專利名稱：煤巖體強度智能化測試技術(shù)及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量煤巖體強度的智能化測試技術(shù)及裝置，它屬于煤巖體強度測試技術(shù)領(lǐng)域。
眾所周知，采礦工程的主要對象是巖石(包括煤炭)，破壞煤巖和防止煤巖的破碎是采礦工程所特有的矛盾，正確地評價煤巖堅固性和準確地測定煤巖堅固性指標，是處理這一矛盾的前提。煤和瓦斯突出是礦井生產(chǎn)中嚴重的自然災害之一，煤和瓦斯突出的發(fā)生與發(fā)展是由地應力、瓦斯和煤體的物理力學性質(zhì)這三大要素綜合作用的結(jié)果。在預測預報瓦斯突出方法的研究方面，基本上都是直接或間接地測試反映這三大要素的參數(shù)入手的。就測試煤體的力學性質(zhì)而言，目前，還沒有簡便易行、準確可靠、統(tǒng)一的標準方法。
在我國采礦工程界常用來測定煤巖體強度和堅固性系數(shù)的主要方法是普氏堅固性系數(shù)法，該方法所測定的值，實際上反映的是煤的抗破碎的能力，而不是在突出的發(fā)生與發(fā)展過程中起重要作用的煤體強度。此外還有單軸抗壓強度，點載荷強度，回彈硬度，侵入硬度，碎屑法，切削法，鑿巖比功等方法，它們的不足之處在于1.不能直接量測工作面前方煤巖體的堅固性系數(shù)和力學指標;
2.不能進行多點連續(xù)測試;
3.測試過程復雜，設(shè)備龐大;
4.數(shù)據(jù)處理技術(shù)落后;
5.測試過程中影響正常的生產(chǎn)作業(yè)。
針對以上測試技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是研究一種測試技術(shù)現(xiàn)代化，數(shù)據(jù)采集計算機化，測試過程與采掘工作能同時進行，并隨著工作面的不斷推移可連續(xù)多點測試的新技術(shù)。
本發(fā)明的目的是通過下述方案實現(xiàn)的
旋轉(zhuǎn)式電鉆在煤巖體內(nèi)鉆孔的過程，是鉆頭刀刃連續(xù)切剝煤巖體的過程，通過力學分析，理論推導和實驗研究建立起鉆頭上轉(zhuǎn)矩與煤巖體強度之間，鉆頭上轉(zhuǎn)矩與電機輸入電功率之間的關(guān)系式。因此，通過測試電機輸入的電功率和解算已建立的數(shù)學模型，就可以測定被切剝的煤巖體強度值。
測試鉆頭上轉(zhuǎn)矩的大小通過下述途徑實現(xiàn)。鉆頭上轉(zhuǎn)矩是由電機輸出軸上轉(zhuǎn)矩提供的，而電機輸出軸上轉(zhuǎn)矩的大小，又影響電機輸入能量的變化。但是，電機輸入電功率的大小，并不直接與電機輸出軸上轉(zhuǎn)矩的大小成一元線性關(guān)系，而是受多種因素影響，比如電動機的定子和轉(zhuǎn)子電流的變化將會引起電動機定、轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗的變化。電機輸出軸上轉(zhuǎn)矩與鉆頭上轉(zhuǎn)矩之間并不是固定不變的關(guān)系，而是受鉆孔深度影響和被切剝煤體強度影響的。比如、鉆桿與鉆孔壁之間摩擦阻力矩就是隨鉆孔深度增加而變化的，鉆機自牽引系統(tǒng)的牽引力也是一個變化的量。
由上所述可見、由普通的測試儀表和測試方法是無法通過測量輸入電切率的值求得煤巖體強度的值。本發(fā)明是通過下述技術(shù)途徑實現(xiàn)上述目的。
首先，在理論分析和實驗研究的基礎(chǔ)上建立測試系統(tǒng)的數(shù)學模型，數(shù)學模型中考慮了不同因素在不同階段對測試系統(tǒng)的影響，采用信息反饋技術(shù)和分段測試的工藝過程，消除不同階段不同因素的影響。
第二、采用先進的微處理器智能化測試技術(shù)，實時采集數(shù)據(jù)，實時處理數(shù)據(jù)，實時解算測試系統(tǒng)數(shù)學模型，求解出被切剝煤巖體強度值，并根據(jù)測得的電量值，應用電機負載和空載特性曲線對電機定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗和電機的機械損耗等進行實時處理。隨鉆機鉆進測得的不同點的煤巖體強度值、存貯在內(nèi)存中，在需要時顯示和打印出測定的煤巖體強度值。
第三、采用合理的測試工藝過程，消除一些因素對測試系統(tǒng)的影響。
