第5~6讲 矿压测试技术及仪器.ppt

熊祖强 博士 副教授河南理工大学 能源学院 第5讲矿压测试技术及仪器 一 主要矿山压力检测仪器二 常用矿压测试方法及技术三 现代矿压测试传感器及应用四 常用的矿压测试参数定义 量刚和换算关系 主要内容 回顾矿山压力矿山压力显现 工程案例 寺河矿大采高超长工作面矿压观测 工作面 顶板来压规律及相关参数支架适宜性分析 回采巷道 变形破坏规律 支护参数优化分析 停采线合理位置的确定 合理区段煤柱留设 矿山压力观测目的工作面来压参数 直接顶初次垮落步距 老顶初次 周期 步距来压 来压强度 动载系数 顶板分类 支架选型分析与适宜性分析巷道布置 煤柱留设 停采线位置确定灾害防治 煤与瓦斯突出 瓦斯超限 突水 冒顶等事故与矿山压力密切相关 回顾矿山压力 矿山压力显现的基本概念1 矿山压力2 矿山压力显现 围岩变形 支架受载 围岩破裂 回顾矿山压力 矿山压力显现的基本概念1 矿山压力2 矿山压力显现 围岩变形 支架受载 围岩破裂 回顾矿山压力 矿山压力显现的基本概念1 矿山压力2 矿山压力显现 围岩变形 支架受载 围岩破裂 回顾矿山压力 矿山压力显现的基本概念1 矿山压力2 矿山压力显现 围岩变形 支架受载 围岩破裂 众所周知 不能够根据具体的地质条件进行针对性的开采设计 特别是在采场推进过程中对上覆岩层赋存情况及其变化以及由此变化导致的覆岩运动规律及支承压力分布规律的差异认识不清 是当前煤矿事故频繁 特别是重大事故和环境灾害没有能从根本上得到控制 开采经济效益不好的重要原因之一 煤矿重大事故预测和控制决策体系建设的指导思想应当以控制事故发生的岩层运动条件和应力场应力大小分布条件为核心 解决以岩层运动和应力场应力大小分布为核心的相关信息采集 包括理论计算和现场实测 问题 煤矿重大事故的发生及其有效控制几乎都同时与岩层运动和应力场应力的大小和分布条件有机的联系在一起 与应力条件直接相关的事故 包括瓦斯事故 冲击地压 底板突水等 其应力条件的实现都是一定采动条件下岩层运动和破坏的结果 矿山压力观测的内容 矿山压力观测的内容工作面 综采支架工作阻力 综采记录仪 在线监测系统 顶板下沉量 顶板动态仪 测杆 活柱下缩量 钢尺 超前支承压力 钻孔应力计 单体支柱压力监测 巷道表面位移巷道 侧向支承压力 钻孔应力计 巷道表面位移 留巷变形规律 顶板动态仪 巷道表面收敛仪地面 地面岩移观测 全站仪 静态GPS 地面深基点观测 矿山压力观测仪器的分类按照观测内容分类 采煤工作面和巷道支柱压力观测仪器 顶底板相对移近量和巷道围岩表面位移 岩体内原岩应力和附加应力观测仪器 围岩深部位移观测仪器 矿山动力现象观测仪器按照工作原理分类 机械式 液压式 振弦式 电阻应变式 声波法 光学及其他物理方法 矿压检测技术发展及主要监测仪器压测试技术的发展是基于矿压理论的发展为前提 矿压测试技术的系统化发展是始于70年代 大体经历了四个发展阶段 1 第一阶段 以机械式测量仪表为主的简易仪表阶段70年代 80年代初用于顶板运动规律的探索和研究 通过监测为理论分析提供依据 是矿压理论发展的需要 主要以机械简易仪表测量为主 包括 顶板下沉量检测 支柱的工作阻力检测等 该阶段的仪表研究往往是为了解决或验证矿压理论某个问题而提出的 该阶段仪表的特点 以机械结构为主 工艺比较粗糙 测量准确度较低 代表产品 机械动态仪 