测试技术科学论文采矿

1、采矿工程测试技术金属矿山压力监测技术张利朝201010104217摘要：本文着重介绍了现代矿山的压力监测技术，以及传感器转换原理分析、调理分析设备、数据处理与分析方法等内容。 引言：矿山压力监测，就是利用矿压仪表实测回采工作面及巷道的围岩应力分布特征、围岩变形、位移、顶底板破坏特征、支架受载及压缩等一系列矿山压力显现现象，并采用合理的数学方法对各种矿山压力显现监测信息进行分析，总结回采工作面及巷道矿压显现规律，预报矿压显现的发展趋势。由于现场监测获得的资料是反映多种因素综合作用下的实际情况，利用这些较为可靠的资料论证分析，就可以解决具体矿井或回采工作面的具体矿压问题。正文矿压监测的目的和任务矿

2、压观测的主要目的和任务是：（1）掌握回采工作面上覆岩层运动规律，确定需控岩层范围，建立回采工作面支架与顶板相互关系，进行基本顶来压的监测预报。根据回采工作面顶板来压的特点提出合理的顶板控制措施，如支护方式、支护强度、特种支护和回采工艺等，为工作面高产、高效、安全创造条件。（2）划分回采工作面煤层直接顶的类别和基本顶的级别，为支架选型和确定其合理技术参数提供依据。（3）对正在使用的新型支架的适应性进行考察。即从矿山压力控制的角度对既定条件下使用的支架从形式、也正、参数和使用效果等方面进行效应性评价。研究提出合理的支架结构、架型、工作阻力和支架可缩量等。（4）研究分析回采工作面底板破坏规律。对工作

3、面底板进行分类，并提出松软地板控制技术措施，达到提高支护质量的目的。（5）研究掌握采动影响和支撑压力分布规律。包括改进相邻采区或近距离煤层的开采顺序、确定煤柱的合理位置和尺寸，确定回采巷道断面形状、规格及支架参数，确定煤壁前方巷道加强维护范围、沿空留巷和沿空送巷的支护措施，确定回采工作面端头支护技术措施等，以便保证安全生产，提高资源采出率，提高技术经济效果。（6）掌握巷道围岩活动规律，实现围岩控制的科学化。包括：选择巷道开掘的合理位置和时间，确定围岩松动范围，研究巷道围岩变形规律，进行围岩稳定性分类，确定合理的巷道支护形式。支护参数，对巷道。硐室的稳定性进行监测预报。（7）对采用采掘新工艺、新

4、技术（包括新采煤方法、新支护形式、新工艺组织等）进行资料积累，从矿山压力角度对应用效果提出评定性意见，例如研究和评价厚煤层放顶煤开采的顶煤可放性等。（8）对采掘工作进行支护监测。其任务包括：监测日常生产过程中支架工作质量、围岩活动情况、安全隐患情况等与安全生产有关的技术因素，监测和评价支架的实际支撑能力，已达到保证采掘工作面支护质量良好，安全生产可靠的目的，在保证采掘工作面顶板安全的前提下充分发挥支架的有效工作阻力。（9）解决矿山压力与围岩运动方面的难题。监测分析回采工作面矿山压力分布和围岩运动规律、巷道大变形特性，从矿山压力与围岩控制原理出发，探讨如回采工作面坚硬顶板和破碎顶板的控制技术、软

5、岩和动压巷道大变形控制技术等问题。（10）研究冲击地压等矿井动力现象的综合防治技术。包括冲击地压的监测、危险区域的划分、煤层注水和松动爆破措施的制定、开采解放层的设计等。 现场矿山压力监测步骤准备工作监测准备工作一般包括：收集监测工作面内的地质、生产技术资料。根据监测目的和任务确定监测内容，选定监测方案和测区布置系统，编制矿山压力监测计划，培养检测人员，准备矿压监测仪器和工具及井下监测所必需的数据记录整理表格等。收集监测范围内的地质及生产生产技术资料，对监测预报过程中数据分析整理有指导作用。（1）地质资料。一般包括：围岩性质及柱状，分层厚度及力学特性；围岩地质构造，煤层赋存情况及对开采的影响程

