一種煤礦巷道地質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地質(zhì)參數(shù)檢測測量的技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種煤礦巷道地質(zhì)參數(shù)在線 監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，煤礦井下巷道普遍采用錯桿支護，常用支護方式有人工手鉆和液壓錯桿鉆 機，但錯護參數(shù)設(shè)計仍沿用工程類比法、經(jīng)驗公式法等傳統(tǒng)方法，常出現(xiàn)過錯護或欠錯護情 況，過錯護造成浪費并降低效率，欠錯護使得巷道變形過大甚至造成危險；此外，液壓錯桿 鉆機鉆孔參數(shù)通常設(shè)定后不再更改，只有在出現(xiàn)故障后才人為調(diào)整參數(shù)，存在鉆孔連續(xù)性 差、鉆孔效率低和鉆頭使用壽命短等問題。
[0003] 而目前使用的煤礦井下的參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，如申請?zhí)枮?01210186144. 1的煤礦井 下坑道鉆機多終端參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，只能實現(xiàn)對井下參數(shù)的(壓力、油箱液位、油液溫度、回轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)速等）監(jiān)測和采集，即該系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)控，并不能通過鉆機參數(shù)判斷井下巖石的狀 態(tài)即參數(shù)，從而無法進一步智能調(diào)整井下錯護參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了能及時修正錯護參數(shù)和鉆孔參數(shù)，避免出現(xiàn)過錯護或欠錯護的情況， 提供了一種煤礦巷道地質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種煤礦巷道地質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器檢測元件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和人機界 面，所述的傳感器檢測元件包括進給油缸壓力傳感器、鉆箱馬達壓力傳感器、外置式磁致伸 縮位移傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，進給油缸壓力傳感器安裝于錯桿鉆機的進給油缸進油 口處，鉆箱馬達壓力傳感器安裝于錯桿鉆機的鉆箱馬達進油口處，外置式磁致伸縮位移傳 感器安裝于進給油缸的缸體上，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器安裝于鉆箱馬達的殼體上； 所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊包括接口模塊和微控制器，接口模塊將傳感器檢測元件采集到的 鉆孔參數(shù)隔離轉(zhuǎn)換為電信號，微控制器將經(jīng)過接口模塊轉(zhuǎn)換后的電信號轉(zhuǎn)換為地質(zhì)參數(shù)， 并將地質(zhì)參數(shù)發(fā)送至人機界面進行顯示識別。
[0006] 所述進給油缸的缸體外壁設(shè)有鏈傳動裝置，外置式磁致伸縮位移傳感器通過滑塊 與鏈傳動裝置連接，外置式磁致伸縮位移傳感器上設(shè)有測桿安裝座，測桿安裝座安裝于錯 桿鉆機的框架上。
[0007] 所述的鉆孔參數(shù)包括： 進給油缸的進給力，由進給油缸壓力傳感器測得； 進給油缸的進給速度，通過對錯桿鉆機的鉆頭位置求導(dǎo)數(shù)獲得，鉆頭位置由外置式磁 致伸縮位移傳感器測得； 鉆箱馬達的旋轉(zhuǎn)力矩M，由鉆箱馬達的進油口壓力差值和排量q計算獲得：，鉆箱馬達 進油口壓力差值益多通過鉆箱馬達壓力傳感器測得； 鉆箱馬達的旋轉(zhuǎn)速度，由霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器測得。
