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单向冲击下 能量传导路径与传导效率测试方法

阅读：36发布：2020-08-04

专利汇可以提供单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

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Ps1(x1,y1,z1)、第二下声发射传感器(6-2)的位置坐标Ps2(x2,y2,z2)、第一上声发射传感器(7-1)的位置坐标Ps3(x3,y3,z3)和第二上声发射传感器(7-2)的位置坐标Ps4(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td1、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td2、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td3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td4；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Ld(xd,yd,zd)，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Ld+1(xd+1,yd+1,zd+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σ1i，第i个应力测点处的前后方向应力值记作σ2i，第i个应力测点处的上下方向应力值记作σ3i，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Ei；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ηi，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ηmax，并将模拟巷道(3)中最大的传导效率ηmax所在的应力测点的位置坐标记作Pz(xz,yz,zz)；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Pz(xz,yz,zz)位置注水后的传导效率ηs；
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Pz(xz,yz,zz)位置钻孔后的传导效率ηk；
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Pz(xz,yz,zz)位置支护后的传导效率ηh；
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Pz(xz,yz,zz)位置爆破后的传导效率ηb；
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Pz(xz,yz,zz)位置注水后的传导效率ηs、步骤402中模拟巷道(3)中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置钻孔后的传导效率ηk、步骤502中模拟巷道(3)中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置支护后的传导效率ηh和步骤602获取模拟巷道(3)中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置爆破后的传导效率ηb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。
2.按照权利要求1所述的单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法，步骤101中所述填充层进行一一压实时，压实至各个所述填充层的压实度分别不小于0.85；
所述煤矿巷道模型箱(2)和所述模拟煤层均为长方体，所述相似模拟材料为煤岩石，每个所述填充层的层厚均相同，且所述填充层的层厚为8cm～12cm；相邻两个应力测点的间距为8cm～12cm，所述第一应力传感器(4-1)的感应面与煤矿巷道模型箱(2)的高度方向平行，第二应力传感器(4-2)的感应面与煤矿巷道模型箱(2)的宽度方向平行，第三应力传感器(4-3)的感应面与煤矿巷道模型箱(2)的长度方向平行。
3.按照权利要求1所述的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：
步骤2013中建立空间直角坐标系的具体过程为：以模拟巷道(3)底部的宽边中心为坐标原点，过模拟巷道(3)底部的宽边中心且平行于模拟巷道(3)底部的长边方向为X轴，过模拟巷道(3)底部的宽边中心且平行于模拟巷道(3)底部的宽边方向为Y轴，过模拟巷道(3)底部的宽边中心且垂直于模拟巷道(3)的底部所在平面的直线为Z轴。
4.按照权利要求1所述的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：
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)均为SAEU3S声发射传感器；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)均为ZS1430-WSPX微型土压力盒传感器。
5.按照权利要求1所述的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：
所述微处理器(5)为单片机、ARM微控制器或者DSP微控制器。
6.按照权利要求1所述的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：
所述煤矿巷道模型箱(2)设置在底板(11)上，所述底板(11)的两端设置有竖直支撑杆，多个所述千斤顶(1)安装在竖直支撑杆(13)上，两个所述竖直支撑杆(13)的顶部设置有供铁块(12)悬挂的水平杆，所述铁块(12)位于煤矿巷道模型箱(2)的上方。

说明书全文

单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于能量传导路径与传导效率测试技术领域，尤其是涉及一种单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法。

