基于同步监测的锚杆受力监测系统设计.pdf

工矿自动化 In d u s t ryan d Mi n eAu t o mat i o n 第45卷第5期 2019年5月 Vo l . 45 No . 5 May2019 i经验交流t 文章编号1671-251X201905-0092-04 DOI10. 13272/j . i ssn . 1671 -251x 2018100040 基于同步监测的锚杆受力监测系统设计 彭跃金李青锋2,邓弘哲】， 谷洪飞】，黄启云1 1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 2. In st i t u t e o f Mi n eral En g i n eeri n g , Hu n an Un i versi t y o f Sc i en c e an d Tec h n o l o g y, Xi an g t an 411201, Ch i n a Abstract In vi ew o f pro bl ems o f c o mpl ex st ru c t u re, si n g l e measu ri n g po i n t an d i n c o n ven i en t i n t alat i o n o f exi t i n g bo l t f o rc emo n i t o ri n g met h o d ,abo l t f o rc emo n i t o ri n g yt embaed o n yn c h ro n o u mo n i t o ri n g wad ei g n ed .Th eyt emel ec t t h ed ifu i o n i l i c o n preu reen o rt o c olec t t h eaxi al f o rc e o f t h e bo l t i n a c ert ai n sec t i o n o f t h e ro ad way, an d t h e f o rc e d at a o f 8 bo l t s c an be o bt ai n ed si mu l t an eo u sl y; t h e c olec t ed d at a are t o red an d t ran mited af t er part i al vo l t ag ef i l t eri n g an d AD c o n veri o n .Th e experi men t al resu l t s sh o w t h at t h e syst em real i zes syn c h ro n o u s mo n i t o ri n g o f mu l t i pl e bo l t s an d an c h o r c abl esi n ac er,ai n sec ,i o n o f ,h ero ad waywi ,h h i g h sampl i n g ra,e,an d i smeasu remen ,ac c u rac yc an mee, req u i remen ,so f syn c h ro n o u ssec i o n bo l ,smo n i o ri n g . Key words bo l t su ppo rt; bo l t f o rc e mo n i t o ri n g ； sen so r; part i al vo l t ag e f i l t eri n g 0引言 锚杆受力监测是锚杆支护技术中的重要组成部 分,12-建立完善巷道锚杆受力监测系统％不仅可 以使煤矿井下工作人员更好地掌握巷道围岩变形数 据％还可以分析围岩运动变形规律和巷道支护效 收稿日期收稿日期2018-10-18;修回日期修回日期2019-0I-06;责任编辑胡娴。责任编辑胡娴。 基金项目基金项目湖南省自然科学基金面上资助项目2018JJ21I0 syn c h ro n o u s mo n i t o ri n g ； d i f f u si o n si l i c o n pressu re 果，为巷道支护参数的选取提供参考依据[34]目 前锚杆受力监测主要通过测力锚杆、液压枕等实现 很难实现大规模的受力监测「56 朱纬亚等7利用光学膜应力与应变之间的线性 关系，根据干涉条纹数目的变化判断锚杆的安全状 态,但该方法存在偶然性及不准确性。邵凤莹等8 作者简介作者简介彭跃金199I ，男，山西朔州人，硕士研究生，主要研究方向为岩石力学与岩层控制，E-mai l820943728q q . c o m. 引用格式引用格式彭跃金，李青锋,邓弘哲，等.基于同步监测的锚杆受力监测系统设计[J].