1.測定出鉆頭(1)空轉(zhuǎn)時，電機輸出軸上的轉(zhuǎn)矩，作為初始數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中。
2.鉆頭連續(xù)切剝煤巖時，應用前面所述測試技術(shù)，隨鉆孔的深入，每隔一段距離(5厘米左右)、距離可任選、測定出一個被切剝處煤巖體強度值，而這個測定值是分布在5厘米長度內(nèi)40多個連續(xù)測試值的平均值。用這個值表征該處煤巖強度，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，在不同點上測定的煤巖強度值可直接由點陣液晶顯示器顯示出，并存貯在內(nèi)存中。內(nèi)存的測定值，在需要時可打印出。
3.在完成一段較大范圍連續(xù)測試后，測試段長度可任意選擇，在煤體中可達幾十米。在鉆孔底部、鉆頭(1)空轉(zhuǎn)時測試電機輸出軸上的轉(zhuǎn)矩與第一步測定的初始值相結(jié)合，可確定出鉆桿與鉆孔壁摩擦阻力矩，然后由微處理器對已測試的強度值進行誤差修正。經(jīng)過修正的強度值存在內(nèi)存中，需要時可打印出，也可顯示出。
在現(xiàn)場測試中，智能化測試系統(tǒng)可適當遠離電鉆的工作位置，可實現(xiàn)遠距離測試。
第四，智能化測試系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，硬件系統(tǒng)可由單板機、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換板和信號調(diào)節(jié)電路組成，也可由單片機與外圍芯片開發(fā)成智能化測試儀表組成。目前，我們正在應用MCS-51系列單片機開發(fā)專門的測試煤巖體強度的智能化儀表。其性能大大優(yōu)于由TP801B單板機等組成的測試系統(tǒng)。
下面結(jié)合附圖
和單板機與模數(shù)轉(zhuǎn)換板等組成的測試系統(tǒng)對本發(fā)明作進一步描述。
附圖為煤巖體強度智能化測試技術(shù)及裝置的示意圖。它由鉆頭(1)、三通(2)、鉆桿(3)、注氣器(4)、電機(5)、電纜(6)、控制手輪(7)、支承架(8)、導塵管(9)、進氣管(10)、除塵器(11)、導軌(12)、信號調(diào)節(jié)裝置、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及接口電路板和TP801B單板機組成。智能化測試系統(tǒng)中還配備編制的4K字節(jié)的軟件測試程序。實現(xiàn)了煤巖體強度智能化測試的目的。在實驗室條件下，對本發(fā)明進行了模擬實驗考查和研究。
結(jié)果表明1.測試數(shù)據(jù)的離散性比其它礦山巖石性質(zhì)參數(shù)的測試數(shù)據(jù)和小、2.測試系統(tǒng)能正確反映出試塊強度上的變化、3.本發(fā)明能夠直接測定出受地應力、瓦斯壓力、地質(zhì)構(gòu)造等因素作用下煤巖體的強度，能正確反映出地壓、瓦斯對煤巖體強度的影響，4.測試過程簡單，對生產(chǎn)影響較小。本發(fā)明首次實現(xiàn)了煤巖體強度連續(xù)、準確智能化測試。
本發(fā)明具有廣闊的應用前景。目前我們正在從事專門的智能化儀表研究，并已搞出由MCS-51系列單片機開發(fā)出的智能化儀表樣機。在采礦工程的各個領(lǐng)域，特別是在煤和瓦斯突出機理和預報方法的研究上具有重要的意義。目前我們承擔的“八五”攻關(guān)項目和博士點基金項目，都是以本發(fā)明作為技術(shù)基礎(chǔ)的。本發(fā)明的實際應用必將改變目前煤和瓦斯突出預報方法和預報技術(shù)的落后面貌，使煤巖體強度測試技術(shù)和煤與瓦斯突出預報方法現(xiàn)代化、智能化。為煤礦生產(chǎn)和安全的現(xiàn)代化做貢獻。
權(quán)利要求