背景技术

[0002] 以冲击地压、岩爆等为代表的动力灾害是一种威胁我国矿山开采与隧道开掘的主要动力灾害。动力灾害的发生是集中应力由围岩深部传导至巷道及工作面等自由面空间释放的过程。动力灾害的防治可以归纳为“消除源头、弱化传导、加强终端”，因此，研究能量传导路径和传导效率的机理研究，弱化能量传导对于指导动力灾害的控制具有十分重要意义。然而，目前存在巷道中能量传导路径不清，巷道中传导效率定量化描述不明，所以爆破卸压、注水软化、支护等“弱化传导”控制措施还存在较大盲目性，理论机理揭示和实验论证方面还存在盲区，缺少科学依据，因而无法准确确定能量传导路径中能量的弱化位置。且目前关于在单向冲击载荷作用下能量传导路径与传导效率的测试探究方面研究较少。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法，其方法步骤简单、设计合理且操作简便、使用效果好，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”控制措施提供准确依据，实用性强。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：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和对所述模拟巷道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以及与微处理器相接的数据存储器和时钟模块，所述微处理器的输入端接有第一应力传感器、第二应力传感器和第三应力传感器，以及按键输入模块、设置模拟巷道的底部的下组声发射传感器和设置在模拟巷道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和第二下声发射传感器，所述上组声发射传感器包括第一上声发射传感器和第二上声发射传感器，所述第一下声发射传感器、第二下声发射传感器、第一上声发射传感器和第二上声发射传感器的输出端均与微处理器的输入端相接，所述模拟巷道内设置有多个应力测点，所述第一应力传感器、第二应力传感器和第三应力传感器均位于各个所述应力测点处，该方法包括以下步骤：

[0005] 步骤一、构建模拟巷道及传感器布设：

[0006] 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内，在每个所述填充层中沿煤矿巷道模型箱的宽度方向和煤矿巷道模型箱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、第二应力传感器和第三应力传感器，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；

[0007] 步骤102、用电钻机沿煤矿巷道模型箱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，形成模拟巷道，并拆除煤矿巷道模型箱的前侧板和后侧板；其中，所述煤矿巷道模型箱的前侧板和后侧板的横截面积最小；

[0008] 步骤103、在模拟巷道的底部设置下组声发射传感器，并在模拟巷道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的底部与模拟巷道的前侧面相交的两个顶点处的第一下声发射传感器和第二下声发射传感器，所述上组声发射传感器包括设置在模拟巷道的顶部与模拟巷道的后侧面相交的两个顶点处的第一上声发射传感器和第二上声发射传感器；

[0009] 步骤104、在煤矿巷道模型箱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高度方向布设的千斤顶，上下相邻两个千斤顶的竖直间距为30cm～40cm；

[0010] 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：

[0011] 步骤201、操作千斤顶伸长，直至千斤顶的伸长端紧密接触模拟巷道的左侧板和右侧板，对模拟巷道的左右两侧进行支撑；

[0012] 步骤202、操作铁块从模拟巷道上部自由下落，直至铁块落至模拟巷道的顶部；

[0013] 步骤203、获取模拟巷道能量传导路径：

[0014] 步骤2031、建立空间直角坐标系，获得第一下声发射传感器的位置坐标Ps1(x1,y1,z1)、第二下声发射传感器的位置坐标Ps2(x2,y2,z2)、第一上声发射传感器的位置坐标Ps3(x3,y3,z3)和第二上声发射传感器的位置坐标Ps4(x4,y4,z4)，通过所述按键输入模块输入，并存储至数据存储器中；

[0015] 步骤2032、第一下声发射传感器、第二下声发射传感器、第一上声发射传感器和第二上声发射传感器分别对模拟巷道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，同时，微处理器通过时钟模块分别得到第d个采样时刻时第一下声发射传感器接收到冲击能量信号的时间td1、第d个采样时刻时第二下声发射传感器接收到冲击能量信号的时间td2、第d个采样时刻时第一上声发射传感器接收到冲击能量信号的时间td3和第d个采样时刻时第二上声发射传感器接收到冲击能量信号的时间td4；其中，d为正整数；

[0016] 步骤2033、微处理器根据公式得
到第d个采样时刻时冲击能量信号的位置坐标Ld(xd,yd,zd)，并存储至数据存储器中；其中，V表示冲击能量信号在模拟巷道中的传播速度；

[0017] 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Ld+1(xd+1,yd+1,zd+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中；

[0018] 步骤2035、采用微处理器将所述数据存储器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,获取模拟巷道中能量传导路径；

[0019] 步骤204、获取模拟巷道的初始能量传导效率：

[0020] 步骤2041、第一应力传感器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，第二应力传感器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，第三应力传感器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；其中，第i个应力测点处的左右侧向应力值记作σ1i，第i个应力测点处的前后方向应力值记作σ2i，第i个应力测点处的上下方向应力值记作σ3i，i为正整数，且i＝1、2、3、...、n，n为应力测点的数量；