6、度；围岩节理、裂隙发育情况。（2）生产技术资料。一般包括：工作面或巷道技术参数，开采方式、支护形式及参数，支架形式及性能，临面开采情况，生产作业方式等。具体内容应根据监测目的和分析需要来确定。矿压监测计划是现场矿压监测研究工作的准则，编制矿压监测计划是现场矿压监测研究的主要工作之一。矿压监测计划包括以下内容：监测区域的地址及生产技术条件，矿区监测的目的及任务，监测布置、监测内容及方法，监测效果预计，监测工作制度，监测记录表格及资料整理表格设计。回采工作面矿压监测主要指标。可见，回采工作面矿山压力监测指标广泛，应根据监测目的和任务有选择地进行。日常监测预报现场矿压监测工作要确保数据的可靠性、准确

7、性、连续性和及时性、监测工作人员必须做到以下几点。（1）了解矿压观测目的、意义和任务，掌握基本的=矿上压力监测方法，具有较强的责任心，诚实细心地测读必须符合要求，保持监测资料的连续性和准确性。（2）正确使用矿压仪表。仪器仪表安装、测读必须符合要求，保持监测资料的连续性和准确性。（3）明确所监测数据的用途，测取最有代表性的测读数据，即最能为观测目的和任务服务的数据。（4）观测数据必须在井下及时记录，对于特殊情况或变更的问题，应在备注栏内记录清楚，对典型矿山压力现象应附有现场描绘草图。（5）连续观测时，要严格执行井下交接班制度。本班记录交给下一班，以便连续记录。上井后将记录及时上交资料整理人员，并

8、说明监测情况。（6）如果在井下监测中，发现监测仪器工作不正常或顶板异常，应及时向负责同志汇报，以便及早处理。正常的矿压监测阶段，要及时初步整理观测资料，以便检查观测中所存在或出现的问题，发现资料缺少时应及时进行补测。同时，可以及时掌握监测过程中的矿压显现和岩层运动规律，预报矿压显现情况。必要时，可以发出矿压监测简报，指导生产。特别是进行基本顶来压监测预报时，应及时分析顶板活动及支撑压力分布区情况，来压前夕发出简报，及时为生产服务。整理资料时要实事求是，不许对岩石资料进行随意涂改，以保证井下原始资料的真实性。日常资料整理一般应及时绘制各种矿山压力监测曲线图。矿压监测的技术总结现场矿压监测完成一个

9、阶段后（如完成一个回采工作面的监测工作或一条巷道的监测工作以及某一专项监测工作），要对监测资料进行系统的整理、分析。在平时资料整理的基础上，按数理统计 分析规律，对监测内容按不同地质条件和生产技术条件进行对比，从中找出各矿压参数之间以及矿压参数与地质、生产技术因素之间的关系。从局部到整体，从现象到本质，阐述所监测回采工作面或巷道的矿压规律。对所监测回采工作面或巷道从工艺、支护、矿压规律、围岩适应性等方面给予评价和建议，并依此提出围岩控制技术方案。汇总编成矿压监测报告。回采工作面附近巷道矿山压力监测方法巷道围岩稳定性监测巷道围岩的稳定状况指标包括围岩的位移量、破坏范围和岩体内应力场变化等。这些指

10、标直接影响到巷道维护的完好程度和工作空间的安全性，因此，监测巷道围岩的稳定性，可以为判断巷道支护质量和改善巷道支护提供科学的依据。掌握地质资料与开采条件进行巷道围岩稳定性监测应掌握的地质资料和开采条件包括：通过地质钻孔、岩层柱状图等多种途径，掌握地质构造及围岩的结构特征、岩体物理力学性质、水文地质等情况，并在地质图上表明地质构造裂隙发育带的位置、产状、层厚等；了解采煤方法、煤柱尺寸、开采影响范围等，掌握好巷道与回采工作面相对空间位置与时间的关系；了解巷道掘进断面尺寸、支护方式和支架工作特性等。 巷道周边位移测量巷道周边位移是围岩与支护相互作用的结果，是反映多因素影响的一个综合指标。测量巷道周边

11、位移是判定巷道围岩稳定程度最常用的方法。1. 测站与测点布置对一条巷道进行围岩稳定性监测，通常设三个测站，测站间距可取100200m，选择有代表性的围岩条件。或选择特殊条件进行专项观测。一个测站应设三个观测断面，断面间距可取35m。测点是量测的基准点，应安设可靠，保证测点与围岩同步位移。通常在围岩上打一个深100200mm的钻孔，如果围岩较破碎，钻孔可更深一些。钻孔直径40mm ，在空中打入木楔，木楔上钉有作为测量基准点的基钉，也可用水泥基钉，在测量过程中要保护好测点，避免移动和损坏。2. 测量方法一般情况下量测位移的精度取1mm ，通常采用测杆和钢卷尺或收敛计进行测量。测杆是有活杆1和套杆2

