矿山锚杆群在线监测系统

孔令成

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 双马煤矿， 宁夏 灵武 750408)

0 引言

锚杆支护在矿山工程中得到了广泛的应用。锚杆对岩土进行锚固是利用锚杆(索)周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力以保持地层稳定。对锚杆支护的原理解释主要有加固拱作用；悬吊作用； 组合梁(拱)作用；最大水平应力理论；锚杆支护围岩强度强化理论等。所在这些理论均是将相邻的锚杆及其范围内的围岩作为一个整体来考虑的，即锚杆群。如文献[1]给出了大跨度矩形巷道锚杆群支护特征分析；文献[2]分析了土层锚杆群锚效应的研究现状；而文献[3]则研究了矩形巷道预应力锚杆群支护作用。由此可见锚杆群对于锚固的重要性。

然而，现在锚杆锚固质量的监测均是对单根锚杆进行的，不能反映相邻锚杆群及围岩之间的耦合关系，不能确定整体锚固效果。如：拉拔试验法检测锚杆锚固质量[4]；应力波反射法检测锚杆锚固质量[4]；光纤传感技术锚杆轴力监测[5]，文献[6]给出了钢筋锚杆和D型锚杆详细的力学实验分析，其结果也说明了锚杆群作用的重要性。然而，锚杆监测技术与锚杆群锚杆理论还存在较大的差距，唯有文献[7]介绍了一种锚杆群支护质量检测方法和检测装置，提出应用锚杆群各锚杆之间振动弹性波相互耦合的原理，实现对锚固体内锚杆群及锚固质量进行监测。然而，其只能适用于范围的人工监测，不能实现在线自动监测。在此基础上，本文设计了一套锚杆群在线自动监测系统。

1 锚杆群在线监测系统原理

1.1 锚杆群在线监测系统组成

文献[7]锚杆群监测的原理为：一个相邻的3*3锚杆群，选中间锚杆为主激振锚杆，由激振锤给主振锚杆一个激振波，此激振波将在锚固体中传输并耦合给相邻的其他锚杆，引起这些锚杆随之振动。由于岩层破裂或某个锚杆锚固不佳，则在各个锚杆上得到的振动将有差异。通过监测各个锚杆的振动波形，进行软件分析，可得出这个锚杆群整体锚固质量的情况。经分析表明，振动传输耦合显然不仅仅适用于3*3相邻的锚杆群，同样能适用于纵横向呈任意分布的锚杆群组合。由此可见，锚杆群在线监测系统主要需要解决激振和振动检测问题。

设计的锚杆群在线监测装置如图1所示。系统由多个装置通过485总线连接而成，系统为主从工作方式，分为主站和分站，由切换开关进行主、分站的设置。使用STC15F2K60S2单片机作为装置的主控芯片。工作时由主站的单片机控制激振器发出激振信号，振动信号由主振锚杆传入锚固体进行传输，再由安装在其他锚杆上的分站振动传感器采集振动信号，进入分站的单片机进行处理。主站与分站电路设计相同，只是运行的软件有区别，这样可根据需要，灵活地切换主站和分站的位置，方便实现文献[6]所述的在不同位置的激振和振动检测。

图1 锚杆群在线监测装置

1.2 锚杆群耦合在线监测主要解决的问题

锚杆群在线监测系统需要解决的2个主要关键技术问题是主站与各个监测分站时间同步和对激振信号的相关监测提取。这是由于矿山地层中各种振动信号繁多，对激振信号的监测提取会形成干扰，用普通的滤波方法很难将干扰信号去除，采用相干滤波提取激振信号比较有效[7]。

1.2.1 时间同步问题

由于需要判断不同锚杆之间振动信号的相关性，为了减少相关信号计算量，只需要计算激振后一段短时间内信号的相关性，因此主站与各分站之间的时间同步问题比较重要。本设计中采用每次激振测量前，由主站发送定时信号的方式进行主、分站之间的时间同步与校准。这样可以防止各个分站之间的时间积累误差，使得与时间相关的计算更为准确可靠。

1.2.2 相关信号提取检测

激振信号初至波及其时间是辅助信号处理的重要信息，本系统采用文献[8]提出了一种“基于相关性分析的矿山微振信号初至波时刻提取方法”，利用相关函数对信号进行相关性分析，从而判断振动信号是否来自同一激振源。该方法设主站监测到的振动数据序列为xn，而某分站监测到的数据序列为yn，由2个离散信号序列信号的相关函数公式可知，其相关函数为：

(1)

这2个序列信号的相关系数矩阵为：

(2)

式中：ρij=E((Xi-E(Xi))·(Yj-E(Yj)))，X为xn序列的总和，Y为yn序列的总和，E为数学期望。

相关系数矩阵主对角线表示信号的自相关性，即X与X，Y与Y的相关性，因此，其始终为1；副对角线则表示2个信号之间的相关性，绝对值越大，相关性越好。一般情况下2个信号相关系数绝对值0.5以上即可认为是显著相关，而判断2个信号是来自同一振动源，该值可根据实际情况而更改。

在测量到的主站与分站数据波形及相关性计算，当2个信号的相关性在0.65以上，说明2个信号来自相同的振动源。两站相隔1.5 m时，相关时间约为250 μs。

2 锚杆群耦合在线监测软件

锚杆群耦合在线监测软件流程图如图2所示，分为主程序和分站中断程序两部分。

图2 锚杆群耦合在线监测软件流程图

主程序初始化后，首先判断自身是主站还是分站，若是分站，则进入显示本分站数据，并等待外部中断的到来。若是主站，则运行主站程序，向总线发定时信号，向激振器发激振信号，然后采集自身锚杆的振动信号，并存贮数据，轮流查询各分站数据，并进行相关计算。存贮显示主站和各分站数据。待设定的再次检测时间到了再重复上述过程进行新的监测。

分站中断程序由主站的定时信号触发。该定时信号用时用作各分站与主站的时间同步。分站采集振动数据完成后将数据传输给主站，并进行存贮，以供显示。

现场监测系统通过485总线将测量到的数据传送给地面上位机进行可视化的处理与显示。

3 实验结果分析

在相似模型中对锚固群耦合监测系统进行了实验，结果如图3所示，图中横坐标是采样点，纵坐标是振动归一化后的相对幅值。图3分别给出了测量到的主振锚杆，相距1.5 m和3 m的2个锚杆振动波形。测振采用YD33振动传感器，其测量范围：在18 V时为±20 g。在2个分站锚杆上测得的信号与主站信号的相关性均大于0.6，其中1.5 m处的分站数据与主站相关性为0.91，而3 m处的分站与主站相关性为0.89，说明2个锚杆的振动信号是来自相同的振动源，即由主振锚杆的振动经锚固体耦合而来。1.5 m处分站信号的相关时间约为250 μs，3 m处分站信号的相关时间约为300 μs。实验表明振动波形可以通过岩层传播到相邻的锚杆，传播过程中具有较明显的衰减。

图3 锚杆群在线监测模型实验数据

实验证明了锚杆群耦合在线监测系统的有效性。然而具体不同岩层适合传输的振动频率及其他许多实用相关的问题有待进一步研究。

4 结论

本文设计了一套基于485总线的锚杆群在线实时监测系统。系统采用485工业总路线，为主从工作方式，采集装置可由切换开关进行主、分站的设置。系统设计中考虑了时间同步要求和振动数据的相关性分析要求。在相似材料模型上的实验结果表明了系统的有效性。许多与现场实用相关的问题有待进一步研究分析。