[0021] 步骤2042、采用微处理器根据公式E0＝m×g×h，得到冲击源初始能量E0；其中，m为铁块的质量，g为重力加速度，h为铁块自由下落时距模拟巷道顶部的初始高度；

[0022] 步骤2043、采用微处理器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中任一个应力测点的能量Ei；其中，υ表示模拟巷道的泊松比，e表示模拟巷道的弹性模量；

[0023] 步骤2044、采用微处理器根据公式得到模拟巷道中第i个应力测点处的初始传导效率ηi，并存储至数据存储器中；

[0024] 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中；

[0025] 步骤2046、采用微处理器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，得到模拟巷道中最大的传导效率ηmax，并将模拟巷道中最大的传导效率ηmax所在的应力测点的位置坐标记作Pz(xz,yz,zz)；其中，z表示第z个应力测点，z为正整数且1≤z≤n；

[0026] 步骤三、获取模拟巷道注水后的能量传导效率：

[0027] 步骤301、在模拟巷道中能量传导路径上设置多个湿度传感器，并在模拟巷道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检测到的湿度等于湿度设定值；

[0028] 步骤302、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置注水后的传导效率ηs；

[0029] 步骤四、获取模拟巷道钻孔后的能量传导效率：

[0030] 步骤401、在模拟巷道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的长度方向布设；

[0031] 步骤402、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置钻孔后的传导效率ηk；

[0032] 步骤五、获取模拟巷道支护后的能量传导效率：

[0033] 步骤501、在模拟巷道内侧壁间隔布设多个支护U形钢；

[0034] 步骤502、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置支护后的传导效率ηh；

[0035] 步骤六、获取模拟巷道爆破后的能量传导效率：

[0036] 步骤601、在模拟巷道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；

[0037] 步骤602、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置爆破后的传导效率ηb；

[0038] 步骤七、获取模拟巷道最佳弱化传导措施：

[0039] 将步骤302中模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置注水后的传导效率ηs、步骤402中模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置钻孔后的传导效率ηk、步骤502中模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置支护后的传导效率ηh和步骤602获取模拟巷道中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置爆破后的传导效率ηb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。

[0040] 上述的单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法，步骤101中所述填充层进行一一压实时，压实至各个所述填充层的压实度分别不小于0.85；

[0041] 所述煤矿巷道模型箱和所述模拟煤层均为长方体，所述相似模拟材料为煤岩石，每个所述填充层的层厚均相同，且所述填充层的层厚为8cm～12cm；相邻两个应力测点的间距为8cm～12cm，所述第一应力传感器的感应面与煤矿巷道模型箱的高度方向平行，第二应力传感器的感应面与煤矿巷道模型箱的宽度方向平行，第三应力传感器的感应面与煤矿巷道模型箱的长度方向平行。

[0042] 上述的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：步骤2013中建立空间直角坐标系的具体过程为：以模拟巷道底部的宽边中心为坐标原点，过模拟巷道底部的宽边中心且平行于模拟巷道底部的长边方向为X轴，过模拟巷道底部的宽边中心且平行于模拟巷道底部的宽边方向为Y轴，过模拟巷道底部的宽边中心且垂直于模拟巷道的底部所在平面的直线为Z轴。

[0043] 上述的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：所述第一下声发射传感器、第二下声发射传感器、第一上声发射传感器和第二上声发射传感器均为SAEU3S声发射传感器；所述第一应力传感器、第二应力传感器和第三应力传感器均为ZS1430-WSPX微型土压力盒传感器。

[0044] 上述的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：所述微处理器为单片机、ARM微控制器或者DSP微控制器。

[0045] 上述的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：所述煤矿巷道模型箱设置在底板上，所述底板的两端设置有竖直支撑杆，多个所述千斤顶安装在所述竖直支撑杆上，两个所述竖直支撑杆的顶部设置有供铁块悬挂的水平杆，所述铁块位于煤矿巷道模型箱的上方。

[0046] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0047] 1、本发明所采用的装置结构简单、设计合理且投入成本较低。

[0048] 2、本发明所采用的测试装置仅由应力传感器和声发射传感器就实现传导路径与传导效率测试，结构简单、成本较低。

[0049] 4、本发明所采用的测试装置通过第一应力传感器对应力测点处的左右侧向应力值进行采集，第二应力传感器对应力测点处的前后方向应力值进行采集，第三应力传感器对应力测点处的上下方向应力值进行采集，得到各个应力测点处的传导效率，从而得到模拟巷道中最大的传导效率所在位置，便于为各种各样巷道的“弱化传导”措施进行判断。

