0 引言

　　錨固技術(shù)是地下工程中的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，核心是用錨桿對(duì)周圍巖層或土體進(jìn)行支護(hù)，從而維持地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止坍塌、滑移等災(zāi)害的出現(xiàn)[1]。而在我國煤礦巷道監(jiān)測(cè)方面，主要有頂板離層監(jiān)測(cè)[2]、表面應(yīng)力監(jiān)測(cè)、表面收斂監(jiān)測(cè)等手段，但這些監(jiān)測(cè)手段主要監(jiān)測(cè)的都是巷道表面的數(shù)據(jù)，一旦這些參數(shù)有變化時(shí)，可能巷道頂板已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。鑒于這種現(xiàn)狀，本文提出了一種新的礦用應(yīng)力監(jiān)測(cè)手段——測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出錨桿在不同深度、不同時(shí)期的受力大小和分布情況，同時(shí)了解其受力特性，能夠及時(shí)做出防護(hù)。

　　該系統(tǒng)的研制成功對(duì)了解圍巖的受力特性提供了依據(jù)，同時(shí)對(duì)礦山錨固技術(shù)和錨桿的受力參數(shù)優(yōu)化也提供了科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了煤礦井下智能化監(jiān)測(cè)，對(duì)國家數(shù)字礦山計(jì)劃的實(shí)施有很好的借鑒作用。

1 測(cè)力錨桿的設(shè)計(jì)與原理

　　為了更好地了解測(cè)力錨桿的特性，一般的做法是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的修改以及標(biāo)定。為了盡可能地與實(shí)際使用的錨桿相同，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的錨桿是從礦上直接取的，取回來的錨桿材質(zhì)為螺紋鋼，長度為2 200 mm，直徑為22 mm。

　　測(cè)力錨桿的工作原理為：將應(yīng)變片粘貼到錨桿上，錨桿在受到外力的作用時(shí)會(huì)發(fā)生變形，從而使應(yīng)變片上的電阻絲發(fā)生形變，引起應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，進(jìn)而使輸出電壓值發(fā)生變化，測(cè)出電壓值后，再根據(jù)電壓與應(yīng)力的關(guān)系，算出錨桿的受力大小[3]。電阻變化率與錨桿長度的變化率成正比關(guān)系，即：R/R=K·L/L。其中K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。可見，如果可以測(cè)出電阻值的變化(?駐R/R)，就可得出應(yīng)變片的應(yīng)變值，最后根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系求出應(yīng)力值，而應(yīng)力值與貼片處承受的軸向力有一定的關(guān)系，即：F=ε·S·E，ε為應(yīng)變值，E為鋼彈性模量，S為測(cè)力錨桿的截面積[4]。

　　由于測(cè)力錨桿系統(tǒng)是以一種支護(hù)方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，以及對(duì)各深度的錨桿受力進(jìn)行分析，為了能夠更貼近礦用錨桿，以及滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)拿回來的錨桿進(jìn)行特殊處理。依據(jù)測(cè)力原理，設(shè)計(jì)的測(cè)力錨桿傳感器如圖1所示。

　　在設(shè)計(jì)上將原錨桿的兩側(cè)各對(duì)稱開一矩形斷面溝槽，在溝槽內(nèi)每隔300 mm的距離分別對(duì)稱地布貼6對(duì)橫豎型電阻應(yīng)變片[5]。電阻應(yīng)變片按照一定的連接方式組成惠斯通電橋, 然后將導(dǎo)線沿溝槽引至集線盒，并用環(huán)氧樹脂灌封粘帖應(yīng)變片和布線后的溝槽，集線盒將與航空插頭連接,然后通過航空插頭的連接線與后期電路板相連。圖2為錨桿開槽截面。

　　實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的方法是將工作應(yīng)變片和溫度補(bǔ)償應(yīng)變片貼在錨桿的兩個(gè)相對(duì)的槽內(nèi)，組成惠斯通電橋。如圖3所示，圖中R1、R3為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，R2、R4為測(cè)試應(yīng)變片，R2、R4沿錨桿軸向排列，溫度補(bǔ)償片與R2、R4的排列方向正好垂直，起到了溫度補(bǔ)償作用[6]。