12、组成，活杆上带有读数尺，精度为1mm 。测杆上设有游标，最小为0.05mm 。测杆上如果装有百分表，测杆精度可达0.01mm 。在测杆上装位移传感器，则可实现远距离与计算机连接，实现自动监测与数据处理。收敛计由钢尺、微读装置、连续环、拉紧装置等部分组成。目前国内已生产的收敛计由GSL 型钢环式等多种，量测范围510m，精度已达0.15mm 以上。 量测一般采用十字测量法，直接测量AC 和BD 的相对位移量。有时为了量测围岩变形的不对称性，也可加测BO ，AO 或DO ，CO 。采用扇形布置，则可以测定全断面收缩率。观测巷道断面变形和收缩，还可以采用传感器测量的方法。该法的巷道周边埋设8个基点1

13、，基点间要用张紧的钢丝2串联起来，在每个基点上安设一个测钢丝倾斜的传感器2，根据倾角变化，可得到各测点的变形位移量。还可以用传感器4，测得全断面周围总位移量，即钢丝2的位移量。 应该指出，巷道围岩位移观测的方法和精度，与观测的目的及巷道预计的变形量大小有关。预计变形量较大的巷道，观测精度可低些，观测间隔小些； ；预计变形量小的巷道观测精度则应高一些，观测间隔大些。为进行位移反分析计算而设计的测点要求较严格，除必须采用以上正规测量方法外，还要对测量断面上的测点数量及位置进行科学设计。而一般安全监测及支护设计分析的观测，则可采用简便易行、要求不高的方法。此时，对整体性支护的巷道，如锚喷支护、砌碹支

14、护等，可在巷道表面用彩色标注测点；对架棚支护巷道，则在棚间完整处标注；锚网支护巷道可在紧贴围岩的网上或锚杆盘上进行测点标注。一、传感器原理传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度

15、、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。称重传感器称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。 能够实现力电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从

16、而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。热电阻传感器热电阻测

17、温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。 激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。 霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器， 霍尔电压随磁场强度的变化而变化

18、，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。 温度传 感器 测温原理：根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理，我们 可以得到所需要测量的温度值。 无线温 度传感器 无线温度传感 器 将控制对象的温度参数变成电信号,并对接收终端发送无线信号， 对系 统实行检测、调节和控制。可直接安装在一般工业热电阻、热电偶的接线盒内，与现场传感 元件构成一体化结构。通常和无线中继、接收终端、通信串口、电子计算机等配套使用，这 样不仅节省

19、了补偿导线和电缆， 而且减少了信号传递失真和干扰， 从而获的了高精度的测量 结果。 智能传 感器 智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作， 智能传感器通过测试数据 传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数 据输出等。 而智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较 全面反映物质运动规律的信息。 光敏传 感器 光敏传 感器， 它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传 感器不只局限于对光的探测， 它还可以作为探测元件组成其他传感器， 对许多非电量进行检 测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。最简单

20、的光敏传感器是光敏电阻，当光子 冲击接合处就会产生电流。 压力传 感器 压力传感器 引是工业实践中最为常用的一种传感器， 其广泛应用于各种工业自控环境， 涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船 舶、机床、管道等众多行业。 二、调理分析设备 信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、 滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信 号。 是指利用内部的电路(如滤波器、 转换器 、 放大器等来改变输入的讯号类型并输出之。 因为工业信号有些是高压， 过流， 浪涌等， 不能被系统正确识别， 必须调整理清之。 一 般的采集卡 上都带有可编程的增益，但具体要不要作信号调理

21、，要视待采信号的特点而定， 若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考 虑采集之前作滤波了。 三、数据处理与分析方法 数据处理是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。数据是对事实、概念或指令的 一种表达形式，可由人工或自动化装置进行处理。数据的形式可以是数字、文字、图形或声 音等。 数据经过解释并赋予一定的意义之后， 便成为信息。 数据处理的基本目的是从大量的、 可能是杂乱无章的、 难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、 有 意义的数据。 数据处理是系统工程和自动控制的基本环节。 数据处理贯穿于社会生产和社会 生活的各个领域。 数据处理技术的发展及其应用的广度和深度， 极大地影响着人类社会发展 的进程。 每种处理方式都有自己的特点， 应当根据应用问题的实际环境选择合适的处理方式。 数 据处理主要有四种分类方式根据处理设备的结构方式区分，有联 机处理 方式和脱机处理 方式。根据数据处理时间的分配方式区分，有批