[发明专利]单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法

摘要

本发明公开了一种单向冲击下能量传导路径与传导效率测试装置及方法，该装置模拟巷道和测量机构，所述测量机构包括微处理器、第一应力传感器、第二应力传感器和第三应力传感器，以及按键输入模块、下组声发射传感器和上组声发射传感器；该方法包括步骤：一、构建模拟巷道及传感器布设；二、获取模拟巷道中能量传导路径及初始能量传导效率；三、获取模拟巷道注水后的能量传导效率；四、获取模拟巷道钻孔后的能量传导效率；五、获取模拟巷道支护后的能量传导效率；六、获取模拟巷道爆破后的能量传导效率；七、获取模拟巷道最佳弱化传导措施。本发明设计合理，能准确地获取能量传导路径与传导效率，为巷道能量“弱化传导”措施提供准确依据。

主权项

1.单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法，其特征在于，该方法所采用的装置包括模拟巷道(3)和对所述模拟巷道(3)中能量传导路径与传导效率进行检测的测量机构，所述测量机构包括微处理器(5)以及与微处理器(5)相接的数据存储器(10)和时钟模块(15)，所述微处理器(5)的输入端接有第一应力传感器(4‑1)、第二应力传感器(4‑2)和第三应力传感器(4‑3)，以及按键输入模块(9)、设置模拟巷道(3)的底部的下组声发射传感器和设置在模拟巷道(3)的顶部的上组声发射传感器，所述下组声发射传感器包括第一下声发射传感器(6‑1)和第二下声发射传感器(6‑2)，所述上组声发射传感器包括第一上声发射传感器(7‑1)和第二上声发射传感器(7‑2)，所述第一下声发射传感器(6‑1)、第二下声发射传感器(6‑2)、第一上声发射传感器(7‑1)和第二上声发射传感器(7‑2)的输出端均与微处理器(5)的输入端相接，所述模拟巷道(3)内设置有多个应力测点，所述第一应力传感器(4‑1)、第二应力传感器(4‑2)和第三应力传感器(4‑3)均位于各个所述应力测点处，该方法包括以下步骤：步骤一、构建模拟巷道及传感器布设：步骤101、将用于模拟实际煤矿巷道围岩的相似模拟材料由下至上分多个填充层填充在煤矿巷道模型箱(2)内，在每个所述填充层中沿煤矿巷道模型箱(2)的宽度方向和煤矿巷道模型箱(2)的长度方向间隔设置应力测点，并在各个应力测点处设置第一应力传感器(4‑1)、第二应力传感器(4‑2)和第三应力传感器(4‑3)，多个所述填充层填充的过程中分别对多个所述填充层进行一一压实，形成模拟煤层；步骤102、用电钻机沿煤矿巷道模型箱(2)的长度方向在所述模拟煤层中钻孔，直至贯穿煤矿巷道模型箱(2)，形成模拟巷道(3)，并拆除煤矿巷道模型箱(2)的前侧板和后侧板；其中，所述煤矿巷道模型箱(2)的前侧板和后侧板的横截面积最小；步骤103、在模拟巷道(3)的底部设置下组声发射传感器，并在模拟巷道(3)的顶部设置上组声发射传感器；其中，所述下组声发射传感器包括设置在模拟巷道(3)的底部与模拟巷道(3)的前侧面相交的两个顶点处的第一下声发射传感器(6‑1)和第二下声发射传感器(6‑2)，所述上组声发射传感器包括设置在模拟巷道(3)的顶部与模拟巷道(3)的后侧面相交的两个顶点处的第一上声发射传感器(7‑1)和第二上声发射传感器(7‑2)；步骤104、在煤矿巷道模型箱(2)的左侧板和右侧板对称设置两组侧向支撑机构；其中，所述侧向支撑机构包括多个沿煤矿巷道模型箱(2)高度方向布设的千斤顶(1)，上下相邻两个千斤顶(1)的竖直间距为30cm～40cm；步骤二、获取模拟巷道中能量传导路径及初始能量传导效率：步骤201、操作千斤顶(1)伸长，直至千斤顶(1)的伸长端紧密接触模拟巷道(3)的左侧板和右侧板，对模拟巷道(3)的左右两侧进行支撑；步骤202、操作铁块(12)从模拟巷道(3)上部自由下落，直至铁块(12)落至模拟巷道(3)的顶部；步骤203、获取模拟巷道能量传导路径：步骤2031、建立空间直角坐标系，获得第一下声发射传感器(6‑1)的位置坐标P_s1(x₁,y₁,z₁)、第二下声发射传感器(6‑2)的位置坐标P_s2(x₂,y₂,z₂)、第一上声发射传感器(7‑1)的位置坐标P_s3(x₃,y₃,z₃)和第二上声发射传感器(7‑2)的位置坐标P_s4(x₄,y₄,z₄)，通过所述按键输入模块(9)输入，并存储至数据存储器(10)中；步骤2032、第一下声发射传感器(6‑1)、第二下声发射传感器(6‑2)、第一上声发射传感器(7‑1)和第二上声发射传感器(7‑2)分别对模拟巷道(3)中的冲击能量信号进行采集，并将采集的冲击能量信号发送至微处理器(5)，同时，微处理器(5)通过时钟模块(15)分别得到第d个采样时刻时第一下声发射传感器(6‑1)接收到冲击能量信号的时间t_d1、第d个采样时刻时第二下声发射传感器(6‑2)接收到冲击能量信号的时间t_d2、第d个采样时刻时第一上声发射传感器(7‑1)接收到冲击