[發明專利]一種巷道幫部位移測量設備及方法

有效

• 申請號: 201911116685.5
• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN111006574B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 寧建國;邱鵬奇;李學慧;楊書浩;李壯;沈圳
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02;E21F17/18
• 代理公司: 青島錦佳專利代理事務所(普通合伙) 37283
• 代理人: 邵朋程

1.一種巷道幫部位移測量設備，其特征在于：包括用于發射帶電粒子的粒子發射源、用于篩選出特定速度帶電粒子的第一空間、粒子接收器以及用于將帶電粒子偏轉至粒子接收器上的第二空間；

粒子發射源位于第一空間的一側，第二空間位于第一空間的另一側；粒子發射源與第一外接電源連接，其向第一空間中發射帶電粒子；

在第一空間中設置有第一金屬板和第二金屬板，第一金屬板和第二金屬板平行布置在第一空間的上邊界和下邊界，第一金屬板和第二金屬板連接第二外接電源，且第一金屬板帶正電，第二金屬板帶負電，第一金屬板和第二金屬板之間產生豎直向下的電場；

在第二空間中設置有第三金屬板和第四金屬板，第三金屬板和第四金屬板平行布置在第二空間的左邊界和右邊界，在第三金屬板上還設置有供帶電粒子穿過的通孔；所述粒子接收器布置在第二空間的上邊界處，粒子接收器與外接顯示屏連接；

在第一空間和第二空間位置處還設置有亥姆霍茲線圈，亥姆霍茲線圈通電后在第一空間和第二空間中產生方向為垂直巷道斷面向里的勻強磁場；

所述第四金屬板與固定桿連接，固定桿的固定端插入巷道幫部的穩定巖層中；所述粒子接收器與隨動桿連接，隨動桿的固定端插入巷道幫部的松動巖層中；

所述粒子接收器和隨動桿之間設置有連接板，粒子接收器與連接板的一面連接，隨動桿與連接板的另一面連接；在固定桿和隨動桿之間設置有連接桿，連接桿的兩端設置有導向輪，所述導向輪的輪轂邊緣帶有便于固定桿或隨動桿的桿體嵌入的凹槽；

所述亥姆霍茲線圈包括第一亥姆霍茲線圈、第二亥姆霍茲線圈、第三亥姆霍茲線圈和第四亥姆霍茲線圈，其中第一亥姆霍茲線圈和第二亥姆霍茲線圈分別設置在第一空間的前后面，第三亥姆霍茲線圈和第四亥姆霍茲線圈分別設置在第二空間的前后面。

2.一種巷道幫部位移測量方法，采用如權利要求1所述的設備，其特征在于包括以下步驟：

步驟一，分別將固定桿的固定端與隨動桿的固定端插入巷道幫部的穩定巖層與松動巖層中，使其分別與穩定巖層和松動巖層相對固定；

步驟二，將連接桿的兩個導向輪分別卡入隨動桿和固定桿；

步驟三，接通第一外接電源，使粒子發射源不斷產生速度為v的帶電粒子，所述帶電粒子帶正電，且所帶電荷為q，帶電粒子首先進入第一空間；

步驟四，接通第二外接電源，使第一金屬板帶正電，第二金屬板帶負電，帶電粒子在第一空間中受垂直向下的電場力；所述第一金屬板與第二金屬板之間電壓為U₁，距離為d₁；第一亥姆霍茲線圈和第二亥姆霍茲線圈通電后在第一空間中產生方向為垂直巷道斷面向里的勻強磁場，所述勻強磁場強度為B₁；

所述帶電粒子在第一空間中受到豎直向上的洛倫茲力F_洛1＝B₁vq和豎直向下的電場力F_電＝U₁/d₁×q，二力大小相等，方向相反，即F_洛1＝F_電，所以通過第一空間的帶電粒子速度為v＝U₁/B₁d₁，在第一空間中篩選掉速度不為v的帶電粒子，保證只有速度為v的帶電粒子才能做勻速直線運動通過第一空間，且穿過第三金屬板上的通孔，進入第二空間；

步驟五，所述第三亥姆霍茲線圈和第四亥姆霍茲線圈通電后在第二空間中產生方向為垂直巷道斷面向里的勻強磁場，且勻強磁場強度為B₂，帶電粒子進入第二空間后受到垂直速度運動方向的洛倫茲力F_洛2＝B₂vq后做勻速圓周運動，帶電粒子所受的洛倫茲力提供做勻速圓周運動的向心力，即F_洛2＝F_向，而向心力大小為F_向＝mv²/R，所以帶電粒子做勻速圓周運動的半徑為R＝mv/B₂q，控制圓的半徑R與第三金屬板上的通孔到粒子接收器的距離d₂相同，即R＝d₂，所以帶電粒子做勻速圓周運動后垂直打在粒子接收器上，被粒子接收器接收；

將粒子接收器接通外接顯示屏，使帶電粒子在第二空間中受到垂直速度運動方向的洛倫茲力后垂直偏轉至粒子接收器上，被粒子接收器接收，通過外接顯示屏顯示每次接收粒子的位置情況；

當巷道幫部的松動巖層發生變形產生位移時，隨動桿的固定端隨著巷道幫部松動巖層的運動而產生位移，固定桿的固定端由于固定于穩定巖層，不產生位移；隨動桿產生位移后，通過連接板推動粒子接收器發生位移；由第二空間偏轉至粒子接收器上的帶電粒子源源不斷的被粒子接收器接收，當粒子接收器產生位移后，粒子接收器接收帶電粒子的位置也在不斷變化，并且通過外接顯示屏顯示每次接收粒子的位置情況，通過外接顯示屏，可看出帶電粒子的具體偏轉位置，進而顯示出巷道幫部發生蠕變的位移情況。