圆图记录仪 双记仪 液压枕等 机械式支柱测力计机械式矿压观测仪器结构简单 工作可靠 使用方便等优点 ADJ型测力计是用来观测记录单体液压支柱承受的载荷的仪器 机械式矿压观测仪器 测杆测量顶底板相对移近量 围岩表面及支架两点间位移的常规仪器 测枪测量巷道围岩表面位移 亦可用于地面工程测量 测量范围大 读数精确 使用方便 顶板动态仪主要用于测量采煤工作面和巷道顶底板移近量和移近速度 测量时安设在顶底板测量基点间 依靠压力弹簧固定 压力表 液压式矿压观测仪器 液压压力计 油压式钻孔应力计 圆图压力记录仪 圆图仪 2 第二阶段 以电子测量方法为标志80年代 90年代随着矿压理论的不断发展和完善 许多专家学者提出更系统完整矿压监测思路 同时电子技术的发展也为这些想法的实现奠定了基础 在这个阶段产生了典型的以数字测量为主要特征的矿压监测仪器 主要特征 a 开始应用传感器测量技术 b 以CMOS数字电路的低功耗设计 c 蓄电池仪表供电方式 d 报警及数字显示 代表产品 a 钢弦式压力盒传感器及频率计b 应变式压力检测仪c 数字显示式动态仪d 顶板动态遥测仪 系统 f 数字式顶板下沉报警仪等 振弦式矿压观测仪器 钢弦压力盒 应变式压力检测仪 数显式顶板动态仪 矿用单体支柱数显检测仪 3 第三阶段 以微处理器应用为代表的智能化检测仪器 系统90年代 90年代后 微型计算机技术发展迅速 计算机芯片的小型化和低功耗技术应用 为煤矿安全仪表的研究和应用奠定了基础 高速数据运算和总线接口技术使矿压仪表的智能化和系统化成为可能 主要特征 a 具备数据存储和通讯功能 b 具备了一定的分析和处理功能 c 低功耗和仪器小型化 d 标准的数字通讯接口 RS232 RS485 CAN等 代表产品 电脑动态仪 电脑多功能检测仪 岩体声发射检测仪 数显式微型综采测压表 综采工作面压力计算机检测系统 煤矿顶板来压预报计算机监测系统 顶板离层监测 报警系统 综采压力记录仪 巷道断面检测仪 超声波围岩松动圈测量仪等 综采记录仪 单体支柱压力检测记录仪 测力锚杆记录仪 煤岩应力监测记录仪 锚杆锚索测力检测仪 顶板动态报警记录仪 钻孔应力计 围岩深部位移测定仪 4 第四阶段 基于嵌入式计算机技术和以太网技术应用的矿压检测技术90年代末 21世纪初嵌入式计算机技术的应用 可以将一些复杂的算法模式以程序的形式嵌入到微型化的单元计算机中 使其具备了PC计算机的部分功能 工业以太网技术使具有嵌入TCP IP协议的末端产品接入到计算机网络中 打破了矿压监测地域的界限 可以建立整个矿井的顶板监测网络 实现矿区局域网的信息共享 主要特征 a 多功能数据处理分析b 以太网接口c 海量存储技术d 智能一体化传感器e 信息共享 具有代表性的技术 a KJ152煤矿顶板动态监测系统b 岩体 煤体内部应力场电磁波辐射探测技术c 围岩破裂带微震探索技术 煤矿顶板动态监测系统 微震传感器 矿山微震监测分析预报系统 地表数据传送系统 微震监测分析预报 网络传送 微震传感器 地表数据传送系统 微震传感器 地表数据传送系统 大规模应力场和破坏过程数值计算 微震监测研究基地 虚拟现实技术 微震分析中心 高性能计算基地 二 常用矿压测试方法及技术 1 工作面支护阻力检测指单体 综采工作面支撑阻力检测 常用的监测方法是测量单体或综采支架的工作压力 单位 兆帕 然后换算其支撑阻力 千牛 