衡，保证手动液压箱14和操作机2正常工作，同时这一角度也能保证改进单体支护由平躺状态转到竖直工作状态时不会与地面发生大的碰撞和冲击。

内柱4和外柱5均为圆柱形，外柱5长度为2.2m，外径为180mm，内径为148mm，内柱4长度为1.8m，直径为140mm，油腔6长度为0.6m-2m，直径为148mm；改进单体支柱长度为2.4m-3.8m。改进单体支柱最大高度可以满足检测巷道的绝大部分区域的要求，对于极少变形剧烈导致巷道高度低于2.8m的区域不予考虑。

顶板挡板7为正方形，边长为350-400mm，厚度为10-12mm，材质为钢或铁，主要目的为增大与顶板表面积，减小压强。在底部压模表面积很大或者底板岩石非常坚硬时，很有可能内柱4顶部表面积太小造成巷道顶板发生破碎等“突变”，“突变”就会造成监测曲线有拐点，会让工作人员误以为是底板比压检测结果，因此顶板挡板7增大与顶板表面积，确保测量结果不受顶板影响，提高测量准确性。

位移数据线11为细钢丝线，直径为0.3mm-0.6mm，延展性极低，即不会因为受力而延伸。位移线可以从测量表中拉伸，也可以随着改进单体支柱收缩而收缩；压模为a、b、c、d、e共五种，直径分别为50mm、90mm、120mm、160mm和200mm，厚度分别为50mm、40mm、30mm、20mm和10mm。

巷道断面测量系统中的第一水平测距仪22、第二水平测距仪23和第三水平测距仪24具有自动调节水平功能，在改进单体支柱处于工作状态时，即尽可能的竖直状态时，三个水平测距仪在自身重力之下，会快速调整成竖直状态，水平测距仪释放出水平超声波，超声波遇到巷道帮部会反射回来，从而测量距离，同时水平测距仪会水平旋转通过不断检测超神波发射后遇到巷道帮部所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差t，然后求出距离l，水平测距仪与柱体之间的间距为150mm，当测量的距离小于300mm时，数据无效，不记录，即这样就可以避免超声波测量到柱体与水平测距仪之间的距离，最终一个测点测量的所有距离值中最小的即为巷道的垂直距离，水平测距仪测量范围0.05-10m，测量精度为±1.5mm，价格便宜，一般100元/个左右。

所有尺寸的设计应该为优选方案，不是对整体技术方案的限制。

实施例2

一种采用本发明的巷道超前段稳定性自动测量车进行现场实测整条巷道不同地点底板比压的方法，包括如下步骤：

步骤一、布置测点：地形平整的巷道区域每隔10m布置一个测点，地形坡度大于8°或者20m长度内，巷道任何高低处相差500mm的区域每隔5m布置一个测点；

步骤二、测量：采用巷道超前段稳定性自动测量车，将其推送到第一个测点，先清扫底板，将改进单体支柱扶正，保持竖直状态，底板一定要接触完全，

打开高压注液管16上的阀门，将改进单体支柱加压使顶板挡板7顶到顶板不再变形为宜，按动操作机2对测量地点进行数字编号，再按清除键，使位移和压力都设定为零，再设置压模类别，每一种都对应着位移变化阈值；当位移量超过对应阈值，即说明变化量过大，即压模不合适，操作机2会显示红色指示灯提醒，这时需更换直径大一号的压模，直至没有红色指示灯亮起时，说明压模可用；按开始键，同时打开高压注液管16上的阀门，在操作机2屏幕上可以看到压力和位移曲线图，当压力值达到极值并下降到极值的1/3～1/2时，测量工作完成，停止注液，但当压力值未出现极值或者出现极值但压力值还未下降到极值的1/3～1/2时，位移量就已经超过对应阈值，即说明变化量过大，即压模直径仍然偏小，操作机会显示红色指示灯提醒，这时需更换直径大一号的压模，直至没有红色指示灯亮起时，说明压模可用，数据有用；

旋转放液口13的旋转按钮，放出乳化液，内柱4在重力作用下下沉，当改进单体支柱顶端距离巷道顶板50mm-150mm时，反向旋转放液口13的旋转按钮，关闭放液口13，同时放倒改进单体支柱到车体上，并运输到下一测点；

测量过程中，注液口12内的压力传感器通过油压数据线将压力值以电子信号的形式输入到操作机2；测量表10中有单片机，位移变化数据以电子信号的形式传输到操作机2里，当手动液压箱14的压力不够时，采用手动补压，加压要均匀；

步骤三、巷道断面轮廓测量：当改进单体支柱处于竖直工作状态时，第一水平测距仪22、第二水平测距仪23和第三水平测距仪24在自身重力之下，会快速调整成竖直状态，释放出水平超声波，超声波遇到巷道帮部会反射回来，从而测量距离，同时第一水平测距仪22、第二水平测距仪23和第三水平测距仪24水平旋转，通过不断检测超神波发射后遇到巷道帮部所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差t，然后求出距离l；同时第一水平测距仪22、第二水平测距仪23和第三水平测距仪24与内柱4或者外柱5的侧壁之间的间距为150mm，当测量的距离小于300mm时，数据无效，不记录，这样就能够避免超声波测量到改进单体支柱与第一水平测距仪22、第二水平测距仪23和第三水平测距仪24之间的距离，最终一个测点测量的所有距离值中最小的即为巷道的垂直距离，再加上位移计量系统测量巷道的顶板和底板高度，这样巷道测量断面中，上中下三个水平剖面的巷帮距离和顶底板距离都能够记录；

步骤四、操作机2根据数据，对于顶板和底板任何一方参数值低于安全阈值以下的都会标红并警报，数据能够储存，能够在井上商讨解决和加固方案。以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。