一种巷道帮部位移测量设备及方法

摘要

本发明公开一种巷道帮部位移测量设备及方法，该设备包括用于发射带电粒子的粒子发射源、用于筛选出特定速度带电粒子的第一空间、粒子接收器以及用于将带电粒子偏转至粒子接收器上的第二空间；在第一空间中设置有竖直向下的电场，在第一空间和第二空间中设置有垂直巷道断面向里的匀强磁场；粒子接收器与随动杆连接，随动杆的固定端插入巷道帮部的松动岩层中。本发明根据带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动规律来进行巷道帮部蠕变位移量的测量，可使巷道帮部蠕变位移量的测量结果准确性大大提高，同时可提高测量的便捷性与高效性，而且在巷道帮部蠕变位移量测量的同时能够保证井下的正常生产，不影响行人及通车，确保生产作业的正常进行。

权利要求

1.一种巷道帮部位移测量设备，其特征在于：包括用于发射带电粒子的粒子发射源、用于筛选出特定速度带电粒子的第一空间、粒子接收器以及用于将带电粒子偏转至粒子接收器上的第二空间；

粒子发射源位于第一空间的一侧，第二空间位于第一空间的另一侧；粒子发射源与第一外接电源连接，其向第一空间中发射带电粒子；

在第一空间中设置有第一金属板和第二金属板，第一金属板和第二金属板平行布置在第一空间的上边界和下边界，第一金属板和第二金属板连接第二外接电源，且第一金属板带正电，第二金属板带负电，第一金属板和第二金属板之间产生竖直向下的电场；

在第二空间中设置有第三金属板和第四金属板，第三金属板和第四金属板平行布置在第二空间的左边界和右边界，在第三金属板上还设置有供带电粒子穿过的通孔；所述粒子接收器布置在第二空间的上边界处，粒子接收器与外接显示屏连接；

在第一空间和第二空间位置处还设置有亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈通电后在第一空间和第二空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场；

所述第四金属板与固定杆连接，固定杆的固定端插入巷道帮部的稳定岩层中；所述粒子接收器与随动杆连接，随动杆的固定端插入巷道帮部的松动岩层中；

所述粒子接收器和随动杆之间设置有连接板，粒子接收器与连接板的一面连接，随动杆与连接板的另一面连接；在固定杆和随动杆之间设置有连接杆，连接杆的两端设置有导向轮，所述导向轮的轮毂边缘带有便于固定杆或随动杆的杆体嵌入的凹槽；

所述亥姆霍兹线圈包括第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈、第三亥姆霍兹线圈和第四亥姆霍兹线圈，其中第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分别设置在第一空间的前后面，第三亥姆霍兹线圈和第四亥姆霍兹线圈分别设置在第二空间的前后面。

2.一种巷道帮部位移测量方法，采用如权利要求1所述的设备，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，分别将固定杆的固定端与随动杆的固定端插入巷道帮部的稳定岩层与松动岩层中，使其分别与稳定岩层和松动岩层相对固定；

步骤二，将连接杆的两个导向轮分别卡入随动杆和固定杆；

步骤三，接通第一外接电源，使粒子发射源不断产生速度为v的带电粒子，所述带电粒子带正电，且所带电荷为q，带电粒子首先进入第一空间；

步骤四，接通第二外接电源，使第一金属板带正电，第二金属板带负电，带电粒子在第一空间中受垂直向下的电场力；所述第一金属板与第二金属板之间电压为U1，距离为d1；第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈通电后在第一空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场，所述匀强磁场强度为B1；

所述带电粒子在第一空间中受到竖直向上的洛伦兹力F洛1＝B1vq和竖直向下的电场力F电＝U1/d1×q，二力大小相等，方向相反，即F洛1＝F电，所以通过第一空间的带电粒子速度为v＝U1/B1d1，在第一空间中筛选掉速度不为v的带电粒子，保证只有速度为v的带电粒子才能做匀速直线运动通过第一空间，且穿过第三金属板上的通孔，进入第二空间；

