本發(fā)明涉及井下采礦，具體涉及一種圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

1、煤礦進(jìn)行采掘活動時(shí)，煤（巖）體原巖應(yīng)力場受到擾動，破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，煤（巖）體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生改變以重新達(dá)到平衡狀態(tài)，但當(dāng)應(yīng)力超過煤（巖）體所能承受的最大強(qiáng)度時(shí)，就會發(fā)生礦山壓力顯現(xiàn)，甚至造成沖擊地壓、頂板垮落等大規(guī)模的礦山動力現(xiàn)象。

2、尤其，隨著煤炭開采深度和開采強(qiáng)度的不斷加大，導(dǎo)致深部礦井極易出現(xiàn)沖擊地壓等動力災(zāi)害事故，造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和人員傷亡等情況。由于深部煤巖體處于“三高一擾動”的圍巖環(huán)境中，巷道及工作面開挖后圍巖結(jié)構(gòu)會受到較大的應(yīng)力作用，在其支承壓力作用范圍內(nèi)能夠出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力異常增高區(qū)域。這些異常增高區(qū)域是發(fā)生沖擊地壓等動力災(zāi)害的主要區(qū)域，現(xiàn)有技術(shù)缺少對于應(yīng)力異常增高區(qū)域內(nèi)部的有效監(jiān)測和預(yù)警手段。因此，對于深部礦井，特別是具有沖擊危險(xiǎn)性的巷道，必須要采用一定的監(jiān)測設(shè)備和儀器對巷道圍巖進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，最大程度上的保證井下施工人員的安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置，旨在解決上述的問題。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置，包括前外殼、旋轉(zhuǎn)體、后外殼、驅(qū)動裝置、應(yīng)力監(jiān)測單元、聲光預(yù)警單元、高壓射流機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析控制器，所述前外殼和后外殼均為管狀結(jié)構(gòu)，前外殼位于后外殼的前方且與其同軸布置，前外殼的前端封閉，其后端通過所述旋轉(zhuǎn)體與后外殼的前端相連。

3、前外殼和后外殼的管壁內(nèi)部均為端部封閉的環(huán)形空腔，前外殼和后外殼的環(huán)形空腔的內(nèi)部均設(shè)有應(yīng)力監(jiān)測單元，所述后外殼的外側(cè)壁上具有多個(gè)導(dǎo)水槽，所述數(shù)據(jù)分析控制器設(shè)置在后外殼內(nèi)側(cè)，與應(yīng)力監(jiān)測單元通訊相連，所述后外殼內(nèi)部還設(shè)有定位模塊和無線通訊模塊，所述數(shù)據(jù)分析控制器通過無線通訊模塊連接井下網(wǎng)關(guān)。

4、聲光預(yù)警單元設(shè)置在后外殼的后端，與數(shù)據(jù)分析控制器通訊相連。

5、旋轉(zhuǎn)體的前端位于前外殼的內(nèi)部且與前外殼轉(zhuǎn)動密封配合，其后端位于后外殼的內(nèi)部，與后外殼轉(zhuǎn)動密封配合。

6、驅(qū)動裝置設(shè)置在前外殼的內(nèi)部，其包括伺服電機(jī)和齒輪機(jī)構(gòu)，所述伺服電機(jī)的輸出端通過齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)體相對于前外殼和后外殼轉(zhuǎn)動。

7、高壓射流機(jī)構(gòu)包括供水管一、旋轉(zhuǎn)接頭、供水管二、高壓噴嘴和方向調(diào)節(jié)組件，供水管一位于前外殼內(nèi)側(cè)，前端通過旋轉(zhuǎn)接頭與設(shè)置在旋轉(zhuǎn)體上的供水管二的一端相連相通，后端穿出前外殼且能夠與高壓供水裝置相連。

8、高壓噴嘴安裝在供水管二上，方向調(diào)節(jié)組件設(shè)置在旋轉(zhuǎn)體上，通過驅(qū)動供水管二繞旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動進(jìn)而控制高壓噴嘴的方向。

9、進(jìn)一步地，前外殼包括前端封閉的第一外管體和第一內(nèi)管體，第一內(nèi)管體位于第一外管體的內(nèi)側(cè)且與其同軸布置，第一外管體的后端通過第一環(huán)形橡膠片與第一內(nèi)管體的后端相連，第一環(huán)形橡膠片將前外殼內(nèi)部的環(huán)形空腔封閉。

10、第一內(nèi)管體與第一外管體之間具有呈環(huán)形均勻布置的多組第一彈簧，每組第一彈簧均包括沿第一內(nèi)管體的軸線方向等間隔布置的多個(gè)第一彈簧，各第一彈簧沿第一內(nèi)管體的截面的法線方向布置。

11、進(jìn)一步地，后外殼包括第二外管體和第二內(nèi)管體，第二、第二內(nèi)管體均為直圓管，第二內(nèi)管體位于第二外管體的內(nèi)側(cè)且與其同軸布置。

12、第二外管體的前后兩端分別通過第二環(huán)形橡膠片與第二內(nèi)管體的對應(yīng)端相連，第二環(huán)形橡膠片將后外殼內(nèi)部的環(huán)形空腔封閉。