工矿自动化，2019,455 9295. PENG Yu ej i n ,LI Qi n g f en g , DENG Ho n g zh e, et al . Desi g n o f bo l t f o rc e mo n t o ri n g syst em based o n syn c h ro n o u s mo n t o ri n g [J]. In d u s t ryan d Mi n eAu t o mat i o n，2019，45 592-95. 2019年第5期彭跃金等基于同步监测的锚杆受力监测系统设计・93・ 通过对普通锚杆进行改造设计，达到了检测锚杆自 身应力变化的目的，但改造后的锚杆结构复杂。 张钦喜等,-提出用原位测试分析方法测定锚杆轴力 的时空变化规律，这种方法施工及安装不便o 王国立等「10-提出了基于锚杆索支护力监测的巷 道冒顶预测方法，但对于如何针对不同矿井的地质 条件确定预警标准，未进行阐述。程秀芝等口门提出 了基于弹性波技术的锚杆支护质量监测方法，由于 波形处理难度较高，后期处理相当繁琐。针对现有 方法存在的结构复杂、测点单一、安装不便等问题， 本文设计了一种基于同步监测的锚杆受力监测系 统,该系统可对某一断面关键位置的多根锚杆、锚索 进行高采样率的同步监测，且读取的指标简单，易于 测取与分析。 1系统系统总体设计体设计 锚杆轴向应力变化反映了围岩压力的改变。当 锚杆轴向应力增大到一定值曰，锚杆会发生锚固破 坏，并引起锚杆轴向应力下降。因此，可根据锚杆轴 向应力的变化趋势判断锚杆是否失效，达到监测预 警的目的。 锚杆受力监测系统硬件结构如图1所示。该系 统采用高性能ARM内核的STM32F103ZET6芯 片,2-作为智能控制与数据处理的核心；采用高精度 压力传感器对巷道某一断面的锚杆受力情况进行数 据采集，可同时获取8根锚杆的受力数据;将采集的 数据进行分压滤波、AD转换后，存储到芯片中，并 通过RS485总线进行传输。 矩阵键盘接口 -蜂鸣器- | JTAG |► |串口数据输入刁卜一 | AD7606 |► |电阻电容”压阙 | 压力话感器| ◄|电源插孔及开关| ◄| 总电源管理 | 3.3 V稳压模块| 复位按键 | LED指示灯 OLED显示 | RS485 总线| 图1锚杆受力监测系统结构 Fi g .1 St ru c t u re o f mo n i t o ri n g syst em o f bo l t f o rc e 考虑到巷道的长度，数据需要满足远距离传输 的条件,RS485通信很好地满足了远距离“多站专 输需求。将采集的数字信号进行信源编码、信道编 码，然后通过调制将其转换为基带信号;将基带信号 调制到中频无线电信号并作中频放大，再将中频信 号调制到射频频段并放大后通过天线发射出去，将 数据传输到现场控制室的计算机上。 2系统系统硬件设计设计 2. 1 单片机电路设计 电路板上P1 口为电源输入接口，为整个系统 供电；P2 口为矩阵键盘输入接口，负责采集按键信 息；P3P10 口为传感器数据采集接口，负责采集和 存储数据；P11 口为串口连接口，由UART1 PA9UART1_TX PA10 UART1_RX引出，负责 向计算机、手持客户端发送实时数据；P12 口为系统 程序启动方式选择端口。 由于矿井开采条件的复杂性，需对整个系统进 行防爆处理。 2. 2 电阻电容分压滤波电路设计 电阻电容分压滤波电路如图2所示。通过 150 /分压电阻及0 /普通电阻对电流进行分配转 换，方便数据监测与校验。 图2电阻电容分压滤波电路 Fi g . 2 Vo l t ag e d i vi d i n g an d f i l t eri n g c i rc u i t o f resi st an c ean d c apac i t an c e 2.3 A/D模块电路设计 采用高速A/D采集模块AD7606实现AD转 换。AD7606是逐次逼近型8通道16位ADC,8路 同时采样，精度为14〜18 bi t ,双极性模拟输入范围 为一10〜10 V。A/D模块电路如图3所示。 2. 4 电源模块设计 IC 芯 进行 压 127V 压转换为系统需要的12,5,3. 3 V电压。其中, 12 V双向稳压使用的IC芯片为LM2577,用于压 力传感器供电；5,3.3 V电压用于其他各模块供电, 5 V稳压采用的IC芯片为LM2596,3. 3 V稳压采 用的IC芯片为AMS1117。 2.5 压力传感器的选择 经过对比，考虑到所需传感器的精度等相关条 件，选用了扩散硅压力传感器，其量程为0〜 25 MPa,可将压力信号转换为4〜20 mA电流信 号。电流经150 /精密电阻串联分压，转换为 0. 6〜3 V电压信号，再经过A/D模块转换为数字 量后进行存储和传输。 