具体换算方法是根据液压支柱的油缸面积计算 计算综采支架的总的支撑阻力需要根据支架的类型 将每根支撑立柱支撑力相加 采用的技术 应变式压力传感器或振弦式压力传感器 原理 支柱内部的乳化液将压力传递到传感器上 传感器的输出的模拟信号经电路转换后被计算机采集 典型仪器 综采测压表 综采压力记录仪 单体测压仪 单体压力记录仪等 2 顶底板移近量检测检测工作面或巷道的顶板下沉或底凸 表现在顶底板之间的相对位移量的减小 常用的检测传感器有 电感式位移传感器 容栅式位移传感器 磁阻式位移传感器等 也有机械式测量方法 测量的分辨率为0 1 0 01mm 一般仪器垂直于顶底板安装 在比较松软的地板安装时可以采用木钎或钢钎设置基准点 典型仪器 动态仪 顶板下沉量报警仪 水平工作面 倾斜工作面 动态仪 顶板 3 顶板离层检测利用位移测量方法测量顶板深部的离层情况 在顶板打钻孔 在钻孔不同的深部设置2个基点 A B 基点由钢丝绳牵引与传感器内的传感部件连接 当基点深度范围内发生离层时 基点牵引钢丝绳相对于传感器位置移动 通过A B点的相对位移的变化确定顶板离层的大致范围和离层量 目前的离层传感器可以做到0 1mm的位移分辨 典型仪器 离层指示仪 离层传感器 A基点 B基点 巷道 传感器 离层线 4 锚杆 锚索应力检测测量锚网巷道锚杆或锚索的承载力 该参数可以反映出锚杆 锚索对顶板的控制能力 初锚力反映锚网巷道的施工质量 采用了轴向载荷力测量方法 常用的传感器有应变式载荷传感器 振弦式传感器等 安装方法如图所示 该测量方法仅适用于端头锚固的金属锚杆和锚索 典型仪器 锚杆应力传感器 锚杆测力计等 巷道 传感器 5 巷道收敛检测巷道收敛一般指两帮之间的相对位移 目前用于该参数的连续检测仪器很少 常用设基点测量测量位移的方法测量变形量 常用的仪器有测杆 测尺 激光测距仪等 6 钻孔应力检测用于煤体或岩体内部垂直应力检测 通过在煤层或岩层中打水平钻孔 将传感器安装到钻孔深部 煤层或岩层应力直接作用到传感器上 传感器输出信号通过二次仪表测量 该测量方法测得是压强而不是力 煤层 岩层 传感器 检测仪 7 巷道围岩应力检测 测力锚杆 用于巷道围岩应力分布及强度检测 主要是巷道松动圈范围内的应力检测 常用的测量仪器是测力锚杆 测力锚杆是一种传感器 它在不同的长度上有多组传感器 测力锚杆采用全长锚固 不同位置的传感器组的输出信号反映了锚杆不同深度的承载力 从而确定应力的分布范围 S6 检测仪 S1 8 顶底板比压检测顶底板比压指顶板或底板的抗压强度 常用的测量方法是用顶 底板比压仪测量 基本原理是在单位面积的顶板或底板上 施加一个力 当力增加到一定的程度后不再增加时 该力换算成压强后即为顶底板比压 单位 兆帕Mpa9 岩层 煤层移动测量用于岩层 煤层内部离层和岩移检测 作用原理同离层仪 测量点数有3 8个测点 可作为围岩 煤层位移的一般性检测 10 围岩松动圈测量采用超声波法测量巷道围岩的离层松动范围 测量原理是超声波在不同的介质中的传播速度和衰减程度不同 通过在巷道围岩两个点打钻孔注水后 当围岩松动后注水后会形成导水带 超声波在水中衰减较小 通过超声波换能器发射和接收到的能量强弱就可以确定岩层是否松动 该方法可用于定性分析 三 现代矿压检测传感技术及应用 一 电阻应变式传感器工作原理 传感器的核心是电阻应变计 工作的物理基础是它的应变效应 