步骤五，所述第三亥姆霍兹线圈和第四亥姆霍兹线圈通电后在第二空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场，且匀强磁场强度为B2，带电粒子进入第二空间后受到垂直速度运动方向的洛伦兹力F洛2＝B2vq后做匀速圆周运动，带电粒子所受的洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力，即F洛2＝F向，而向心力大小为F向＝mv2/R，所以带电粒子做匀速圆周运动的半径为R＝mv/B2q，控制圆的半径R与第三金属板上的通孔到粒子接收器的距离d2相同，即R＝d2，所以带电粒子做匀速圆周运动后垂直打在粒子接收器上，被粒子接收器接收；

将粒子接收器接通外接显示屏，使带电粒子在第二空间中受到垂直速度运动方向的洛伦兹力后垂直偏转至粒子接收器上，被粒子接收器接收，通过外接显示屏显示每次接收粒子的位置情况；

当巷道帮部的松动岩层发生变形产生位移时，随动杆的固定端随着巷道帮部松动岩层的运动而产生位移，固定杆的固定端由于固定于稳定岩层，不产生位移；随动杆产生位移后，通过连接板推动粒子接收器发生位移；由第二空间偏转至粒子接收器上的带电粒子源源不断的被粒子接收器接收，当粒子接收器产生位移后，粒子接收器接收带电粒子的位置也在不断变化，并且通过外接显示屏显示每次接收粒子的位置情况，通过外接显示屏，可看出带电粒子的具体偏转位置，进而显示出巷道帮部发生蠕变的位移情况。

说明书

一种巷道帮部位移测量设备及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及矿山压力监测领域，特别涉及一种新型巷道帮部位移测量设备，以及采用该设备进行巷道帮部位移测量的方法。

背景技术

[0002] 巷道帮部位移计是煤矿常用到的观测矿山压力的仪器，其主要使用目的是在矿山压力的观测中测量巷道表面位移量。现阶段，对巷道的表面位移的测量通常采用“十字布点法”，其具体做法为：在巷道顶、底板及其两帮布置垂直巷道帮部表面的钻孔，顶部测点布置在巷道中心线上，帮部测点布置在便于测量的位置(腰线)，由于煤巷掘进底鼓量大，底板可不设基点，以顶板基点垂线与帮部基点连线下尺寸作为底鼓量。将木桩打入钻孔内，木桩端部安设环形测钩或平头测钉作为测量基点。顶部测点需悬挂测线，便于测量。布置的基点必须有明显标记，同一巷道的标记需统一样式。观测时，利用钢卷尺或测枪测量，帮部位移必须分中测量，顶板下沉量、底鼓量采用分腰线上下量测。

[0003] 上述“十字布点法”主要存在测量误差较大、准确性差、步骤复杂、效率低下，费时费力，测量时容易对井下行人车辆造成影响等缺点。

发明内容

[0004] 针对上述“十字布点法”巷道帮部位移测量中存在的诸多缺点，本发明提供一种巷道帮部位移测量设备及方法。

[0005] 本发明所采用的技术解决方案是：

[0006] 一种巷道帮部位移测量设备，包括用于发射带电粒子的粒子发射源、用于筛选出特定速度带电粒子的第一空间、粒子接收器以及用于将带电粒子偏转至粒子接收器上的第二空间；

[0007] 粒子发射源位于第一空间的一侧，第二空间位于第一空间的另一侧；粒子发射源与第一外接电源连接，其向第一空间中发射带电粒子；

[0008] 在第一空间中设置有第一金属板和第二金属板，第一金属板和第二金属板平行布置在第一空间的上边界和下边界，第一金属板和第二金属板连接第二外接电源，且第一金属板带正电，第二金属板带负电，第一金属板和第二金属板之间产生竖直向下的电场；

