引言

巷道的安全支護(hù)在煤礦安全生產(chǎn)中起到重要的作用，也是煤礦安全生產(chǎn)中的難點(diǎn)。對(duì)巷道的安全支護(hù)的關(guān)鍵是要實(shí)時(shí)地掌握嗣巖松動(dòng)圈的破碎狀態(tài)。

巷道開(kāi)挖后破壞了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致：第一，巷道周邊徑向應(yīng)力下降為零，圍巖強(qiáng)度明顯下降；第二，圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度之后，在巷道周邊圍巖所形成的破碎帶便是圍巖松動(dòng)圈。其物理狀態(tài)表現(xiàn)為破裂縫的增加及巖體應(yīng)力水平的降低。松動(dòng)圈測(cè)試就是測(cè)試開(kāi)巷后新的破壞裂縫及其分布范圍，圍巖中有新破裂縫與沒(méi)有破裂縫的界面位置就是松動(dòng)圈的邊界。參考文獻(xiàn)介紹了基于松動(dòng)圈測(cè)試的檢測(cè)原理相應(yīng)的測(cè)試方法，包括超聲波探測(cè)法、多點(diǎn)位移計(jì)量測(cè)法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法。參考文獻(xiàn)中根據(jù)震波在不同狀態(tài)的巖層中傳播速度的不同這一原理提出了基于震波的圍巖松動(dòng)圈測(cè)試方法。

鑒于超聲波測(cè)試的簡(jiǎn)單、易于操作和無(wú)損傷等特點(diǎn)，本文提出了一種基于超聲波的圍巖裂隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)合成熟的干孔測(cè)試方法，可以方便實(shí)時(shí)地檢測(cè)到圍巖松動(dòng)圈的信息，為巷道的安全支護(hù)及時(shí)提供信息，確保礦藏生產(chǎn)的安全。

1 超聲波檢測(cè)圍巖松動(dòng)圈原理

1．1 超聲波在圍巖中的形態(tài)

當(dāng)超聲波以垂直方向入射巖體時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生縱波、橫波、表面波。根據(jù)聲學(xué)理論，在無(wú)限介質(zhì)中，這三種波的聲速分別是：

式中，Vl、Vs、Vr分別為縱波、橫波、表面波的聲速，E為楊氏模量，ρ為密度，μ為泊松比。通常，在固體中，Vs約為V1的1／2，Vr約為Vs的0．9倍。但是因沿巖體表面方向傳播的縱波、橫波能量很小，而表面波的能量卻高度集中（表面波的能量幾乎全部集中到物體表層一個(gè)波長(zhǎng)的深度內(nèi)），故到達(dá)近距離內(nèi)接收換能器的表面波幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱波和橫波。本文中，將通過(guò)采集超聲波在巖石中傳播的表面波信息來(lái)分析圍巖狀態(tài)。

此外，超聲波的傳播速度還與巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，聲波波速隨介質(zhì)裂隙發(fā)育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應(yīng)力增大、密度增大而增加。巷道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力將重新分布處于3個(gè)應(yīng)力區(qū)：應(yīng)力集中區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。這三個(gè)區(qū)的特點(diǎn)：應(yīng)力降低區(qū)（圍巖松動(dòng)圈區(qū)）裂隙較多，應(yīng)力下降，聲速低于正常波速；應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力較高，裂隙壓實(shí)，聲速高于正常波速；原巖應(yīng)力區(qū)應(yīng)力接近原始應(yīng)力狀態(tài)，波速接近正常波速。本文利用超聲波在巷道圍巖一定深度范圍內(nèi)的傳播速度的變化來(lái)判定圍巖的松動(dòng)范圍。

1．2 超聲波波速測(cè)試方案

根據(jù)超聲波發(fā)送／接收換能器的個(gè)數(shù)來(lái)劃分，目前常用的測(cè)速方案主要有單發(fā)單收和單發(fā)雙收方式，如圖1所示。這些發(fā)送／接收換能器都會(huì)按照固定的距離放入預(yù)先鉆好的圍巖孔洞。單發(fā)單收方案是通過(guò)計(jì)算從發(fā)送端到接收端之間的時(shí)間，再根據(jù)兩端之間的距離來(lái)確定測(cè)試位置處超聲波在圍巖中的傳播速度。單發(fā)雙收方案是利用發(fā)送端首波經(jīng)過(guò)兩個(gè)接收端的時(shí)間差和兩個(gè)接收端之間的距離來(lái)確定超聲波的傳播速度。