[0050] 5、本发明所采用的测试装置通过第一下声发射传感器、第二下声发射传感器、第一上声发射传感器和第二上声发射传感器分别对模拟巷道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，微处理器根据第一下声发射传感器、第二下声发射传感器、第一上声发射传感器和第二上声发射传感器接收冲击能量信号的时间不同，从而得到时冲击能量信号的位置，进而得到模拟巷道中能量传导路径，为准确实施能量传导路径中能量的弱化提供位置指导。

[0051] 6、本发明所采用的测试装置设置模拟巷道，通过建立相似物理模型，更真实地模拟实际煤矿巷道，同时便于不同冲击动力载荷下、不同模拟材料下下以及不同弱化手段开展实验为弱化传导提供科学依据。

[0052] 7、本发明测试方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能准确地获取能量传导路径与传导效率，根据能量传导路径便于对模拟巷道进行注水、钻孔、支护、爆破等弱化传导措施的实施，从而根据注水、钻孔、支护、爆破等方式获得的传导效率，得到模拟巷道最佳弱化传导措施，为巷道能量“弱化传导”控制措施提供准确依据。

[0053] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0054] 图1为本发明所采用装置的结构示意图。

[0055] 图2为本发明所采用装置的电路原理框图。

[0056] 图3为本发明所采用装置中第一下声发射传感器、第二下声发射传感器、第一上声发射传感器和第二上声发射传感器安装的结构示意图。

[0057] 图4为本发明的方法流程框图。

[0058] 附图标记说明:

[0059] 1—千斤顶； 2—煤矿巷道模型箱； 3—模拟巷道；

[0060] 4-1—第一应力传感器； 4-2—第二应力传感器； 4-3—第三应力传感器；

[0061] 5—微处理器； 6-1—第一下声发射传感器；

[0062] 6-2—第二下声发射传感器； 7-1—第一上声发射传感器；

[0063] 7-2—第二上声发射传感器； 9—按键输入模块；

[0064] 10—数据存储器； 11—底板； 12—铁块；

[0065] 13—竖直支撑杆； 14—湿度传感器； 15—时钟模块。

具体实施方式

[0066] 如图1至图3，本发明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。

[0067] 本实施例中，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均为SAEU3S声发射传感器；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均为ZS1430-WSPX微型土压力盒传感器。

[0068] 本实施例中，所述微处理器5为单片机、ARM微控制器或者DSP微控制器。

[0069] 本实施例中，进一步地，所述微处理器5为MSP430单片机。

[0070] 本实施例中，所述模拟巷道3包括煤矿巷道模型箱2和设置在煤矿巷道模型箱2内且用于模拟实际煤矿巷道围岩的相似模拟材料，所述煤矿巷道模型箱2的左侧板和右侧板对称设置两组侧向支撑机构，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。

[0071] 本实施例中，所述煤矿巷道模型箱2设置在底板11上，所述底板11的两端设置有竖直支撑杆，多个所述千斤顶1安装在竖直支撑杆13上，两个所述竖直支撑杆13的顶部设置有供铁块12悬挂的水平杆，所述铁块12位于煤矿巷道模型箱2的上方。

[0072] 如图4所示，本发明一种单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法，包括以下步骤：步骤一、构建模拟巷道及传感器布设：

[0073] 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；

[0074] 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；

[0075] 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；

[0076] 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；

[0077] 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：

[0078] 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；

[0079] 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；

[0080] 步骤203、获取模拟巷道能量传导路径：

[0081] 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Ps1(x1,y1,z1)、第二下声发射传感器6-2的位置坐标Ps2(x2,y2,z2)、第一上声发射传感器7-1的位置坐标Ps3(x3,y3,z3)和第二上声发射传感器7-2的位置坐标Ps4(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；

[0082] 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td1、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td2、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td3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td4；其中，d为正整数；

[0083] 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Ld(xd,yd,zd)，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；

[0084] 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Ld+1(xd+1,yd+1,zd+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；

