基本信息
- 项目名称：
- 巷道围岩变形自动监控与预警系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本系统主要采用了超声波测距技术、压力传感技术、RS485通信技术、单片机技术、ＧＰＲＳ技术和计算机技术，通过计算机对巷道围岩实时宽度、累计形变量、日收敛速率以及支护结构体受力状态的监测和数据存储，实现对巷道围岩目前的稳定状态进行评估，及时发现隐患并通过ＧＰＲＳ模块将数据传输给矿山领导和工程技术人员，以便及时对隐患做出合理的处理。
- 详细介绍：
- 巷道变形问题日趋严重，特别是巷道的大变形直接影响了矿业安全生产和经济效益，并严重危及了人身安全。目前的巷道变形监测技术仍采用普通方法，如收敛计测量、皮尺量测、手动激光测量等，这些监测手段不但耗时，又需要大量资金，而且还不能从根本上解决实时连续的监测并达到预警的目的，特别是不能实现自动传输与远距离通信的目的。 一种巷道围岩变形自动监控与预警系统，包括传感器部分、MCU模块、RS485数据通信模块、电源模块、计算机软件单元以及GPRS模块，其中电源模块可为传感器部分、MCU模块以及RS485数据通信模块供电，其特征在于：所述传感器部分包括n个数据监测单元（1≤n≤128），每个数据监测单元均由多个位移传感器、DS18B20温度传感器、压力传感器三部分构成，传感器部分将采集到的数据经过数字化处理后传入MCU模块，MCU模块消除由于温度而引起的距离测量误差，并在每个采集点采集的数据前面加上特定的标示符，通过RS485数据通信模块将数据发送到计算机软件单元；计算机软件单元利用MFC来制作完成，通过串口与外部硬件系统相连接，计算机软件单元可在遇到危险情况时向GPRS模块发送AT指令，GPRS模块接到指令后发送预警信息给设定手机。 主要创新点: 1.本系统实现了对巷道围岩变形，锚杆受力，以及环境温度的实时动态扫描监测及分析； 2.本系统既考虑了巷道围岩变形量与变形速度，又考虑了支护结构体的受力大小和环境温度，比较全面地反映整个巷道工程的稳定性。 3.本系统通过运用RS485数据传输协议，提高了数据传输的距离和稳定性，实现了多站点监测功能。 4.本系统通过串口将数据传入计算机进行数据分析和显示实时的数据，随时将数据通过GPRS模块发送给矿山领导和工程师，实现了远程监控。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 本作品主要解决各类生产矿井或地下工程围岩变形的自动监测及预警问题。通过多点扫描实现对巷道围岩的变形量、变形速度和支护体的受力情况等进行实时监测，为管理人员和工程技术人员提供预警信息，对巷道围岩的安全状态进行评估，并及时调整相应的支护参数，提高巷道围岩的稳固性，避免发生较大范围的垮塌或冒顶事故。 基本思路： 首先，采用超声波测距技术达到测量巷道形变速度的目的同时，通过压力传感器实时监控锚杆受力情况，并通过RS485数据传输协议将数据传入计算机进行数据分析和显示实时的数据；然后，在临界点时将数据通过GPRS发送给矿山领导和工程师。 创新点： （1）实现了巷道围岩变形与支护结构体受力的多点实时动态监测与集成分析； （2）实现了井下实时监测，井上监控的目的，同时，可将异常数据通过通信网络发送至矿山领导或工程师手机上，使管理人员随时了解巷道安全级别。 关键技术： （1）巷道围岩变形的实时监测与分析技术； （2）巷道不同级别的稳定性评估及预警算法； （3）动态多点数据采集的实现； （4）GPRS技术及AT指令； 主要技术指标： 收敛测量精度：<1mm； 温度测量范围：-55℃～+125℃； 工作电压：5V-12V； 数据传输距离：2KM—9.6KM； 数据传输波特率:9600Bps； 移动运营商：中国移动 中国联通 中国电信
科学性、先进性