1.一種用于測量煤巖體強度的智能化測試方法，其特征在于將新的測試原理，先進的智能化測試技術(shù)，完整的測試裝置和測試工藝過程結(jié)合在一起，相輔相成購成一種新的測量方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖體強度智能化測試方法，其特征在于測試原理為電鉆鉆孔的過程，是鉆頭刀刃連續(xù)切剝煤巖的過程，通過力學分析得出鉆頭上轉(zhuǎn)矩與被切剝煤巖強度之間的關(guān)系。經(jīng)過理論推導、實驗研究，建立起鉆頭轉(zhuǎn)矩與電機輸入電功率之間的數(shù)學模型。微處理器測試系統(tǒng)，實時采集、處理數(shù)據(jù)、實時解算已建立的數(shù)學模型，并應用信息反饋技術(shù)和合理的測試工藝過程，分階段消除各種因素對測試系統(tǒng)的影響。通過直接測定電機輸入電功率，測定出被切剝煤巖體的強度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的煤巖體強度智能化測試方法，其特征在于采用信息反饋技術(shù)和分段測試工藝過程消除不同因素對測試系統(tǒng)的影響，應用電機負載特性曲線和空載特征曲線，根據(jù)測定的電量變化值消除定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗和電機機械損耗，按照分段測試的工藝過程可以消除鉆桿與鉆孔壁摩擦阻力矩對測定數(shù)據(jù)的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的煤巖體強度的智能化測試方法，其特征在于分段測試工藝過程是，首先測定電鉆空轉(zhuǎn)時電機輸出軸轉(zhuǎn)矩值，作為初始值存在內(nèi)存中;第二、電鉆開始鉆孔時，隨鉆孔的深入，每隔一定距離(距離長短可選定)測定出被切剝煤巖的強度值并將該值存在內(nèi)存中，該值是分布在這間隔上多次測試值的平均值，具有代表性。鉆孔不同深度處的煤巖體強度值被連續(xù)測定出;第三、在完成一段距離的測試后，測定鉆頭在孔底空轉(zhuǎn)時電機輸出軸轉(zhuǎn)矩，并且結(jié)合初始值，消除鉆桿與鉆孔壁之間摩擦阻力矩對測定的煤巖體強度值的影響，經(jīng)修正的強度值存在內(nèi)存中，在需要時可顯示和打印出。
5.一種用于測量煤巖體強度的智能化測試裝置，其特征在于該裝置由電機、鉆桿、鉆頭、支承架、導軌、鏈條和微處理器測試系統(tǒng)組成，鉆桿(3)安裝注氣器(4)，壓縮空氣由注氣器進入，由鉆頭(1)通氣孔排出，用此風力排鉆粉;在鉆孔的孔口位置安裝三通接頭(2)，除塵器(11)通過導塵管(9)與三通接頭(2)連接，鉆機有自牽引機構(gòu)，鉆機(5)由控制輪(7)控制前進或后退。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤巖體強度的智能化測試裝置，其特征在于鉆機具有自牽引結(jié)構(gòu)，它由電鉆減速箱，轉(zhuǎn)動齒輪、鏈條、導軌組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤巖體強度的智能化測試裝置，其特征在于微處理器測試系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)由單片機開發(fā)的智能化儀表組成或由單板機、模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路板和信號調(diào)節(jié)電路組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種智能化測量煤巖體強度的測試技術(shù)及裝置，它由旋轉(zhuǎn)式電鉆，供風系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)及微處理器測試系統(tǒng)組成，根據(jù)鉆頭切剝煤巖時的受力分析，理論推導和實驗研究，建立起被切剝煤巖體強度與電機輸出軸轉(zhuǎn)矩的數(shù)學模型，應用先進的智能化測試技術(shù)和合理的測試工藝過程，形成了一種能夠在現(xiàn)場條件下對煤巖體強度進行連續(xù)智能化測試的新方法及裝置。
文檔編號G01N3/00GK1059599SQ91108169
公開日1992年3月18日 申請日期1991年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月10日
發(fā)明者郭俊峰, 俞啟香 申請人:中國礦業(yè)大學