在计算机中进行数据处理时，需将数字量A转 换为电流值/ ・・94・ ・ 工矿自动化2019年第45卷 PCU USD PCI OS1 PC2 OS2 T T PC3 RAGE PC4 CVA T PC5 CVB F PC6 RST F PC5 RD/CLOT PA4 CS F PA6 BUSY AD7606 AVCCV8GND AGNDV8 OSOV7GND 0S1V7 0S2V6GND PAR/SERV6 STBYV5GND RANGEV5 CONV/ST AV4GND CONV/ST_BV4 RESET -V3GND RD/SCLKV3 CSV2GND BUSYV2 FRSTDATAV1GND DBOVI DB1AVCC DB2AGND DB3REFGND DB4REFCAPB DB5REFCAPA DB6REFGND VDRIVEREFIN/REFOUT DB7/DOUTAAGND DB8/DOUTBAGND AGNDREGCAP DB9AVCC DB10AVCC DB11REGCAP DB12AGND DB13REF SELECT DB14/HBENDB15/BYTE SEL 图I A/D模块电路 Fi g . I A/D mo d u l e c i rc u i t I |mA / 10/32 767 1 000/150 1 /可得到压力F F | MPa I 4 X1.5625 2 3实验分析实验分析 利用岩石力学实验系统RMT进行加压实验, 如图4所示。将压力传感器与液压枕 ，液压枕 置 仪器上进行加压, , 100 ms读取一次 数据，对1 s内读取的10个数据求取平均 存储芯片中。 。 图4加压实验 Fi g .4 Pressu ri z at i o n experi men t 选取3组传感器进行实验，经存储芯片导出数 据并从中每隔10 s选用一组数据进行分析，实验数 表I- - 数据按照式（1）和式（2）计算，得出电 流和压 ，从而得到一条 和压 表1加压实验数据 Tabl e1 Dat ao f press u ri z at i o n experi men t al 时间/s 传感器1传感器2传感器3 30254633521980 40254833801981 50205333981980 60221233861980 70240133851981 80239933771981 90239733941982 100241133901982 110241033701982 120240933821978 130251533741981 140251433881981 150252833781977 160255333781980 同时通过RMT的数据也可得到一组压力与电流 ，根 数 制 认为是理想情况 J - - 情况下，这2条 不存 率 。 。 得 压 理想情况的对 图5所示。 。 图5可知，传感器1、传感器2及传感器3采 集的离散点基本在理 ，说明所设计 f 受 量精度 面锚杆受 步 2019年第5期彭跃金等基于同步监测的锚杆受力监测系统设计・・95・ ・ 图5电流与压力的关系 Fi g 5 Rel at i o n sh i pbet ween c u rren t an d press u re 求。 。 环境复杂，实际应用时 进行精度 和标定。 。 4结语 设计了基于同步监测的锚杆受力监测系统，详 体设计和硬件 设计。 。 利 用传感器 向力, , 对某一断面关键 位置的多根 . . 样率同步 。 。 t 结果表明, , 量精度 面 受 步 求。 。 参考文献References 1 -翟路锁.潞安矿区锚杆支护监测方法与软件开发［J-. 煤炭科学技术,2004,3263638. ZHAILu su o 8Mo n i t o ri n g an d measu ri n g met h o d an d so f t ware d evel o pmen t f o r t h e bo l t su ppo rt i n Lu an Mi n i n g Area,J-. Co al Sc i en c e an d Tec h n o l o g y2004, 32636-388 ,2 -鞠文君.煤巷锚杆支护监测仪器的开发与应用［J-.煤 矿 2004 9352-548 JU Wen j u n 8Devel o pmen t an d appl i c at i o n o f bo l t i n g mo n i t o ri n g i n st ru men t i n c o al ro ad way ［J-. Co al Mi n i n g Tec h n o l o g y2004 9352-548 ,3 -李学哲，胡兴志，封孝辉，等.基于Zi g Bee的煤矿巷道 压力监测系统设计［J-.工矿自动化，2014,40 4 19-228 LI Xu ezh e,HU Xi n g zh i, FENG Xi ao h u f et al . Desi g n o f t u n n el pressu re mo n i t o ri n g syst em o f c o al mi n e based o n Zi g Bee,J-. In d u st ry an d Mi n e Au t o mat i o n, 2014,404 1922. ,4-王鹤.无线通信技术在设备状态监测中的研究与应用 ［J-.