[0009] 在第二空间中设置有第三金属板和第四金属板，第三金属板和第四金属板平行布置在第二空间的左边界和右边界，在第三金属板上还设置有供带电粒子穿过的通孔；所述粒子接收器布置在第二空间的上边界处，粒子接收器与外接显示屏连接；

[0010] 在第一空间和第二空间位置处还设置有亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈通电后在第一空间和第二空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场；

[0011] 所述第四金属板与固定杆连接，固定杆的固定端插入巷道帮部的稳定岩层中；所述粒子接收器与随动杆连接，随动杆的固定端插入巷道帮部的松动岩层中。

[0012] 优选的，所述粒子接收器和随动杆之间设置有连接板，粒子接收器与连接板的一面连接，随动杆与连接板的另一面连接；在固定杆和随动杆之间设置有连接杆，连接杆的两端设置有导向轮，所述导向轮的轮毂边缘带有便于固定杆或随动杆的杆体嵌入的凹槽。连接杆等的设置，对随动杆起到支撑作用，且不影响其水平移动，使巷道帮部松动岩层产生的蠕变位移准确转换成粒子接收器的位移。

[0013] 优选的，所述亥姆霍兹线圈包括第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈、第三亥姆霍兹线圈和第四亥姆霍兹线圈，其中第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分别设置在第一空间的前后面，第三亥姆霍兹线圈和第四亥姆霍兹线圈分别设置在第二空间的前后面。

[0014] 一种巷道帮部位移测量方法，采用如上所述的设备，包括以下步骤：

[0015] 步骤一，分别将固定杆的固定端与随动杆的固定端插入巷道帮部的稳定岩层与松动岩层中，使其分别与稳定岩层和松动岩层相对固定；

[0016] 步骤二，将连接杆的两个导向轮分别卡入随动杆和固定杆；

[0017] 步骤三，接通第一外接电源，使粒子发射源不断产生速度为v的带电粒子，所述带电粒子带正电，且所带电荷为q，带电粒子首先进入第一空间；

[0018] 步骤四，接通第二外接电源，使第一金属板带正电，第二金属板带负电，带电粒子在第一空间中受垂直向下的电场力；所述第一金属板与第二金属板之间电压为U1，距离为d1；第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈通电后在第一空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场，所述匀强磁场强度为B1；

[0019] 所述带电粒子在第一空间中受到竖直向上的洛伦兹力F洛1＝B1vq和竖直向下的电场力F电＝U1/d1×q，二力大小相等，方向相反，即F洛1＝F电，所以通过第一空间的带电粒子速度为v＝U1/B1d1，在第一空间中筛选掉速度不为v的带电粒子，保证只有速度为v的带电粒子才能做匀速直线运动通过第一空间，且穿过第三金属板上的通孔，进入第二空间；

[0020] 步骤五，所述第三亥姆霍兹线圈和第四亥姆霍兹线圈通电后在第二空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场，且匀强磁场强度为B2，带电粒子进入第二空间后受到垂直速度运动方向的洛伦兹力F洛2＝B2vq后做匀速圆周运动，带电粒子所受的洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力，即F洛2＝F向，而向心力大小为F向＝mv2/R，所以带电粒子做匀速圆周运动的半径为R＝mv/B2q，控制圆的半径R与第三金属板上的通孔到粒子接收器的距离d2相同，即R＝d2，所以带电粒子做匀速圆周运动后垂直打在粒子接收器上，被粒子接收器接收；

[0021] 将粒子接收器接通外接显示屏，使带电粒子在第二空间中受到垂直速度运动方向的洛伦兹力后垂直偏转至粒子接收器上，被粒子接收器接收，通过外接显示屏显示每次接收粒子的位置情况；