13、第二內(nèi)管體與第二外管體之間具有呈環(huán)形均勻布置的多組第二彈簧，每組第二彈簧均包括沿第二內(nèi)管體的軸線方向等間隔布置的多個(gè)第二彈簧，各第二彈簧沿第二內(nèi)管體的截面的法線方向布置。

14、進(jìn)一步地，應(yīng)力監(jiān)測單元包括沿前外殼的軸向方向依次等間隔布置的多組應(yīng)變片，每組應(yīng)變片均包括在第一內(nèi)管體或第二內(nèi)管體的圓周外壁上呈環(huán)形均勻布置的十二個(gè)應(yīng)變片，所有應(yīng)變片均與數(shù)據(jù)分析控制器電連接。

15、所述第一外管體的圓周內(nèi)壁上設(shè)有與第一內(nèi)管體上的應(yīng)變片數(shù)量相等且位置一一對應(yīng)的導(dǎo)壓柱，第二外管體的圓周內(nèi)壁上設(shè)有與第二內(nèi)管體上的應(yīng)變片數(shù)量相等且位置一一對應(yīng)的導(dǎo)壓柱，導(dǎo)壓柱為圓錐體結(jié)構(gòu)，其尖頭端與應(yīng)變片正對。

16、進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)體為具有空腔的圓柱體結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)體的上下兩端分別設(shè)有與其同軸的上端軸和下端軸。

17、前外殼的后端設(shè)有第一端環(huán)，后外殼的前端設(shè)有第二端環(huán)，后外殼的后端設(shè)有后端蓋，上端軸穿過第一端環(huán)的中心與前外殼的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動相連，上端軸的外壁與第一端環(huán)轉(zhuǎn)動密封配合，下端軸穿過第二端環(huán)的中心與后外殼的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動相連，下端軸的外壁與第二端環(huán)轉(zhuǎn)動密封配合。

18、進(jìn)一步地，齒輪機(jī)構(gòu)包括主動齒輪和從動齒輪，從動齒輪固定安裝在下端軸上，伺服電機(jī)安裝在后外殼的內(nèi)部，由設(shè)置在后外殼內(nèi)的蓄電池為伺服電機(jī)供電，伺服電機(jī)的信號端與數(shù)據(jù)分析控制器通訊相連。

19、所述從動齒輪設(shè)置在伺服電機(jī)的輸出軸上，與主動齒輪嚙合，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)體相對于前外殼、和后外殼轉(zhuǎn)動。

20、進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)體圓周側(cè)壁上開設(shè)有豎槽，所述豎槽與旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的空腔相通，供水管一內(nèi)嵌在旋轉(zhuǎn)體內(nèi)且與其同軸布置，供水管一的前端與旋轉(zhuǎn)接頭的入口相連相通，其后端穿過后端蓋伸至后外殼的外部，供水管一上配置有電磁閥，電磁閥與數(shù)據(jù)分析控制器通訊相連。

21、所述供水管二位于豎槽內(nèi)，供水管二的一端與旋轉(zhuǎn)接頭的出口相連相通，高壓噴嘴位于旋轉(zhuǎn)體的外側(cè)且安裝在供水管二的另一端，高壓噴嘴和供水管二能夠繞旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動。

22、方向調(diào)節(jié)組件包括電動伸縮桿和兩個(gè)鉸接座，所述電動伸縮桿位于供水管二的上方，供水管二通過電動伸縮桿與旋轉(zhuǎn)體的空腔內(nèi)壁相連，電動伸縮桿驅(qū)動高壓噴嘴和供水管二上下擺動。

23、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)分析控制器內(nèi)嵌入flac?3d、matlab數(shù)據(jù)處理模塊，應(yīng)力監(jiān)測單元和定位模塊分別與數(shù)據(jù)分析控制器通訊相連。

24、數(shù)據(jù)分析控制器將應(yīng)力監(jiān)測單元傳入的電信號進(jìn)行迅速處理生成圍巖應(yīng)力突變云圖，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力突變云圖巷道全覆蓋，當(dāng)巷道某處發(fā)生圍巖應(yīng)力突變時(shí)，便可根據(jù)巷道應(yīng)力突變云圖和定位模塊瞬時(shí)確定應(yīng)力突變點(diǎn)位。

25、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置的使用方法。

26、一種圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置的使用方法，采用上述的圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置，該使用方法包括如下步驟：s1、根據(jù)巷道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定圍巖的應(yīng)力突變預(yù)警閾值，預(yù)警閾值包括預(yù)警閾值1和預(yù)警閾值2，將應(yīng)力突變預(yù)警閾值導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析控制器，圍巖具體指的是煤巖體。

27、s2、確定受采動應(yīng)力影響大且工人較多的運(yùn)輸巷區(qū)段，在運(yùn)輸巷區(qū)段布置自定位臨時(shí)巡護(hù)機(jī)器人，并在該運(yùn)輸巷區(qū)段的巖壁上確定圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置的安裝點(diǎn)，對巖壁上的安裝點(diǎn)位置鉆孔并將鉆孔內(nèi)部清理干凈。