[0008] 所述的地質(zhì)參數(shù)包括巖石裂縫位置及其厚度、巖層表面界限及其位置和巖石無側(cè) 限抗壓強度，各地質(zhì)參數(shù)的具體識別方法為： 巖石裂縫位置及其厚度，根據(jù)鉆孔時進給油缸的進給力與錯桿鉆機的鉆頭位置曲線中 出現(xiàn)波谷處的進給力下降幅度和回升時間判斷，若曲線出現(xiàn)波谷并且兩側(cè)對稱，且波谷處 的進給力下降幅度不少于50%，并且Is內(nèi)上升至下降前值，則得出該波谷鉆孔處存在巖石 裂縫，波谷寬度為巖石裂縫厚度； 巖層表面界限及其位置，根據(jù)測得的鉆箱馬達旋轉(zhuǎn)速度求導(dǎo)數(shù)得出旋轉(zhuǎn)加速度一鉆頭 位置曲線，位置曲線圖中出現(xiàn)跳變信號，則判斷存在巖層表面界限，出現(xiàn)跳變信號的鉆孔位 置即為巖層表面界限； 巖石無側(cè)限抗壓強度，根據(jù)傳感器檢測元件所測得的進給油缸進給力F和進給速度 PR, W及鉆箱馬達的旋轉(zhuǎn)力矩T和旋轉(zhuǎn)速度N四個參數(shù)計算得出巖石無側(cè)限抗壓強度S， 式 PRWT)。
[0009] 所述巖石裂縫位置及其厚度還可根據(jù)鉆箱馬達進給速度一鉆頭位置曲線中的速 度波峰來判斷，若出現(xiàn)波峰并且兩側(cè)對稱、波峰處的進給速度上升幅度不少于40%、2s內(nèi)下 降至上升前值，則判斷存在巖石裂縫，波峰寬度為巖石裂縫厚度。
[0010] 所述鉆頭位置參數(shù)采用指數(shù)數(shù)據(jù)平滑的采樣方法，確定某點數(shù)值X，采用該數(shù)值鄰 域的前后各5個數(shù)值，按照不同權(quán)重比加權(quán)得到：
其中:f 1(據(jù)平滑后第i點的數(shù)值； ::?;?.當(dāng)前值第i點前后j點的數(shù)值； 巧當(dāng)前值第i點前后j點數(shù)值所占權(quán)重。
[00川所述5個數(shù)值相對X點由遠至近的權(quán)重范圍為0. 87% -18. 7%。
[0012] 本發(fā)明具有如下有益效果： 1、 本發(fā)明所述監(jiān)測系統(tǒng)通過進給油缸進給力、進給速度、鉆箱馬達旋轉(zhuǎn)力矩和旋轉(zhuǎn)速 度四個鉆孔參數(shù)，可W快速方便地識別出巖石裂縫位置及厚度、巖層表面界限及其位置和 巖石無側(cè)限抗壓強度等巷道地質(zhì)參數(shù)，進而對巷道頂板進行硬度分級，并對巷道地質(zhì)參數(shù) 進行判斷，從而調(diào)整改善錯護參數(shù)和鉆孔參數(shù)，解決了現(xiàn)有采用旋轉(zhuǎn)切削法的錯桿鉆機僅 是單純的錯鉆操作，無法根據(jù)巷道實際地質(zhì)條件進行合理支護的不足和局限； 2、 所述系統(tǒng)通過傳感器檢測元件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊直接將采集的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換顯示于 錯桿鉆車駕駛操作室內(nèi)的人機界面上，為智能錯鉆控制過程，避免了因工作人員施工地操 作過程中存在的安全問題； 3、 本發(fā)明采用了數(shù)據(jù)平滑和采樣的數(shù)據(jù)處理過程，可消除數(shù)據(jù)過度波動和克服數(shù)據(jù)采 集過密的問題，數(shù)據(jù)處理精確度高； 4、 本發(fā)明系統(tǒng)可在現(xiàn)有的錯桿鉆機上加裝相應(yīng)的傳感器，并配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和人機 界面界面即可實現(xiàn)，適于在煤礦等地質(zhì)施工領(lǐng)域推廣使用。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明檢測系統(tǒng)框圖； 圖2為外置式磁致伸縮位移傳感器的安裝示意圖； 圖3為霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的安裝示意圖； 圖4為進給油缸進給力一鉆頭位置的曲線圖； 圖5為數(shù)據(jù)處理后的旋轉(zhuǎn)加速度一鉆頭位置曲線圖； 圖6為巖石無側(cè)限抗壓強度云圖； 圖中：10-錯桿鉆機、11-進給油缸、12-鉆箱馬達、13-進給油缸壓力傳感器、14-鉆箱 馬達壓力傳感器、15-外置式磁致伸縮位移傳感器、16-霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、17-接口模塊、 18-微控制器、19-人機界面、22-鏈傳動裝置、24-測桿安裝座、25-滑塊。
【具體實施方式】