[0022] 当巷道帮部的松动岩层发生变形产生位移时，随动杆的固定端随着巷道帮部松动岩层的运动而产生位移，固定杆的固定端由于固定于稳定岩层，不产生位移；随动杆产生位移后，通过连接板推动粒子接收器发生位移；由第二空间偏转至粒子接收器上的带电粒子源源不断的被粒子接收器接收，当粒子接收器产生位移后，粒子接收器接收带电粒子的位置也在不断变化，并且通过外接显示屏显示每次接收粒子的位置情况，通过外接显示屏，可看出带电粒子的具体偏转位置，进而显示出巷道帮部发生蠕变的位移情况。

[0023] 本发明的有益技术效果是：

[0024] 本发明根据带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动规律来进行巷道帮部蠕变位移量的测量，可使巷道帮部蠕变位移量的测量结果准确性大大提高，同时可提高测量的便捷性与高效性，而且在巷道帮部蠕变位移量测量的同时能够保证井下的正常生产，不影响行人及通车，确保生产作业的正常进行。

附图说明

[0025] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

[0026] 图1为本发明巷道帮部位移测量设备的安装及结构原理图；

[0027] 图2为本发明巷道帮部位移测量设备的安装及立体结构示意图；

[0028] 图中：1.粒子发射源，2.带电粒子，3.第一金属板，4.第二金属板，5.第一外接电源，6.匀强磁场，7.外接显示屏，8.粒子接收器，9.连接板，10.连接点，11.随动杆，12.固定杆，13.随动杆的固定端，14.固定杆的固定端，15.连接杆，16.导向轮，17.第四金属板，18.第三金属板，19.第一亥姆霍兹线圈，20.第二亥姆霍兹线圈，21.第三亥姆霍兹线圈，22.第四亥姆霍兹线圈，23.绝缘外壳，24.第二外接电源。

具体实施方式

[0029] 结合附图，一种巷道帮部位移测量设备，包括用于发射带电粒子的粒子发射源1、用于筛选出特定速度带电粒子的第一空间、粒子接收器8以及用于将带电粒子偏转至粒子接收器8上的第二空间。粒子发射源、第一空间和第二空间均置于绝缘外壳23的内部。

[0030] 所述粒子发射源1紧贴第一空间的左侧边缘，工作时接通第一外接电源5，所述粒子发射源1源源不断发射出带电粒子2，所述带电粒子2带正电，且所带电荷为q。所述第一空间的上边界为第一金属板3，第一空间的下边界为第二金属板4，第一金属板3接通第二外接电源24，且所述第一金属板3带正电，第二金属板4带负电，第一金属板和第二金属板之间电压为U1，且产生方向为竖直向下的电场。所述第一金属板3和第二金属板4之间垂直距离为d1。所述第一空间前后面分别安装有第一亥姆霍兹线圈19和第二亥姆霍兹线圈20，第一亥姆霍兹线圈19和第二亥姆霍兹线圈20在第一空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场6，所述匀强磁场6强度为B1，当带电粒子2进入第一空间后，由于第一空间中布满匀强磁场强度为B1的匀强磁场6，并且第一金属板3和第二金属板4之间产生强度为U1的电场，所以当带电粒子2进入第一空间时，受到垂直速度运动方向向上的洛伦兹力F洛1＝B1vq与竖直向下的电场力F电＝U1/d1×q，洛伦兹力与电场力大小相等，方向相反，即F洛1＝F电，所以通过第一空间的带电粒子2速度为v＝U1/B1d1，在第一空间中筛选掉速度不为v的带电粒子2，保证只有速度为v的带电粒子2才能通过第一空间。

