[發(fā)明專利]一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方法及其預(yù)警裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310209132.4
• 申請日: 2023-03-07
• 公開（公告）號: CN116104579A
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孟波;鐘凱;劉盛東;靖洪文;李曉昭;陳萬輝;尹乾;宋永明;許國安;齊燕軍;王迎超;方堯
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué);徐州萬測礦山科技有限公司
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18
• 代理公司: 南京思宸知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32548
• 代理人: 陳常美

1.一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于：包括巷道圍巖(1)和巷道頂板(2)，所述巷道頂板(2)上均勻固定設(shè)有若干檢測裝置(4)，所述檢測裝置(4)包括電磁激振器和刺入式振動拾取儀，所述電磁激振器的上端對應(yīng)設(shè)有安全防護(hù)組件，所述刺入式振動拾取儀和巷道頂板(2)之間通過氣密連接組件相連，所述安全防護(hù)組件和氣密連接組件相互連接，所述巷道頂板(2)的側(cè)壁處還固定設(shè)有頻譜分析儀(3)，用于接收、處理振動數(shù)據(jù)，且可以智能判斷、燈光警報顯示、播報預(yù)警信號；

所述電磁激振器包括沖擊力錘套筒(12)，所述沖擊力錘套筒(12)內(nèi)設(shè)有電源與通信模塊(15)，所述電源與通信模塊(15)的上端連接設(shè)有沖擊力錘(16)，所述沖擊力錘套筒(12)的內(nèi)壁處設(shè)有勵磁線圈(14)，用于在勵磁線圈(14)的作用下產(chǎn)生沖擊動能；

所述刺入式振動拾取儀包括固定插桿(10)和基座，所述固定插桿(10)中均布壓電傳感元件(11)，所述基座中裝有電源與通信模塊(15)；

所述頻譜分析儀(3)外部包圍設(shè)有防爆保護(hù)箱(8)，所述防爆保護(hù)箱(8)的側(cè)壁處固定設(shè)有信號增益天線(5)，所述頻譜分析儀(3)的側(cè)壁處設(shè)有信號顯示屏(9)、蜂鳴播報器(6)和多個按鍵(7)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于：所述氣密連接組件包括設(shè)置在巷道頂板(2)內(nèi)的插孔(18)，所述固定插桿(10)插入插孔(18)內(nèi)，所述插孔(18)的底壁兩側(cè)連通設(shè)有連通腔(19)，遠(yuǎn)離電磁激振器一端的連通腔(19)的下端固定設(shè)有密封板(20)，所述密封板(20)處卡接設(shè)有單向閥(33)，用于連通腔(19)內(nèi)的氣體排出并防止外界氣體從單向閥(33)處進(jìn)入到連通腔(19)內(nèi)，另一個所述連通腔(19)的側(cè)壁處固定設(shè)有固定板(21)，所述固定板(21)的下壁處連通設(shè)有連通筒(22)，所述連通筒(22)和連通腔(19)相互連通，所述連通筒(22)內(nèi)密封滑動設(shè)有密封滑板(23)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于：所述安全防護(hù)組件包括六個固定設(shè)置在沖擊力錘(16)上壁處的轉(zhuǎn)軸(24)，所述轉(zhuǎn)軸(24)上轉(zhuǎn)動設(shè)有伸縮桿(25)，所述沖擊力錘套筒(12)的上端開口處固定設(shè)有固定架(26)，所述伸縮桿(25)的另一端穿過固定架(26)，且伸縮桿(25)的上端處轉(zhuǎn)動設(shè)有連接塊(27)，所述連接塊(27)的上端固定設(shè)有固定塊(29)，所述固定塊(29)的上端固定設(shè)有防塵板(30)，所述固定架(26)的上壁固定設(shè)有滑塊(34)，所述防塵板(30)的下壁內(nèi)對應(yīng)設(shè)有滑槽(35)，所述滑塊(34)滑動設(shè)置在滑槽(35)內(nèi)，六個防塵板(30)共同組成圓形，且六個防塵板(30)靠在一起時將沖擊力錘套筒(12)的上端遮蓋。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于：所述密封滑板(23)的下端轉(zhuǎn)動設(shè)有阻尼伸縮桿(31)，所述阻尼伸縮桿(31)的另一端轉(zhuǎn)動設(shè)有連接桿(28)，所述連接桿(28)和連接塊(27)固定連接，所述巷道頂板(2)的下壁上固定設(shè)有限位桿(32)，所述連接桿(28)滑動貫穿限位桿(32)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于：所述電磁激振器和刺入式振動拾取儀的下端共同固定設(shè)有裝置底板(17)，且電磁激振器和刺入式振動拾取儀之間固定設(shè)有隔振墊層(13)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方法及其預(yù)警裝置，其特征在于：所述頻譜分析儀(3)內(nèi)含有信號收發(fā)模塊、頻譜分析系統(tǒng)以及蜂鳴報警系統(tǒng)，所述信號收發(fā)模塊可以通過發(fā)射無線信號實現(xiàn)信號的傳輸，同時還配備USB插口，用于通過電纜線實現(xiàn)與電磁激振器和刺入式振動拾取儀的連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于：所述頻譜分析儀(3)將收到的振動信號進(jìn)行FFT變換，識別巷道頂板(2)振動的特征頻率，并將處理結(jié)果通過信號顯示屏(9)顯示出來。