28、所有安裝點(diǎn)在巖壁上呈方陣形式布置，任意相鄰兩個(gè)安裝點(diǎn)的橫向間距為3m～5m，任意相鄰兩個(gè)安裝點(diǎn)的縱向間距為1m～1.5m。

29、s3、調(diào)整前外殼和后外殼的相對位置，使前外殼內(nèi)的應(yīng)力監(jiān)測單元與后外殼內(nèi)的應(yīng)力監(jiān)測單元相對應(yīng)，在前外殼和后外殼的外壁上涂抹錨固膠，涂抹錨固膠的位置避開后外殼外側(cè)的導(dǎo)水槽。

30、之后，將圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置送入鉆孔內(nèi)部，錨固膠將前外殼和后外殼固定于鉆孔內(nèi)部的巖壁上，將各供水管一的端部均連接至高壓供水裝置。

31、s4、將各圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置進(jìn)行編號、調(diào)零，與井下網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊連接。

32、應(yīng)力監(jiān)測單元啟動，通過應(yīng)變片、地音傳感器進(jìn)行周圍圍巖應(yīng)力突變監(jiān)測，并將應(yīng)力突變信號轉(zhuǎn)換為電信號實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)分析控制器。

33、數(shù)據(jù)分析控制器通過內(nèi)部嵌入的flac?3d和matlab數(shù)據(jù)處理模塊將收到的電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，生成全巷道實(shí)時(shí)應(yīng)力突變云圖。

34、s5、數(shù)據(jù)分析控制器將應(yīng)力突變值與預(yù)警閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)對比分析，無線通訊模塊將對比分析正常實(shí)時(shí)傳送至井下網(wǎng)關(guān)。

35、當(dāng)應(yīng)力突變值＜預(yù)警閾值1時(shí)，高壓射流機(jī)構(gòu)、聲光預(yù)警單元和自定位臨時(shí)巡護(hù)機(jī)器人均不響應(yīng)。

36、當(dāng)預(yù)警閾值1≤應(yīng)力突變值＜預(yù)警閾值2時(shí)，定位模塊進(jìn)行應(yīng)力突變點(diǎn)位進(jìn)行定位，由應(yīng)力突變點(diǎn)附近的圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置響應(yīng)，高壓噴嘴對應(yīng)力突變點(diǎn)位進(jìn)行水力穿孔卸壓和軟化；無線通訊模塊通過井下網(wǎng)關(guān)向地上調(diào)度部門發(fā)出應(yīng)力突變點(diǎn)位信息和檢護(hù)信息，對應(yīng)力突變點(diǎn)附近巖體進(jìn)行預(yù)裂卸壓，同時(shí)，自定位臨時(shí)巡護(hù)機(jī)器人響應(yīng)，對應(yīng)力突變點(diǎn)位進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

37、當(dāng)預(yù)警閾值2≤應(yīng)力突變值時(shí)，聲光預(yù)警裝置響應(yīng)，提醒附近工人迅速撤離，高壓噴嘴持續(xù)對應(yīng)力突變點(diǎn)位進(jìn)行水力穿孔卸壓和軟化，無線通訊模塊通過井下網(wǎng)關(guān)向地上調(diào)度部門發(fā)出應(yīng)力突變點(diǎn)位信息和救援信息。

38、進(jìn)一步地，自定位臨時(shí)巡護(hù)機(jī)器人包括車架、履帶行走機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、升降支架、頂板和自定位控制單元，所述履帶行走機(jī)構(gòu)有兩個(gè)，對稱設(shè)置在車架的兩側(cè)。

39、發(fā)動機(jī)設(shè)置在車架上，驅(qū)動履帶行走機(jī)構(gòu)行走，頂板位于車架的上方，其底部通過所述升降支架與車架頂部相連，自定位控制單元設(shè)置在車架的前部，用于控制自定位臨時(shí)巡護(hù)機(jī)器人巡線行走。

40、通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：本發(fā)明圍巖應(yīng)力突變預(yù)警應(yīng)急裝置可在井下巷道實(shí)時(shí)形成全巷道圍巖應(yīng)力突變云圖，在圍巖應(yīng)力發(fā)生高強(qiáng)度突變時(shí)，可及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警和定位，并通過定向高壓噴水穿孔和軟化對應(yīng)力突變部分巖體進(jìn)行水力穿孔卸壓和軟化，可延緩和弱化應(yīng)力突變及沖擊地壓帶來的危害；同時(shí)調(diào)動自定位臨時(shí)巡護(hù)機(jī)器人進(jìn)行圍巖應(yīng)力突變點(diǎn)位臨時(shí)支護(hù)并進(jìn)行應(yīng)力突變預(yù)警信號的及時(shí)傳出，向地上調(diào)度部門發(fā)出準(zhǔn)確的位置信息和求救信號，以便第一時(shí)間展開救援；同時(shí)聲光預(yù)警裝置啟動，發(fā)出警報(bào)聲和警報(bào)燈光，提醒附近工人及時(shí)撤離，可最大程度上的減少圍巖應(yīng)力高強(qiáng)度突變及沖擊地壓帶來的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。