[0031] 速度为v的带电粒子2通过第一空间后，穿过第三金属板18上的通孔，进入第二空间。所述第二空间左边界为带通孔的第三金属板18，右边界为第四金属板17，第三金属板18和第四金属板17均竖向布置，且不带电。第二空间的上边界为粒子接收器8，且所述第二空间的前后面分别安装有第三亥姆霍兹线圈21和第四亥姆霍兹线圈22，所述第三亥姆霍兹线圈21和第四亥姆霍兹线圈22通电后在第二空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场。当所述带电粒子2通过第三金属板18进入第二空间后，由于第二空间中充满垂直巷道断面向里的匀强磁场，且匀强磁场强度为B2，则带电粒子2进入第二空间后受到垂直速度运动方向的洛伦兹力F洛2＝B2vq后做匀速圆周运动。带电粒子2所受的洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力即F洛2＝F向，而向心力大小为F向＝mv2/R，所以带电粒子2做匀速圆周运动的半径为R＝mv/B2q，控制圆的半径R与第三金属板上的通孔到粒子接收器8的距离d2相同，即R＝d2，所以带电粒子2做匀速圆周运动后垂直打在粒子接收器8上，被粒子接收器8接收，进而在外接显示屏7上显示位移。

[0032] 第四金属板17的右板面与固定杆12相连接，所述固定杆12的固定端14插入巷道帮部的稳定岩层中，保持所述固定杆12固定不动。粒子接收器8与外接显示屏7接通，且右端与连接板9相连，所述连接板9右板面上有连接点10，所述连接点10右侧与随动杆11相连接，所述随动杆11的固定端13插入巷道帮部的松动岩层中。所述随动杆11与固定杆12用两端带有导向轮16的连接杆15相连接，所述导向轮16轮毂边缘带有凹槽，以保证其能沿随动杆11和固定杆12定向滑动。当巷道帮部的松动岩层发生变形产生位移时，随动杆11的固定端13随着巷道帮部的松动岩层的运动而产生位移，固定杆的固定端14由于固定于稳定岩层，不产生位移。随动杆11产生位移后，通过连接点10推动连接板9发生位移，连接板9推动粒子接收器8发生位移。由第二空间偏转至粒子接收器8上的带电粒子2源源不断的被粒子接收器8接收，随粒子接收器8产生位移后，粒子接收器8接收带电粒子2的位置也在不断变化，通过外接显示屏7显示每次接收粒子的位置情况，可看出带电粒子2的具体偏转位置，进而显示出巷道帮部发生蠕变的位移情况。

[0033] 一种巷道帮部位移测量方法，采用如上所述的设备，包括以下步骤：

[0034] 步骤一，分别将固定杆的固定端14与随动杆的固定端13插入巷道帮部的稳定岩层与松动岩层中，使其分别与稳定岩层和松动岩层相对固定。

[0035] 步骤二，将连接杆15的两个导向轮16分别卡入随动杆11和固定杆12。

[0036] 步骤三，接通第一外接电源5，使粒子发射源1不断产生速度为v的带电粒子，所述带电粒子带正电，且所带电荷为q，带电粒子首先进入第一空间。

[0037] 步骤四，接通第二外接电源24，使第一金属板3带正电，第二金属板4带负电，带电粒子在第一空间中受垂直向下的电场力。所述第一金属板与第二金属板之间电压为U1，距离为d1。第一亥姆霍兹线圈19和第二亥姆霍兹线圈20通电后在第一空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场，所述匀强磁场强度为B1。

[0038] 所述带电粒子在第一空间中受到竖直向上的洛伦兹力F洛1＝B1vq和竖直向下的电场力F电＝U1/d1×q，二力大小相等，方向相反，即F洛1＝F电，所以通过第一空间的带电粒子速度为v＝U1/B1d1，在第一空间中筛选掉速度不为v的带电粒子，保证只有速度为v的带电粒子才能做匀速直线运动通过第一空间，且穿过第三金属板上的通孔，进入第二空间。