现代电子技术 2012,35171618. WANG He St u d y an d appl i c at i o n o f wi rel ess c o mmu n i c at i o n t ec h n o l o g y i n eq u i pmen t st at e mo n i t o ri n g ［J-. Mo d ern El ec t ro n i c s Tec h n i q u e, 2012,3517 1618. ,5 -李青锋，缪协兴.基于应力波理论的锚杆支护无损检 测机理与应用实践［M-.南京东南大学出版 2015. ,6 -郑传行，陈建.矿山动态轻轨衡数据采集器的设计 ［J-.电脑知识与技术 2018,1422250251. ZHENG Ch u an xi n g, CHEN Ji an . Dat a ac q u i si t i o n u n i t d esi g n f o r d yn ami c wei g h i n g bri d g e ,J -. Co mpu t erKn o wl ed g ean d Tec h n o l o g y 2018 1422 250-251. ,7 -朱纬亚，赵利平，梁义维.条纹法锚杆力监测装置［J-. 煤矿安全2017,4812 123126. ZHU Wei ya, ZHAO Li pi n g , LIANG Yi wei . Bo l t f o rc e mo n i t o ri n g d evi c e by f ri n g es met h o d ,〕-. Saf et y i n Co al Mi n es,2017,4812 123126. ,8 -邵凤莹，程永强.矿用锚杆应力监测系统的设计［J-. 煤炭技术 2017366266268. SHAO Fen g yi n g, CHENG Yo n g q i an g . Desi g n o f mi n e-u sed -bo l t st ress mo n i t o ri n g syst em , J-. Co al Tec h n o l o g y,2017366 266268. ,9 -张钦喜，刘新 望京A1-C-4 1地基坑工程锚杆拉力监 测研究［J-.岩土工程技术2014285227231. ZHANG Qi n xi ,LIU Xi n . Mo n i t o ri n g st u d y o n an c h o r t en si o n o f d eep exc avat i o n en g i n eeri n g o f Wan g j i n g A1-C-4 1 pro j ec t , J -. Geo t ec h n i c al En g i n eeri n g Tec h n i q u e2014 28 5 227-2318 ,10-王国立，贾后省，鱼琪伟，等.基于锚杆索支护力监 测的巷道冒顶隐患预警技术［J-.煤炭科学技术, 2016,447 153157. WANG Gu o l i JIA Ho u sh en gYU Qi wei et al 8Earl y warn i n g t ec h n o l o g y o f ro o f f ali n g h i d d en d an g eri n mi n ero ad waybased o n mo n i t o ri n g an d meas u ri n g o f ro c k bo l t an c h o r su ppo rt f o rc e , J-. Co al Sc i en c e an d Tec h n o l o g y 2016 447 153-157 ,11-程秀芝，李大平.锚杆支护质量监测方法的分析与探 讨［J-.煤矿安全2007,3886768. CHENG Xi u zh iLIDapi n g An al ysi s an d d i sc u ssi o n o n mo n i t o ri n g t ec h n i q u e o f bo l t s u ppo rt i n g q u al i t y ,J-.Saf et yi n Co al Mi n es 2007 388 67-68. ,12-赵志鹏，李青，王燕杰，等.基于STM32的矿山钻机智 能监测保护系统设计［J-.计算机测量与控制，2016, 2411 41-448 ZHAO Zh i pen gLI Qi n gWANG Yan j i eet al 8Desi g n o f mi n e d rili n t eli g en t mo n i t o ri n g an d pro t ec t i o n syst embas ed o n STM32,J-8Co mpu t er Measu remen t k Co n t ro l 2016 2411 41-448