既导体的的电阻随着它的机械形状的改变而变化 常用的应变计结构为一电桥 当应变体受力作用变形时 应变计形状改变 电桥的电阻发生变化 电桥的不平衡输出U与受作用力成一定线性关系 主要特点 1 体积小 阻抗大 易进行工艺设计 2 测量应变的灵敏度高 精度高 具有较高动态响应范围 3 环境适应性强 抗振动耐冲击 具有很强的过载能力 4 具有长的使用寿命 主要缺点 湿度和温度对传感器的影响较大 传感器的防护设计要求较高 主要应用 综采支架 单体支柱压力传感器 锚杆应力传感器 锚杆扭矩传感器 测力锚杆 钻孔应力传感器 二 振弦式传感器工作原理 振弦为一根特殊的金属弦 当弦的张力不同时有不同的固有频率 当外加一磁场力使振弦起振到固有频率 同时振弦在磁场中切割磁力线 产生微弱的交流电压 通过测量电压的频率 可通过公式计算出作用力的大小 特点 1 频率输出信号可远距离传输 1000m 2 抗冲击 过载能力大 主要缺点 长期稳定性差 温度影响较大 体积大 工艺设计困难 动态响应慢 不宜使用于快速测量的应用领域 主要应用 钢弦式压力盒 钢弦式测力计 钢弦式动态仪等 三 电感式传感器工作原理 电感式传感器是把被测量的变化量转化为线圈的自感和互感的变化 从而实现非电量的测量 按变化方式分为自感型和互感型 可用于位移 压力 振动测量 差动变压器式传感器可用于大位移的线性测量 特点 1 无触点 长寿命 2 分辨率高 灵敏度高 3 线性度高 测量范围宽 主要缺点 体积大 功耗较大 成本较高 应用 电测式顶板动态仪 顶板离层传感器 四 超声波传感器 换能器 超声波换能器是将电能转换成声波 传感器是将声波转换成电能 用于井下的围岩松动测量 距离测量 围岩松动圈测量 高频超声波 200kHz 在不同介质中的传播速度不同 其能量衰减也不相同 在水中的衰减较小 利用这一原理 当顶板离层松动时 相邻钻孔有裂隙时注水后 在相邻钻孔安装超声波换能器和传感器 通过发射 接收时差和能量的率减测量可以定性的分析围岩松动的程度 但不能做到定量和定位分析 超声波测距 利用低频 40kHz 超声波在空气中率减较小的特点 超声波换能器发出超声波遇到障碍物被反射回来 超声波传感器接收到反射波后 通过测量发送和接收的时差可计算出被测界面的距离 注意反射式超声波测距仪仅适用于规则界面的测距 例如墙面等 不能用于井下巷道端面测距 在井下建议使用对射式测距仪 五 容栅位移传感器容栅位移传感器是近年来发展起来的一种新型位移传感器 属于电容传感器的一种 电容传感器的工作原理是基于对相对运动的极板间的电容的测量 单组极板由于受极板边界非线性的影响 测量范围很有限 因此普通的电容传感器仅用于微小位移的测量 容栅位移传感器是将多组极板排列在一起通过电子开关顺序控制接通 消除了大位移测量的边界非线性影响 容栅位移传感器高精度 非接触 高灵敏度的特点适应于各种直线位移和角位移的应用中 容栅位移传感器的特点 1 测量速度快 测量速度可达2m s 2 无接触测量 适用于有水和煤尘的测量环境 3 抗强电磁干扰 4 微功耗适用于电池供电的测量系统 由于容栅位移传感器的以上优点 特别适用煤矿井下的动态位移测量 主要应用 容栅式数显动态仪 电脑动态仪 顶板离层传感器等 电容传感器工作原理 四 常用的矿压测试参数定义 量刚和换算关系 1 支架 支柱工作阻力国际标准单位 牛 N 千牛 KN 常用表示单位