[0039] 步骤五，所述第三亥姆霍兹线圈21和第四亥姆霍兹线圈22通电后在第二空间中产生方向为垂直巷道断面向里的匀强磁场，且匀强磁场强度为B2，带电粒子进入第二空间后受到垂直速度运动方向的洛伦兹力F洛2＝B2vq后做匀速圆周运动，带电粒子所受的洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力，即F洛2＝F向，而向心力大小为F向＝mv2/R，所以带电粒子做匀速圆周运动的半径为R＝mv/B2q。控制圆的半径R与第三金属板上的通孔到粒子接收器的距离d2相同，即R＝d2，所以带电粒子做匀速圆周运动后垂直打在粒子接收器8上，被粒子接收器接收。

[0040] 将粒子接收器8接通外接显示屏7，使带电粒子在第二空间中受到垂直速度运动方向的洛伦兹力后垂直偏转至粒子接收器上，被粒子接收器接收，通过外接显示屏7显示每次接收粒子的位置情况。

[0041] 当巷道帮部的松动岩层发生变形产生位移时，随动杆的固定端13随着巷道帮部松动岩层的运动而产生位移，固定杆的固定端14由于固定于稳定岩层，不产生位移。随动杆产生位移后，通过连接板9推动粒子接收器8发生位移。由第二空间偏转至粒子接收器8上的带电粒子源源不断的被粒子接收器接收，当粒子接收器产生位移后，粒子接收器接收带电粒子的位置也在不断变化，并且通过外接显示屏7显示每次接收粒子的位置情况，通过外接显示屏，可看出带电粒子的具体偏转位置，进而显示出巷道帮部发生蠕变的位移情况。

[0042] 本发明公开一种巷道帮部位移测量设备及测量方法，其主要原理是根据带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动规律来实现精确测量巷道帮部蠕变位移量的目的。具体为：将该设备固定杆的固定端插入巷道帮部的稳定岩层中，保持固定杆固定不动，将随动杆的固定端插入巷道帮部的松动岩层中，随动杆的另一端与位于连接板右板面的连接点10相连接，随动杆与固定杆用两端带有导向轮的连接杆15相连接，连接杆15起到限位导向作用。连接板9左板面与粒子接收器8相连接，粒子接收器8下面是一个布满匀强磁场的第二空间，所述匀强磁场的磁场方向垂直巷道向里，第二空间的右边界为第三金属板18，左边界为带通孔的第四金属板17，第四金属板的左侧为一个布满匀强磁场的第一空间，第一空间的上边界为带电的第一金属板3，第一空间的下边界为带电的第二金属板4，第一金属板3带正电，第二金属板4带负电，第一空间的左侧为粒子发射源1，粒子发射源1源源不断地向第一空间中发射带正电荷的粒子。通过粒子发射源连续产生速度为v且带正电的粒子，带电粒子沿第一空间的中线进入，由于第一空间中布满匀强磁场强度为B1的匀强磁场，并且第一金属板和第二金属板之间产生电场，所以当带电粒子进入第一空间时，带电粒子受到垂直速度运动方向向上的洛伦兹力与竖直向下的电场力，洛伦兹力与电场力大小相等，方向相反，保证只有速度为v的带电粒子才能通过。

[0043] 带电粒子通过第一空间后，穿过第三金属板上的通孔，进入第二空间，由于第二空间中充满垂直巷道断面向里的匀强磁场，带电粒子进入第二空间后受到垂直速度运动方向的洛伦兹力做匀速圆周运动，垂直运动至粒子接收器处被其接收。

[0044] 当巷道帮部的松动岩层发生变形产生位移时，随动杆的固定端随着巷道帮部的松动岩层的运动产生位移，固定杆的固定端由于固定于稳定岩层，不产生位移。随动杆产生位移后，通过连接点带动连接板发生位移，连接板推动粒子接收器发生位移，由第二空间偏转至粒子接收器上的带电粒子源源不断的被粒子接收器接收，随粒子接收器产生位移后，粒子接收器接收带电粒子的位置也在不断变化，通过粒子接收器外接显示屏，可看出带电粒子的偏转位置，即巷道帮部松动岩层产生的蠕变位移。

[0045] 上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

[0046] 需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。