8.一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方法，應(yīng)用于如權(quán)利1-7任一項所述的一種巷道冒頂災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于：包括以下步驟：

S1，首先在待檢測巷道區(qū)段對5倍巷道半徑高度頂板范圍進(jìn)行鉆孔窺視和取芯，選取巖體質(zhì)量指數(shù)(RQD)90％且近30天內(nèi)頂板單日下沉速率小于4mm的區(qū)域的巖石試樣進(jìn)行特征頻率測試，將測試結(jié)果作為圍巖健康狀態(tài)下的基準(zhǔn)值，將特征頻率的85％作為圍巖失穩(wěn)前的預(yù)警值，以此設(shè)置圍巖特征頻率變化閾值區(qū)間，并平均劃分5個安全等級。

S2，將刺入式振動拾取儀與電磁激振器組合裝置通過氣密連接組件布置在巷道頂板(2)的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，然后根據(jù)巷道頂板(2)巖性特征在頻譜分析儀(3)中輸入電磁激振器的沖擊擋位與特征頻率變化閾值區(qū)間；

S3，通過頻譜分析儀(3)的控制按鈕向電磁激振器發(fā)出激勵指令，隨即電磁激振器對巷道頂板(2)施加沖擊荷載，帶動安全防護(hù)組件運轉(zhuǎn)，且刺入式振動拾取儀在達(dá)到振動速度拾取閾值時自動拾取振動信號，并將振動數(shù)據(jù)發(fā)送到頻譜分析儀的儲存空間；

S4，根據(jù)獲取的振動信號能量特征，可調(diào)節(jié)電磁激振器的沖擊能檔位；

S5，刺入式振動拾取儀設(shè)有自適應(yīng)速度拾取閾值，可以忽略巖體內(nèi)部的微小振動信號，減少數(shù)據(jù)的處理時間和儲存空間，當(dāng)頂板巖體內(nèi)部產(chǎn)生破碎，巖體結(jié)構(gòu)的自振頻次和能量會隨之產(chǎn)生較大起伏，當(dāng)振動特征頻率超過預(yù)設(shè)閾值，振動拾取儀會將振動信號采集并傳送到頻譜分析儀中，作為冒頂危險發(fā)生預(yù)警的前兆信號；

S6，頻譜分析儀(3)在收到振動信號后，會對振動信號進(jìn)行濾波處理，接著對經(jīng)過預(yù)處理的振動信號進(jìn)行FFT變換；

S7，通過對頂板巖體結(jié)構(gòu)的振動信號的頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，巖體結(jié)構(gòu)的振動頻率變化在一定的范圍內(nèi)上下浮動，當(dāng)結(jié)構(gòu)的振動頻率突然產(chǎn)生大幅度的波動時，預(yù)示著巖體內(nèi)部存在破壞裂隙正在發(fā)展，當(dāng)頂板巖體的振動頻率變化超過預(yù)警閾值區(qū)間時，說明巷道存在冒頂?shù)娘L(fēng)險，頻譜分析儀會觸發(fā)蜂鳴報警系統(tǒng)，向技術(shù)人員發(fā)出預(yù)警信號，以及時對該區(qū)域的頂板巖體施加加固措施。