基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及矿山安全技术领域，提供一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法。该装置包括吸能防冲锚索、弹簧、环饼式压力传感器、数据采集装置、数据处理系统，具体包括依次共轴套装在钢绞线锚索末端的外套筒、承载限位基座、内套筒、弹簧、环饼式压力传感器、挤胀摩擦头、主动增卸压液压装置、锚索锁具。该方法设计三个锚索长度不同的围岩梯度变形监测装置为一个监测组，设计监测组的空间布置参数后施工，根据环饼式压力传感器监测的压力计算巷道围岩变形量和冲击危险性判别指标来实时判断巷道冲击危险性等级。本发明专利技术能够实现带阻让位测量围岩形变，提高围岩梯度变形监测的精度和巷道冲击地压预警的实时性、准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法
本专利技术涉及矿山安全
，特别是涉及一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法。
技术介绍
煤炭是我国工业的基础，煤炭安全生产、高效利用无疑至关重要。然而，随着我国煤炭开采逐渐向深部发展，煤矿巷道冲击地压灾害成为了煤矿安全生产的重大威胁。冲击地压是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。也就是说，冲击地压的本质是围岩弹性变形能量的突然释放，而弹性变形能是采矿活动导致巷道围岩应力积聚的结果，因此有效监测与分析围岩应力在时间上和空间上的分布及其变化对冲击地压的预警、防治工作显得尤为重要。目前，巷道围岩的应力监测大多采用传统的深浅孔应力计。专利CN102914393B公开了一种主动承压式可定位钻孔应力计及其使用方法，该专利具有主动承压功能，能及时判定动应力的变化规律，全程动态定量监测危险区域的应力变化情况。专利CN103454020B提供一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测系统及方法，该方法能够实时在线监测应力值及其变化。CN108507708A公布了一种煤岩钻孔应力测量装置及其测量方法，其利用悬臂梁结构，可测出煤岩应力变化值，计算出平面最大最小主应力并通过磁传感器判别出主应力方向。以上应力计的设计均从工程实际给出了创新突破。冲击地压巷道开挖后，在采动应力与原岩应力的作用下，巷道围岩在径向方向上形成弹性区、塑性区和破碎区的梯度围岩结构。目前，现有的应力监测装置与方法均监测2～3倍巷道跨度范围内的塑性区和破碎区内围岩垂直于应力计轴向的相对应力。而现场冲击地压监测工程表明，在围岩强度低、损伤劣化的煤层巷道中，2～3倍巷道跨度深的应力计根本无法有效监测出煤体的真实应力变化，甚至随着巷帮移近变形，应力计出现大量应力监测值降低的异常情况。其原因在于：(1)深部煤体巷道围岩更加破碎，围岩松动破碎圈更加发育且常常大于2～3倍巷道跨度，传统应力计本身的缺陷导致其只能安装在钻孔中，而钻孔深度往往达不到深部煤体，导致安装于巷道围岩松动圈中的传统应力计多处于煤岩软化、残余应力环境中，无法有效监测到导致有害弹性变形能积聚的煤岩应力及其变化；(2)传统应力计本身的缺陷导致其只能测量钻孔径向变形，目前还无法有效监测采动应力或是水平构造应力导致的巷道围岩沿钻孔径向压缩的方向的相对应力。而专利CN109209457A提供了一种吸能防冲锚索及其使用方法，但未给出利用其监测巷道围岩变形及进行冲击地压预警的相关方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法，能够利用锚索实现带阻让位测量围岩形变，提高围岩梯度变形监测的精度和巷道冲击地压预警的实时性、准确性，并降低监测和预警成本。本专利技术的技术方案为：一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，其特征在于：包括吸能防冲锚索、弹簧、环饼式压力传感器、数据传输线、数据采集装置、数据处理系统；所述吸能防冲锚索包括钢绞线锚索、吸能防冲装置、主动增卸压液压装置、锚索锁具、承压托盘，所述吸能防冲装置包括外套筒、承载限位基座、内套筒、挤胀摩擦头；所述外套筒、承载限位基座、内套筒、弹簧、环饼式压力传感器、挤胀摩擦头、主动增卸压液压装置、锚索锁具依次共轴套装在钢绞线锚索的末端；所述外套筒为外圆内圆套筒，所述外套筒在首端端面设有与外套筒共轴的直径大于钢绞线锚索直径且小于外套筒内径的第一圆形通孔，所述外套筒在末端加工有外螺纹；所述承压托盘在首端设置为圆柱型连接头、在末端设置为圆柱体或四棱柱体，所述承压托盘上设有与承压托盘共轴的第二圆形通孔，所述第二圆形通孔的位于圆柱型连接头的部分设置有内螺纹；所述外套筒的末端与所述承压托盘的首端通过螺纹相连接；所述承载限位基座为圆柱体，所述承载限位基座上设有与承载限位基座共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第三圆形通孔，所述承载限位基座在末端端面加工有与所述承载限位基座共轴的内径等于内套筒内径且宽度等于内套筒壁厚的环状限位凹槽；所述内套筒坐于所述环状限位凹槽内；所述挤胀摩擦头为首端呈锥形的柱状刚性台，所述挤胀摩擦头上设有与挤胀摩擦头共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第四圆形通孔；所述主动增卸压液压装置的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头的末端端面，所述主动增卸压液压装置在末端通过锚索锁具约束紧固；所述弹簧、环饼式压力传感器设置在所述内套筒内部、所述承载限位基座与挤胀摩擦头之间，所述环饼式压力传感器上设有与环饼式压力传感器共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第五圆形通孔，所述环饼式压力传感器的外径小于所述内套筒的内径；所述挤胀摩擦头上还设置有数据引线孔，所述数据传输线的一端与所述环饼式压力传感器的输出端连接、另一端穿过所述数据引线孔后与所述数据采集装置的输入端连接；所述数据采集装置与所述数据处理系统有线或无线连接。