[0014] 結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明： 如圖1所示的煤礦巷道地質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器檢測元件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊 和人機界面19,所述的傳感器檢測元件包括安裝于錯桿鉆機10上的進給油缸壓力傳感器 13、鉆箱馬達壓力傳感器14、外置式磁致伸縮位移傳感器15和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器16,進給 油缸壓力傳感器13安裝于錯桿鉆機10的進給油缸11進油口處，鉆箱馬達壓力傳感器14 安裝于錯桿鉆機10的鉆箱馬達12的A 口和B 口處，外置式磁致伸縮位移傳感器15安裝于 進給油缸11的缸體上，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器16安裝于鉆箱馬達12的殼體上。
[0015] 如圖2所示，所述進給油缸11的缸體外壁設(shè)有鏈傳動裝置22,外置式磁致伸縮位 移傳感器15通過滑塊25與鏈傳動裝置22連接，外置式磁致伸縮位移傳感器15上設(shè)有測 桿安裝座24,測桿安裝座24安裝于錯桿鉆機10的框架上。進給油缸11動作時，帶動鏈傳 動裝置22帶動外置式磁致伸縮位移傳感器15運動，從而利用外置式磁致伸縮位移傳感器 15測得進給油缸11錯桿鉆機的鉆頭位置。
[0016] 所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊包括接口模塊17和微控制器18,接口模塊17將傳感器檢測 元件采集輸出的鉆孔參數(shù)隔離轉(zhuǎn)換為微控制器18能處理的電信號，微控制器18接收接口 模塊17處理后的電信號并進行計算機處理，根據(jù)設(shè)定好的程序?qū)⒔?jīng)過接口模塊17轉(zhuǎn)換后 的電信號轉(zhuǎn)換為工程量形式的地質(zhì)參數(shù)，并將地質(zhì)參數(shù)W數(shù)字和云圖形式發(fā)送至人機界面 19進行顯示識別。
[0017] 本發(fā)明系統(tǒng)通過傳感器獲得的系統(tǒng)參數(shù)(鉆孔參數(shù)）包括： 進給油缸11的進給力，由進給油缸壓力傳感器13獲得； 進給油缸11的進給速度，通過對錯桿鉆機10的鉆頭位置求導(dǎo)數(shù)獲得，所述鉆頭位置由 外置式磁致伸縮位移傳感器15獲得； 鉆箱馬達12的旋轉(zhuǎn)力矩，由鉆箱馬達12的進油口（A 口和B 口）壓力差值么/，和排量q 計算獲得，壓力差值^通過鉆箱馬達壓力傳感器14獲得； 鉆箱馬達12的旋轉(zhuǎn)速度，由霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器16獲得。
[0018] 其中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程包括數(shù)據(jù)平滑和采樣，主要用于消除數(shù)據(jù)過度波動和克 服數(shù)據(jù)采集過密的問題。
[0019] 數(shù)據(jù)平滑方法采用指數(shù)數(shù)據(jù)平滑法，即確定某點數(shù)值采用其鄰域10個值(兩側(cè)各 五個）按照不同權(quán)重比(最遠0. 87%到最近18. 7%)加權(quán)得到：
其中：營數(shù)據(jù)平滑后第i點的數(shù)值，顆0當(dāng)前值第i點前后j點的數(shù)值，當(dāng)前 值第i點前后j點數(shù)值所占權(quán)重。
[0020] 監(jiān)控系統(tǒng)采樣時間設(shè)定為100ms，已經(jīng)完全滿足該系統(tǒng)要求，但是后期數(shù)據(jù)處理會 導(dǎo)致求取衍生參數(shù)精確性問題。經(jīng)過數(shù)據(jù)平滑處理，鉆頭位置參數(shù)已經(jīng)修正，但是一些大的 錯誤仍然存在于鉆頭位置數(shù)據(jù)中。當(dāng)數(shù)據(jù)特別密集時，如鉆孔速度緩慢，相鄰數(shù)據(jù)的差值 (dx )很小，運樣鉆頭位置數(shù)據(jù)如出現(xiàn)錯誤則其導(dǎo)數(shù)錯誤將會非常明顯。為此，在鉆頭位置參 數(shù)（X )處理上應(yīng)用數(shù)據(jù)采樣，即從幾個記錄數(shù)據(jù)中提取一個記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)采樣后，位 置變化量（dx)增大了，運樣就減