超聲波的傳播速度為：

單發(fā)單收和單發(fā)雙收均需要不斷地改變測(cè)試深度才能完成測(cè)試。本文結(jié)合單發(fā)單收和單發(fā)雙收方法，利用式（4）提出了一種單發(fā)多收的測(cè)試方案，如圖2所示。此結(jié)構(gòu)不需要多次移動(dòng)測(cè)試器，甚至可以固定到巖層中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

2 圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

主控芯片產(chǎn)生40 kHz的矩形波，高壓電路將其放大，經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)送換能器與其產(chǎn)生共振發(fā)出最大功率的超聲波。在主控芯片STM32F103產(chǎn)生40 kHz的矩形波的同時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)超聲波換能器接收到超聲波的首波之后，濾波電路判斷并濾除非40 kHz的超聲波，經(jīng)放大電路將其放大，信號(hào)整形電路對(duì)40 kHz的高低電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)送給主控芯片。主控芯片依此來(lái)記錄超聲波經(jīng)過(guò)每一個(gè)接收傳感器的時(shí)刻，并根據(jù)傳播時(shí)間計(jì)算出每一段巖層中超聲波的速度，然后將這些信息通過(guò)GPRS模塊上傳給后方監(jiān)控室。

2．1 主控單元與存儲(chǔ)模塊

本系統(tǒng)采用的主控芯片為ST公司推出的基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103。該控制器是為低功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，具有突出的能效比和處理速度。本設(shè)計(jì)中嵌入了μC／OS-II操作系統(tǒng)，可以便于多任務(wù)控制。此外，STM32微控制器支持NAND Flash存儲(chǔ)器擴(kuò)展，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)存到Flash里面，存儲(chǔ)與提取數(shù)據(jù)更加快速。

2．2 超聲波發(fā)射與接收電路

2．2．1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路由超聲波產(chǎn)生電路、放大電路以及超聲波換能器組成，如圖4所示。由STM32F103的PWM模塊產(chǎn)生40kHz的矩形波，經(jīng)放大電路放大送入超聲波發(fā)送換能器，發(fā)送出40 kHz的超聲波。

2．2．2 超聲波接收電路

超聲波接收電路包括放大信號(hào)電路、帶通濾波電路以及整剝型發(fā)電路，如圖5所示。超聲波探頭接收超聲波，經(jīng)過(guò)LM358對(duì)其兩級(jí)放大，然后將放大的信號(hào)送入LM567將波形濾波并且觸發(fā)CPU的引腳。LM567具有帶通濾波和觸發(fā)的作用，5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f，f≈1／1．1RC。當(dāng)LM567的3引腳輸入幅度大于等于25 mV，并且頻率在帶寬內(nèi)的信號(hào)時(shí)，8引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)CPU的引腳，完成接收超聲波的功能。

2．3 GPRS模塊

GPRS無(wú)線傳輸模塊采用華為公司的GSM900-C模組，如圖6所示。GSM通過(guò)串口接收CPU的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地發(fā)送給后方監(jiān)控室，通過(guò)發(fā)送引腳將后方監(jiān)控室的命令傳送給CPU，從而實(shí)現(xiàn)了后方監(jiān)控室可以主控請(qǐng)求目標(biāo)板之間人機(jī)互動(dòng)的功能。目標(biāo)板也可以自動(dòng)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)GSM模塊傳輸?shù)胶蠓奖O(jiān)控室。

3 圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于超聲波的圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。本設(shè)計(jì)中嵌入了μC／OS-II操作系統(tǒng)，主要包括4個(gè)線程：

①線程1是定時(shí)采集圍巖裂隙的數(shù)據(jù)。由后方監(jiān)控室發(fā)送采集時(shí)間表，例如如果是間隔10 min采集一次數(shù)據(jù)，則目標(biāo)板就會(huì)每隔10 min對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集完畢將數(shù)據(jù)傳送到后方服務(wù)器。

②線程2是目標(biāo)板實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器發(fā)送來(lái)的指令并保存到緩沖池。

③線程3是目標(biāo)板處理緩沖池的數(shù)據(jù)，如果檢測(cè)到緩沖池有更新，說(shuō)明后方服務(wù)器有新任務(wù)下達(dá)，則根據(jù)任務(wù)去做相應(yīng)處理。

④線程4是計(jì)數(shù)線程，準(zhǔn)確計(jì)算出從超聲波發(fā)送出去到接收到超聲波所用到的時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到圍巖的松動(dòng)圈的變化信息，這為巷道的安全支護(hù)及時(shí)提供正確參考信息。此外，本文提出的方案可以使測(cè)試人員遠(yuǎn)離礦井進(jìn)行測(cè)試，有助于礦井的安全生產(chǎn)；由于加入了多任務(wù)處理，也能實(shí)時(shí)地處理多任務(wù)，有助于以后的擴(kuò)展。