[发明专利]基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置及冲击预警方法

权利要求书

1.一种使用基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，其特征在于：

所述基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置，包括吸能防冲锚索、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、数据传输线(17)、数据采集装置、数据处理系统；所述吸能防冲锚索包括钢绞线锚索(2)、吸能防冲装置、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)、承压托盘(1)，所述吸能防冲装置包括外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、挤胀摩擦头(5)；所述外套筒(3)、承载限位基座(8)、内套筒(4)、弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)、挤胀摩擦头(5)、主动增卸压液压装置(9)、锚索锁具(18)依次共轴套装在钢绞线锚索(2)的末端；

所述外套筒(3)为外圆内圆套筒，所述外套筒(3)在首端端面设有与外套筒(3)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径且小于外套筒(3)内径的第一圆形通孔，所述外套筒(3)在末端加工有外螺纹；所述承压托盘(1)在首端设置为圆柱型连接头、在末端设置为圆柱体或四棱柱体，所述承压托盘(1)上设有与承压托盘(1)共轴的第二圆形通孔，所述第二圆形通孔的位于圆柱型连接头的部分设置有内螺纹；所述外套筒(3)的末端与所述承压托盘(1)的首端通过螺纹相连接；

所述承载限位基座(8)为圆柱体，所述承载限位基座(8)上设有与承载限位基座(8)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第三圆形通孔，所述承载限位基座(8)在末端端面加工有与所述承载限位基座(8)共轴的内径等于内套筒(4)内径且宽度等于内套筒(4)壁厚的环状限位凹槽；所述内套筒(4)坐于所述环状限位凹槽内；

所述挤胀摩擦头(5)为首端呈锥形的柱状刚性台，所述挤胀摩擦头(5)上设有与挤胀摩擦头(5)共轴的直径大于钢绞线锚索直径的第四圆形通孔；所述主动增卸压液压装置(9)的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头(5)的末端端面，所述主动增卸压液压装置(9)在末端通过锚索锁具(18)约束紧固；

所述弹簧(7)、环饼式压力传感器(10)设置在所述内套筒(4)内部、所述承载限位基座(8)与挤胀摩擦头(5)之间，所述环饼式压力传感器(10)上设有与环饼式压力传感器(10)共轴的直径大于钢绞线锚索(2)直径的第五圆形通孔，所述环饼式压力传感器(10)的外径小于所述内套筒(4)的内径；所述挤胀摩擦头(5)上还设置有数据引线孔(6)，所述数据传输线(17)的一端与所述环饼式压力传感器(10)的输出端连接、另一端穿过所述数据引线孔(6)后与所述数据采集装置的输入端连接；

所述数据采集装置与所述数据处理系统有线或无线连接；

所述环饼式压力传感器(10)用于将自身监测到的压力p传输给所述数据采集装置，所述数据采集装置用于将接收到的压力p传输给所述数据处理系统；所述数据处理系统用于根据压力p计算弹簧(7)的压缩位移用于根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算钢绞线锚索(2)在阻力F作用下产生的位移用于计算围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔL＝Δl+Δl'；其中，k为弹簧(7)的劲度系数，L、E、A分别为钢绞线锚索(2)的长度、弹性模量、横截面面积；

所述主动增卸压液压装置(9)包括缸筒(12)、活塞杆(11)；

所述缸筒(12)、活塞杆(11)上均开设有与所述缸筒(12)共轴的圆形通孔；

所述活塞杆(11)为工字形，所述缸筒(12)、活塞杆(11)之间形成互不连通的上腔(13)、下腔(14)；所述上腔(13)连通有上腔进油增压管路(15)，所述下腔(14)连通有下腔进油卸压管路(16)；

所述活塞杆(11)的首端端面抵靠在所述挤胀摩擦头(5)的末端端面，所述缸筒(12)在末端通过锚索锁具(18)约束紧固；

所述挤胀摩擦头(5)在末端端面设有退锚螺纹孔(19)；

利用所述基于防冲锚索的围岩梯度变形监测装置进行冲击预警的方法，包括下述步骤：

步骤1：以三个围岩梯度变形监测装置为一个围岩梯度变形监测组，确定围岩梯度变形监测组内三根钢绞线锚索(2)的长度分别为L₁＝n₁×R₀、L₂＝n₂×R₀、L₃＝n₃×R₀；其中，R₀为掘进巷道围岩稳定后在巷帮煤体中部采用钻屑法测量的煤体峰值应力距煤壁的深度，n₁、n₂、n₃均为系数，n₁＝1.3～1.5，n₂＝0.9～1.0，n₃＝0.5～0.7；

步骤2：确定围岩梯度变形监测组内长度为L₁、L₂、L₃的钢绞线锚索(2)对应的内套筒(4)的长度分别为(4％～8％)L₁、(2％～4％)L₂、(1％～2％)L₃；

步骤3：确定围岩梯度变形监测组的空间布置参数：

步骤3.1：对工作面进行冲击危险性初步评价；所述工作面为掘进工作面或采煤工作面；

步骤3.2：在掘进工作面滞后迎头5～10m开始、在掘进相反方向上的100～200m范围内布置围岩梯度变形在线测点，在采煤工作面距离工作煤壁前10～20m开始、在采煤方向上的100～300m范围内布置围岩梯度变形在线测点；同一围岩梯度变形监测组内相邻吸能防冲锚索的间距为1～2m，根据冲击危险性初步评价结果确定相邻围岩梯度变形监测组沿巷道走向的间距a；

步骤4：进行巷道施工在每一个围岩梯度变形在线测点安设一个围岩梯度变形监测组；

步骤5：每个围岩梯度变形监测组内第i∈{1,2,3}个围岩梯度变形监测装置中的环饼式压力传感器(10)将自身监测到的压力p_i通过数据采集装置传输给数据处理系统，数据处理系统根据压力p_i计算第i个围岩梯度变形监测装置中弹簧(7)的压缩位移根据所述吸能防冲锚索的设计吸能阻力F计算第i个围岩梯度变形监测装置中钢绞线锚索(2)在阻力F作用下产生的位移计算第i个围岩梯度变形监测装置监测的巷道围岩变形量ΔL_i＝Δl_i+Δl_i'，并计算该围岩梯度变形监测组监测到的巷道冲击危险性判别指标为并根据巷道冲击危险性判别指标判断巷道冲击危险性等级：

若则巷道冲击危险性等级为无；

若则巷道冲击危险性等级为弱；

若则巷道冲击危险性等级为中；

若则巷道冲击危险性等级为强；

其中，α为调整系数，0＜α≤1；

步骤6：根据的实时监测数据绘制随时间t变化的曲线，来实时显示监测区域的冲击危险性。