2 系統(tǒng)硬件組成部分

　　測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是完成對(duì)支護(hù)的錨桿內(nèi)部受力情況的監(jiān)測(cè)，從而對(duì)該地區(qū)頂板受力情況做出分析和預(yù)警。整個(gè)系統(tǒng)分成三部分：測(cè)力錨桿傳感器（通信分站）、通信主站、井上平臺(tái)（上位機(jī)）。圖4為整個(gè)系統(tǒng)的框架。

　　2.1 測(cè)力錨桿傳感器電路

　　該電路主要是采集測(cè)力錨桿傳感器的受力信號(hào)，由微處理器進(jìn)行處理，再通過無線模塊傳到主站。圖5為通信分站系統(tǒng)框架。主控芯片選用的是TI的CC2530，模擬前端也選用的是TI的LMP90100，是具有放大器和AD功能的集成芯片；無線通信使用CC2530和CC2591的配合，這種配合不僅增大發(fā)射功率，而且延長了通信距離[7]。

　　主控芯片CC2530通過SPI總線來控制模擬前端LMP90100各通道模擬量的選取和采集。模擬前端LMP90100是TI公司的一款高度集成、多通道、低功耗24位放大與AD集成芯片，電壓范圍為2.85 V～5.5 V。該器件提供了7個(gè)單端輸入或4個(gè)差分輸入，從而可以允許連接更多的傳感器，而測(cè)力錨桿上是6路差分信號(hào)，所以采用了2片LMP90100芯片來作為測(cè)力錨桿采集信號(hào)的電路。主控芯片CC2530會(huì)將采集回來的電壓信號(hào)通過事先標(biāo)定好的軸向力與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出相應(yīng)的軸向力。如果得到的數(shù)據(jù)超過報(bào)警值，則會(huì)在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，提醒工作人員進(jìn)行查看。

　　無線通信模塊由CC2530和CC2591配合使用，不僅增加了發(fā)射功率，保證了相鄰的2個(gè)分站能互相無差錯(cuò)的通信，同時(shí)中間有分站發(fā)生故障后信號(hào)還能通過跳躍的方式傳到下一節(jié)點(diǎn)，以提高系統(tǒng)的可靠性。此模塊的電源通過一個(gè)PMOS管開關(guān)進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)在不工作時(shí)斷電，同時(shí)分站長時(shí)間不工作時(shí)會(huì)進(jìn)入休眠模式，以此最大限度降低系統(tǒng)的功耗。

　　2.2 主站設(shè)計(jì)

　　主站在整個(gè)系統(tǒng)中起承上啟下的作用，它不僅要與分站進(jìn)行通信來獲取數(shù)據(jù)和時(shí)鐘校準(zhǔn)，還要與上位機(jī)通信進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)，使工作人員可以方便地隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行管理。主站由主處理器模塊（STM32）、無線傳輸模塊（CC2530）、電源保護(hù)模塊、存儲(chǔ)模塊、485模塊、液晶屏顯示模塊及以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊組成，結(jié)構(gòu)見圖6。

　　無線通信模塊負(fù)責(zé)接收各傳感器傳來的的數(shù)據(jù)，然后通過SPI方式傳給主控制器STM32，再由液晶顯示屏將數(shù)據(jù)顯示出來，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。顯示模塊是一個(gè)人機(jī)交互界面，可以通過按節(jié)點(diǎn)、按時(shí)間查詢各傳感器數(shù)據(jù)，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以曲線形式直觀地顯示出來。還可以通過觸摸屏對(duì)各傳感器的采集間隔、傳輸間隔、網(wǎng)絡(luò)ID和時(shí)間校準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊的作用是將分站的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面的上位機(jī)。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)是傳感器節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定正常地工作，好的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)對(duì)功耗要求很高，所以，通信協(xié)議設(shè)計(jì)中，功耗是其考慮的非常關(guān)鍵的因素。本設(shè)計(jì)增加了應(yīng)答機(jī)制及睡眠機(jī)制，在保證通信可靠性的基礎(chǔ)上極大地降低了功耗。