进一步的，所述环饼式压力传感器用于将自身监测到的压力p传输给所述数据采集装置，所述数据采集装置用于将接收到的压力p传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统用于根据压力p计算弹簧的压缩位移用于根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算钢绞线锚索在阻力F作用下产生的位移用于计算围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k为弹簧的劲度系数，L、E、A分别为钢绞线锚索的长度、弹性模量、横截面面积。进一步的，所述主动增卸压液压装置包括缸筒、活塞杆；所述缸筒、活塞杆上均开设有与所述缸筒共轴的圆形通孔；所述活塞杆为工字形，所述缸筒、活塞杆之间形成互不连通的上腔、下腔；所述上腔连通有上腔进油增压管路，所述下腔连通有下腔进油卸压管路；所述活塞杆的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头的末端端面，所述缸筒在末端通过锚索锁具约束紧固。进一步的，所述挤胀摩擦头在末端端面设有退锚螺纹孔。一种使用上述基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1：以三个围岩梯度变形监测装置为一个围岩梯度变形监测组，确定围岩梯度变形监测组内三根钢绞线锚索的长度分别为L1＝n1×R0、L2＝n2×R0、L3＝n3×R0；其中，R0为掘进巷道围岩稳定后在巷帮煤体中部采用钻屑法测量的煤体峰值应力距煤壁的深度，n1、n2、n3均为系数，n1＝1.3～1.5，n2＝0.9～1.0，n3＝0.5～0.7；步骤2：确定围岩梯度变形监测组内长度为L1、L2、L3的钢绞线锚索对应的内套筒的长度分别为(4％～8％)L1、(2％～4％)L2、(1％～2％)L3；步骤3：确定围岩梯度变形监测组的空间布置参数：步骤3.1：对工作面进行冲击危险性初步评价；所述工作面为掘进工作面或采煤工作面；步骤3.2：在掘进工作面滞后迎头5～10m开始、在掘进相反方向上的100～200m范围内布置围岩梯度变形在线测点，在采煤工作面距离工作煤壁前10～20m开始、在采煤方向上的100～300m范围内布置围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，其特征在于：包括吸能防冲锚索、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、数据传输线(17)、数据采集装置、数据处理系统；所述吸能防冲锚索包括钢绞线锚索(2)、吸能防冲装置、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)、承压托盘(1)，所述吸能防冲装置包括外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、挤胀摩擦头(5)；所述外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、挤胀摩擦头(5)、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)依次共轴套装在钢绞线锚索(2)的末端；/n所述外套筒(3)为外圆内圆套筒，所述外套筒(3)在首端端面设有与外套筒(3)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径且小于外套筒(3)内径的第一圆形通孔，所述外套筒(3)在末端加工有外螺纹；所述承压托盘(1)在首端设置为圆柱型连接头、在末端设置为圆柱体或四棱柱体，所述承压托盘(1)上设有与承压托盘(1)共轴的第二圆形通孔，所述第二圆形通孔的位于圆柱型连接头的部分设置有内螺纹；所述外套筒(3)的末端与所述承压托盘(1)的首端通过螺纹相连接；/n所述承载限位基座(8)为圆柱体，所述承载限位基座(8)上设有与承载限位基座(8)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第三圆形通孔，所述承载限位基座(8)在末端端面加工有与所述承载限位基座(8)共轴的内径等于内套筒(4)内径且宽度等于内套筒(4)壁厚的环状限位凹槽；所述内套筒(4)坐于所述环状限位凹槽内；/n所述挤胀摩擦头(5)为首端呈锥形的柱状刚性台，所述挤胀摩擦头(5)上设有与挤胀摩擦头(5)共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第四圆形通孔；所述主动增卸压液压装置(9)的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头(5)的末端端面，所述主动增卸压液压装置(9)在末端通过锚索锁具(18)约束紧固；/n所述弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)设置在所述内套筒(4)内部、所述承载限位基座(8)与挤胀摩擦头(5)之间，所述环饼式压力传感器(10)上设有与环饼式压力传感器(10)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第五圆形通孔，所述环饼式压力传感器(10)的外径小于所述内套筒(