分布式动态监测锚杆研发及应用

　　引言

　　我国煤矿灾害威胁严重，顶板事故是我国井工煤矿各类事故中发生频率最高、死亡人数最多的事故[1]。在煤矿顶板事故中，巷道顶板尤其是受采动影响的煤层巷道顶板事故占绝大多数。许多

　　学者研究了煤岩体失稳破坏特点及诱使其失稳的因素，并分析了煤岩体破坏过程中产生的红外、声波、微震、电磁辐射等物理信息及其捕捉技术[3-4]，这些一般为宏观采场回采过程中远场岩层的采动响应监测，如岩层运动、破坏等，或者为实验室模型研究。

　　《煤矿巷道锚杆支护技术规范》等明确要求对锚网支护巷道锚固区进行监测，指出锚杆支护监测分为综合监测和日常监测。

　　综合监测的主要内容为巷道表面位移、围岩深部位移、顶板离层、锚杆工作载荷、锚索工作载荷及喷层受力；日常监测主要内容为顶板离层[5]。在锚杆、锚索工作载荷监测方面，加长或全长锚固锚杆工作载荷采用测力锚杆等监测，端头锚固锚杆的工作载荷采用锚杆测力计等监测。锚索工作载荷采用锚索测力计等监测。但分布式动态监测锚杆研发及应用较少，导致很多顶板致灾灾害前兆信息严重不足，现场顶板灾害防控难度巨大。

　　分布式实时监测测力锚杆研发

　　测力锚杆设计主要分为硬件设计以及嵌入式软件设计，测力锚杆传感器的结构设计可以主要包括如下几个步骤：（1）锚杆开槽，选取粘贴应变片或光纤等感知元件。（2）连接导线。（3）硅胶封槽，组装锚杆和集线盒。锚杆实物如图 1 所示。制备工艺包括：（1）设计专用锚杆夹具、铣槽轨道，开发了锚杆铣槽工装，实现批量化生产。（2）创建多道灌封、高温固化、电子元器件老化等工艺保障感知元件稳定可靠。（3）建立标定工装，基于数学优化技术编制误差矫正算法，测量值误差小于 0.8%。标定工装主要由油泵、轮辐传感器、拉伸机构、机床和固定夹具等构成，标定时锚杆由螺母和固定夹具锁紧，通过拉伸机构拉动锚杆进行测定，轮辐传感器将数据传出，锚杆固定于机床的标定槽内，以模拟岩壁作用。

　　图 1 数字化测力锚杆

　　锚杆测力系统的测量原理及其电路的设计如图 2、3，测量原理以电阻应变片构成的全桥差分电路为基础，当锚杆受力时，桥式电路产生电压差变化，根据电压差对外部受力进行分析和测量。

　　该设计以 STM32F0 芯片为核心，通讯采用 485 总线结构，以芯片作为无线收发模块，同时具有无线接收数据、LCD 显示、报警等功能。该设计主要适用于煤矿巷道中锚杆应力状态的测量。依据监测的应力、轴力、弯矩等多参数信息，系统给出岩体支护参数，并依据反馈的信息及时调整支护设计，为井巷顶板安全预测预报提供了有效方法。

　　图 2 测力锚杆监测原理及硬件架构

　　图 3 监测预警系统部件

　　监测方案设计

　　巷内每隔 200-300m 安设一台移动基站，根据现场实际情况，网络交换机设在巷道内就近接入环网，从交换机引 485 主传输电缆至巷道内的监测分站处，每个分站接入 1 组测站，每组测站连接 1 台分站和电源箱，电源箱和分站接电取巷道照明 127V 供电线路。图 5 为测力锚杆组网系统图。每个测站锚杆布置如图 4，红色锚杆即为监测锚杆，每个测站共布置 7 根，分别按顺时针编号 1-7。

　　中线

　　图 4 测力锚杆布置图

　　图 5 测力锚杆组网系统图

　　锚杆轴力实时监测成果分析

　　掘进期间顶部锚杆轴力沿程分布规律和演化规律号锚杆，为第一测站 6#锚杆，其中 1 号测站地点位于（1）轨顺联络巷拨门口向里 448m 处，面向迎头方向，右顶处，年 3 月 29 日安装，为在原支护处补打锚杆，全长锚固方式。

　　由图 6 锚杆轴力沿程曲线可以看出，锚杆轴力沿呈现单峰分布，峰值点位于孔口向里 1.05m 处，峰值大小 40KN。

　　由图 7 锚杆轴力历时曲线可以看出，在 3 月 29 日起锚杆测点轴力缓慢上升，表现了锚杆对围岩的支护作用，自安装至 6 月日增阻较快，之后趋于平稳，当围岩稳定时，总体来说锚杆增阻平缓，工作阻力较小。

　　图 6 顶板锚杆轴力沿程曲线

　　图 7 顶板锚杆轴力历时曲线

　　采动期间顶部锚杆轴力沿程分布规律和演化规律如图 8 所示，在淮南矿业顾桥矿沿空掘巷巷道发现了强采动影响下锚杆轴力响应规律，测站距开切眼 245m，如图所示，随着工作面开采，锚杆轴力增阻明显，采动对锚杆轴力影响范围可高达 200m，强动压范围内锚杆轴力普遍在 100KN 左右，与未受采动影响阶段相比锚杆轴力提高 3-10 倍。如图可知测力锚杆监测系统实时感知锚杆工况信息，当杆体某处轴力超过安全阈值时，系统会发出安全预警信息。

　　图 8 沿空掘巷工作面回采顶板锚杆轴力时空响应结论

　　得出巷道在掘进及采动期间锚杆轴力响应规律，实测表明采动期间锚杆轴力显著高于掘进期间，采动对锚杆轴力影响范围可高达 200m，强动压范围内锚杆轴力普遍在 100KN 左右，与未受采动影响阶段相比锚杆轴力提高 3-10 倍，研发的监测锚杆可实时感知锚杆工况信息，当杆体某处轴力超过安全阈值时，系统会发出安全预警信息，本文研究成果为动压巷道顶板安全防控提供技术支撑。

　　参考文献

　　郭书英.多基点顶板离层指示仪设计[J].煤炭工程，2017，（03）：

　　侯朝炯.巷道围岩控制[M].中国矿业大学出版社，2015，方新秋，梁敏富，李爽等.智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术[J].煤炭学报，2020，45（01）：

　　王恩元，徐文全，何学秋等.煤岩体应力动态监测系统开发及应用[J].岩石力学与工程学报，2017，36（S2）：

　　施从伟，沈有智.圭山煤矿顶板离层监测与分析[J].矿山安全与环保，2009（08）：

　　作者简介：宫耀（1966-），男，安徽淮南人，高级工程师，研究方向为采矿工程。