　　每個(gè)分站都有一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)ID，如圖7所示，假設(shè)有5個(gè)分站，則5號(hào)～1號(hào)的ID號(hào)分別為0xff05～0xff01。當(dāng)所有分站初始設(shè)置完成之后，每個(gè)分站都會(huì)轉(zhuǎn)移到等待接收同步時(shí)間的狀態(tài)。此時(shí)，主站會(huì)向ZigBee主站發(fā)送同步時(shí)間命令，ZigBee主站在收到同步時(shí)間命令后，會(huì)把此命令發(fā)送到5號(hào)分站，5號(hào)分站收到此命令后會(huì)開啟本地2小時(shí)睡眠定時(shí)器，啟動(dòng)定時(shí)；接著，5號(hào)分站會(huì)把本條同步時(shí)間命令發(fā)送給4號(hào)，4號(hào)分站收到來自5號(hào)的同步時(shí)間命令后，會(huì)做跟5號(hào)同樣的工作，然后把同步命令再發(fā)給3號(hào),依次傳遞。當(dāng)1號(hào)分站收到同步時(shí)間后，便會(huì)轉(zhuǎn)移到給2號(hào)分站發(fā)送應(yīng)力數(shù)據(jù)的狀態(tài),1號(hào)給2號(hào)發(fā)完數(shù)據(jù)便會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)2號(hào)分站收到1號(hào)傳來的數(shù)據(jù)后便會(huì)把自己當(dāng)前采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)跟1號(hào)傳來的數(shù)據(jù)一同打包發(fā)送給3號(hào)，然后也進(jìn)入睡眠狀態(tài)，依次傳遞。最后，5號(hào)分站收到4號(hào)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，便會(huì)把自己的數(shù)據(jù)跟前4號(hào)數(shù)據(jù)一同打包，發(fā)送給ZigBee主站。ZigBee主站收到所有數(shù)據(jù)后，便會(huì)通過SPI總線發(fā)送給主站，主站便會(huì)保存所有數(shù)據(jù)。到此，本次通信完成。2小時(shí)后，各個(gè)分站會(huì)同時(shí)醒來，準(zhǔn)備下一次通信。

4 測(cè)力錨桿的標(biāo)定測(cè)試和分析

　　4.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

　　測(cè)力錨桿在投入使用前，需要在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，將從礦上取回來的錨桿按照上述的制作工藝方法先進(jìn)行加工。按照如圖8測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)測(cè)力錨桿施加不同拉力，測(cè)出不同拉力對(duì)應(yīng)的電壓值，以找出力與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣標(biāo)定可以用于相同材料、相同批號(hào)、相同長度的礦用螺紋鋼[8]。

　　用一根錨桿在實(shí)驗(yàn)機(jī)上做3次測(cè)試，得出3次不同電壓值。表1為力與電壓關(guān)系數(shù)據(jù)表，圖9為力與電壓曲線圖。

　　分析圖可得出一下結(jié)論：

　　(1)3次測(cè)量數(shù)據(jù)基本相同，相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，表明只要注意適當(dāng)?shù)恼程に嚕谱鞯臏y(cè)力錨桿的一致性是可以保證的。

　　(2)所得電壓與拉力的線性度很好，說明應(yīng)變片質(zhì)量不錯(cuò)，同時(shí)芯片LMP90100放大特性比較好。

　　(3)測(cè)力錨桿在不同時(shí)間段、不同溫度下所得的曲線基本不變，說明測(cè)力錨桿傳感器比較穩(wěn)定，可以在井下工作。

　　4.2 線性分析

　　從圖9中可以看出放大后的電壓信號(hào)與拉力之間滿足了線性特性，故數(shù)據(jù)進(jìn)行最小乘法線性擬合，則得到的線性方程為：

　　V=6.44F-253.88(1)

　　式中，V為放大后電壓，F(xiàn)為拉力。

5 結(jié)語

　　根據(jù)多年來工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，在煤礦巷道施工中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支護(hù)錨桿的受力情況，對(duì)于分析錨桿的工作狀態(tài)及圍巖的安全狀況有重大意義，而且為優(yōu)化錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)、改善施工質(zhì)量提供可靠的科學(xué)依據(jù)。本系統(tǒng)可以把不同位置、不同深度的頂板受力情況進(jìn)行分析，從而可以全面了解煤礦頂板地質(zhì)情況。

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