4)的内径；所述挤胀摩擦头(5)上还设置有数据引线孔(6)，所述数据传输线(17)的一端与所述环饼式压力传感器(10)的输出端连接、另一端穿过所述数据引线孔(6)后与所述数据采集装置的输入端连接；/n所述数据采集装置与所述数据处理系统有线或无线连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，其特征在于：包括吸能防冲锚索、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、数据传输线(17)、数据采集装置、数据处理系统；所述吸能防冲锚索包括钢绞线锚索(2)、吸能防冲装置、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)、承压托盘(1)，所述吸能防冲装置包括外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、挤胀摩擦头(5)；所述外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、挤胀摩擦头(5)、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)依次共轴套装在钢绞线锚索(2)的末端；
所述外套筒(3)为外圆内圆套筒，所述外套筒(3)在首端端面设有与外套筒(3)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径且小于外套筒(3)内径的第一圆形通孔，所述外套筒(3)在末端加工有外螺纹；所述承压托盘(1)在首端设置为圆柱型连接头、在末端设置为圆柱体或四棱柱体，所述承压托盘(1)上设有与承压托盘(1)共轴的第二圆形通孔，所述第二圆形通孔的位于圆柱型连接头的部分设置有内螺纹；所述外套筒(3)的末端与所述承压托盘(1)的首端通过螺纹相连接；
所述承载限位基座(8)为圆柱体，所述承载限位基座(8)上设有与承载限位基座(8)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第三圆形通孔，所述承载限位基座(8)在末端端面加工有与所述承载限位基座(8)共轴的内径等于内套筒(4)内径且宽度等于内套筒(4)壁厚的环状限位凹槽；所述内套筒(4)坐于所述环状限位凹槽内；
所述挤胀摩擦头(5)为首端呈锥形的柱状刚性台，所述挤胀摩擦头(5)上设有与挤胀摩擦头(5)共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第四圆形通孔；所述主动增卸压液压装置(9)的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头(5)的末端端面，所述主动增卸压液压装置(9)在末端通过锚索锁具(18)约束紧固；
所述弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)设置在所述内套筒(4)内部、所述承载限位基座(8)与挤胀摩擦头(5)之间，所述环饼式压力传感器(10)上设有与环饼式压力传感器(10)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第五圆形通孔，所述环饼式压力传感器(10)的外径小于所述内套筒(4)的内径；所述挤胀摩擦头(5)上还设置有数据引线孔(6)，所述数据传输线(17)的一端与所述环饼式压力传感器(10)的输出端连接、另一端穿过所述数据引线孔(6)后与所述数据采集装置的输入端连接；
所述数据采集装置与所述数据处理系统有线或无线连接。


2.根据权利要求1所述的基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，其特征在于，所述环饼式压力传感器(10)用于将自身监测到的压力p传输给所述数据采集装置，所述数据采集装置用于将接收到的压力p传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统用于根据压力p计算弹簧(7)的压缩位移用于根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算钢绞线锚索(2)在阻力F作用下产生的位移用于计算围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k为弹簧(7)的劲度系数，L、E、A分别为钢绞线锚索(2)的长度、弹性模量、横截面面积。


3.根据权利要求1所述的基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，其特征在于，所述主动增卸压液压装置(9)包括缸筒(12)、活塞杆(11)；
所述缸筒(12)、活塞杆(11)上均开设有与所述缸筒(12)共轴的圆形通孔；
所述活塞杆(11)为工字形，所述缸筒(12)、活塞杆(11)之间形成互不连通的上腔(13)、下腔(14)；所述上腔(13)连通有上腔进油增压管路(15)，所述下腔(14)连通有下腔进油卸压管路(16)；
所述活塞杆(11)的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头(5)的末端端面，所述缸筒(12)在末端通过锚索锁具(18)约束紧固。

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱文，代连朋，潘一山，陈建强，范德威，李康，刘昆轮，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，神华新疆能源有限责任公司，东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21