能量信号的时间t_d3和第d个采样时刻时第二上声发射传感器(7‑2)接收到冲击能量信号的时间t_d4；其中，d为正整数；步骤2033、微处理器(5)根据公式得到第d个采样时刻时冲击能量信号的位置坐标L_d(x_d,y_d,z_d)，并存储至数据存储器(10)中；其中，V表示冲击能量信号在模拟巷道(3)中的传播速度；步骤2034、重复步骤2032和步骤2033，得到第d+1个采样时刻时冲击能量信号的位置坐标L_d+1(x_d+1,y_d+1,z_d+1)，并依次将第d+1个采样时刻时冲击能量信号的位置坐标存储至所述数据存储器(10)中；步骤2035、采用微处理器(5)将所述数据存储器(10)中存储的各个采样时刻冲击能量信号的位置坐标按照采样时间先后顺序进行排列，并采用微处理器(5)调用路径绘制模块绘制出冲击能量信号的位置随时间t变化的路径,获取模拟巷道(3)中能量传导路径；步骤204、获取模拟巷道的初始能量传导效率：步骤2041、第一应力传感器(4‑1)对应力测点处的左右侧向应力值进行采集，并将采集到的左右侧向应力值发送至微处理器(5)，第二应力传感器(4‑2)对应力测点处的前后方向应力值进行采集，并将采集到的前后方向应力值发送至微处理器(5)，第三应力传感器(4‑3)对应力测点处的上下方向应力值进行采集，并将采集到的上下方向应力值发送至微处理器(5)；其中，第i个应力测点处的左右侧向应力值记作σ_1i，第i个应力测点处的前后方向应力值记作σ_2i，第i个应力测点处的上下方向应力值记作σ_3i，i为正整数，且i＝1、2、3、...、n，n为应力测点的数量；步骤2042、采用微处理器(5)根据公式E₀＝m×g×h，得到冲击源初始能量E₀；其中，m为铁块(12)的质量，g为重力加速度，h为铁块(12)自由下落时距模拟巷道(3)顶部的初始高度；步骤2043、采用微处理器(5)根据公式得到冲击源初始能量E₀经过巷道围岩传播衰减后到达模拟巷道(3)中任一个应力测点的能量E_i；其中，υ表示模拟巷道(3)的泊松比，e表示模拟巷道(3)的弹性模量；步骤2044、采用微处理器(5)根据公式得到模拟巷道(3)中第i个应力测点处的初始传导效率η_i，并存储至数据存储器(10)中；步骤2045、多次重复步骤2041至步骤2044，得到多个所述应力测点处的初始传导效率，并依次将多个所述应力测点处的传导效率存储至数据存储器(10)中；步骤2046、采用微处理器(5)将多个所述应力测点处的传导效率按照从大到小的顺序进行排序，得到模拟巷道(3)中最大的传导效率η_max，并将模拟巷道(3)中最大的传导效率η_max所在的应力测点的位置坐标记作P_z(x_z,y_z,z_z)；其中，z表示第z个应力测点，z为正整数且1≤z≤n；步骤三、获取模拟巷道注水后的能量传导效率：步骤301、在模拟巷道(3)中能量传导路径上设置多个湿度传感器(14)，并在模拟巷道(3)中能量传导路径上设置多个注水孔，通过所述注水孔注水，直至各个湿度传感器(14)检测到的湿度等于湿度设定值；步骤302、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置注水后的传导效率η_s；步骤四、获取模拟巷道钻孔后的能量传导效率：步骤401、在模拟巷道(3)中能量传导路径上开挖钻孔，形成能量传导弱化孔；其中，所述能量传导弱化孔沿模拟巷道(3)的长度方向布设；步骤402、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置钻孔后的传导效率η_k；步骤五、获取模拟巷道支护后的能量传导效率：步骤501、在模拟巷道(3)内侧壁间隔布设多个支护U形钢；步骤502、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置支护后的传导效率η_h；步骤六、获取模拟巷道爆破后的能量传导效率：步骤601、在模拟巷道(3)中能量传导路径上选择爆破位置，在所述爆破位置处开设炮孔，并安装炸药进行爆破；步骤602、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置爆破后的传导效率η_b；步骤七、获取模拟巷道最佳弱化传导措施：将步骤302中模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置注水后的传导效率η_s、步骤402中模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置钻孔后的传导效率η_k、步骤502中模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置支护后的传导效率η_h和步骤602获取模拟巷道(3)中应力测点P_z(x_z,y_z,z_z)位置爆破后的传导效率η_b按照从小到大的顺序进行排序，则传导效率最小值所对应的措施为模拟巷道最佳弱化传导措施。