- 根据现场实验及应用结果，表明该作品具有较明显的优越性和广泛的应用前景，与现有其它类型的巷道围岩变形监测装置（光栅位移测量设备、电阻应变测量设备、光纤光栅应变传感设备）相比，有如下突出技术特点： ⑴ 运用了RS-485通信，RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，较远的传输距离和多站能力等优点。 ⑵ 运用了通用分组无线服务技术（GPRS），实现了井上异地监控，并可以将异常数据发送给矿山领导或工程师，及时做出安全决策。 ⑶ 运用计算机技术实现了数据的智能监测和分析，可以实现巷道围岩稳定性分级与评估，当发现异常能及时通知管理者并发生不同级别的预警信号。 ⑷ 系统的使用寿命长，可以多次用于不同的巷道工程中，使用过程中不易损坏，稳定性好。
获奖情况及鉴定结果
- ⑴ 2011年3月，本作品荣获第四届“挑战杯”xxxx大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 ⑵ 2011年3月，煤矿安全开采技术湖南省重点实验室鉴定本作品具有先进实用性。 ⑶ 2011年5月，本作品荣获第九届 “挑战杯” 湖南省大学生课外科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作生产、专利买断
作品可展示的形式
- 实物展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点： 该作品运用RS485数据传输协议，传输距离可达9.6km，完全可以达到要求。该系统可以实时监测巷道收敛速率和锚杆的受力大小，对巷道围岩稳定性等级进行评估，在变形较大时或锚杆受力较大时发出不同等级的警报。 适应范围： 非金属矿山及金属矿山在内的地下巷道工程的监测监控；地下矿山的采场围岩收敛变形监测监控；深埋软岩隧道和硐室等的收敛变形监测监控。 推广前景的技术性说明： 本系统具有集成度高，数据采集面大，数据传输距离长，操作简单，应用范围广，成本低廉等特点，适用于各类矿山等软岩巷道问题严重的地下工程，具有极大地推广前景。 经济效益预测： 本产品能及时对巷道围岩的安全状态进行评估，并调整相应的支护参数，为矿井生产节省大量维修成本和工程量，大大提高了矿山的生产力，而且保证了工人的人身安全，可为企业带来巨大的经济效益。该产品对1000米巷道进行该产品的监测后，仅节省维修费用可达50万元左右，而且避免了因巷道整修而引起的停产，其经济效益显著。
同类课题研究水平概述
- 目前我国矿山掘进的巷道中很多都是软岩巷道，同时，浅部易采的煤炭资源日益减少，所以不得不转向开采深部煤炭资源。随着开采深度的加大，软岩巷道开采问题日益突出巷道围岩变形越来越严重。于是，巷道监测技术应用的越来越多，其目的是对软岩巷道在施工过程中采取动态监测，并提供反馈信息，对指导施工和修改设计、确保工程安全。 广泛应用的新奥法是以现场实测与基础理论定性分析为起点，采用工程类比法对井巷参数作初选设计，再通过施工过程的监测工作修改和完善设计，以最终保证施工安全。新奥法强调在地下工程施工过程中进行系统的监测和现场观察，掌握围岩活动特性和巷道安全程度。作为新奥法施工的重要一环，巷道施工过程中的监测具有重要的意义，它不仅能评价支护结构的稳定性，还能依据监测获得的数据来反演围岩的支护参数。 目前巷道的施工过程中的监测内容主要包括两个方面：一是巷道围岩位移量监测；二是支护构件受力监测。其中，巷道围岩位移监测包括围岩表面位移监测和深部位移监测，前者是巷道稳定性的评价依据之一，后者反映围岩深部位移情况，可以判断围岩塑性圈的大小，从而为确定和修改锚杆的合理长度提供依据。当前的监测技术主要凭借收敛仪、测杆、钢尺和激光测距仪等，每隔一段时间直接对围岩两帮进行收敛变形测量.这种手段具有实施方便、简单直观、适用性强等优点，能反映变形的主要趋势，但也存在很多缺陷，例如：精确度不高、测点易被人为破坏、效率低、不但耗时，又需要大量资金而且还不能从根本上解决实时连续的监测并达到预警的目的。因此造成很多巷道围岩的支护手段盲目性大、针对性差、成功率低，给矿山安全带来危害，延误了工期，造成了大量的资金浪费，严重影响企业经济效益。 综上所述，根据软岩巷道变形特点和国内应用情况，研制一种，实现实时监测巷道的形变速度及支护杆体受力大小，并及时预警的监测装置及系统具有重要的工程应用价值。