[0085] 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；

[0086] 步骤204、获取模拟巷道的初始能量传导效率：

[0087] 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σ1i，第i个应力测点处的前后方向应力值记作σ2i，第i个应力测点处的上下方向应力值记作σ3i，i为正整数，且i＝1、2、3、...、n，n为应力测点的数量；

[0088] 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；

[0089] 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Ei；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；

[0090] 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ηi，并存储至数据存储器10中；

[0091] 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；

[0092] 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ηmax，并将模拟巷道3中最大的传导效率ηmax所在的应力测点的位置坐标记作Pz(xz,yz,zz)；其中，z表示第z个应力测点，z为正整数且1≤z≤n；

[0093] 步骤三、获取模拟巷道注水后的能量传导效率：

[0094] 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；

[0095] 步骤302、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置注水后的传导效率ηs；

[0096] 步骤四、获取模拟巷道钻孔后的能量传导效率：

[0097] 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；

[0098] 步骤402、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置钻孔后的传导效率ηk；

[0099] 步骤五、获取模拟巷道支护后的能量传导效率：

[0100] 步骤501、在模拟巷道3内侧壁间隔布设多个支护U形钢；

[0101] 步骤502、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置支护后的传导效率ηh；

[0102] 步骤六、获取模拟巷道爆破后的能量传导效率：

[0103] 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；

[0104] 步骤602、重复步骤202和步骤204，得到模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置爆破后的传导效率ηb；

[0105] 步骤七、获取模拟巷道最佳弱化传导措施：

[0106] 将步骤302中模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置注水后的传导效率ηs、步骤402中模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置钻孔后的传导效率ηk、步骤502中模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置支护后的传导效率ηh和步骤602获取模拟巷道3中应力测点Pz(xz,yz,zz)位置爆破后的传导效率ηb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。

[0107] 本实施例中，所述能量传导弱化孔的直径是所述模拟巷道3的孔径的

[0108] 本实施例中，相邻两个所述支护U形钢之间的间距是所述模拟巷道3的孔径的[0109] 本实施例中，需要说明的是，所述爆破位置在模拟巷道3巷道围岩内，爆破不影响模拟巷道3的整体结构。

[0110] 本实施例中，实际测试过程中，所述铁块12的质量和铁块12自由下落时距模拟巷道顶部的初始高度可根据测试要求进行改变。

[0111] 实际测试过程中，需要说明的是，预先建立多个相同的模拟巷道3，以供后续测试步骤三中模拟巷道的注水、步骤四模拟巷道的钻孔、步骤五模拟巷道的支护和步骤六中模拟巷道的爆破均是在相同的模拟巷道3上进行，以保证测试的准确性。

[0112] 本实施例中，步骤101中所述填充层进行一一压实时，压实至各个所述填充层的压实度分别不小于0.85；

[0113] 所述煤矿巷道模型箱2和所述模拟煤层均为长方体，所述相似模拟材料为煤岩石，每个所述填充层的层厚均相同，且所述填充层的层厚为8cm～12cm；相邻两个应力测点的间距为8cm～12cm，所述第一应力传感器4-1的感应面与煤矿巷道模型箱2的高度方向平行，第二应力传感器4-2的感应面与煤矿巷道模型箱2的宽度方向平行，第三应力传感器4-3的感应面与煤矿巷道模型箱2的长度方向平行。

[0114] 本实施例中，步骤2013中建立空间直角坐标系的具体过程为：以模拟巷道3底部的宽边中心为坐标原点，过模拟巷道3底部的宽边中心且平行于模拟巷道3底部的长边方向为X轴，过模拟巷道3底部的宽边中心且平行于模拟巷道3底部的宽边方向为Y轴，过模拟巷道3底部的宽边中心且垂直于模拟巷道3的底部所在平面的直线为Z轴。

[0115] 综上所述，本发明设计合理且实现方便、使用效果好，能准确地获取能量传导路径与传导效率，根据能量传导路径便于对模拟巷道进行注水、钻孔、支护、爆破等弱化传导措施的实施，从而根据注水、钻孔、支护、爆破等方式获得的传导效率，得到模拟巷道最佳弱化传导措施，为巷道能量“弱化传导”控制措施提供准确依据。

[0116] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

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单向冲击下能量传导路径与传导效率测试方法

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