智能型頂板離層儀的研制與應(yīng)用

摘 要 : 根據(jù)頂板離層的測量原理 , 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際 , 提出了以霍爾元件為基礎(chǔ)的直線位移傳感器 , 實(shí)現(xiàn)頂板離層量的非接觸測量 , 采用以單片機(jī)為核心的微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信號的處理、顯示、報警及傳輸功能 , 同時實(shí)現(xiàn)在地面生產(chǎn)指揮中心對礦井巷道頂板離層狀態(tài)的實(shí)時、遠(yuǎn)程監(jiān)控。并對研制的智能型頂板離層監(jiān)測儀的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞 : 智能 ; 頂板離層 ; 監(jiān)測儀 ; 研制

1 頂板離層的概念及研究頂板離層監(jiān)測儀的現(xiàn)實(shí)意義頂板離層是巷道圍巖變形和破壞的主要形式之一 , 當(dāng)頂板離層超過一定范圍 , 即表明頂板處于非穩(wěn)定狀態(tài) , 如果不及時采取支護(hù)措施 , 便會發(fā)生冒頂?shù)葠盒皂敯迨鹿省ｍ敯迨鹿什坏绊懨旱V的正常生產(chǎn) , 而且會造成人員傷亡及設(shè)備損壞。據(jù)統(tǒng)計 , 我國煤礦頂板冒落造成的人員傷亡事故約占事故總數(shù)的三分之一左右 , 其它煤礦重大事故如沖擊地壓、巷道變形、煤及瓦斯突出等 , 都與開采引起的礦山壓力密切相關(guān)。特別是近年來推廣使用煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)以來 , 由于煤巷錨網(wǎng)支護(hù)頂板的破壞隱蔽性強(qiáng) , 巷道失穩(wěn)無明顯征兆 , 其破壞失穩(wěn)具有突發(fā)性 , 冒落規(guī)模比較大 , 而突發(fā)性冒頂會造成極為嚴(yán)重的危害 , 且目前常用的頂板離層儀是靠人定時觀察測量頂板離層狀況 , 不能實(shí)現(xiàn)不間斷自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸 , 存在時間上的空檔。因此對錨桿支護(hù)巷道進(jìn)行離層實(shí)時監(jiān)測 , 并及時采取相應(yīng)措施 ,阻止頂板失穩(wěn)、避免突發(fā)性破壞的發(fā)生具有重要意義。

2 　智能頂板離層監(jiān)測儀研制

21 　研制智能頂板監(jiān)測儀的目的主要是用于自動監(jiān)測煤礦巷道頂板離層量 , 為巷道的及時支護(hù)和安全管理提供依據(jù) , 該儀器既可在井下就地觀測(通過數(shù)碼顯示和語音提示兩種方式) , 又可將測量數(shù)據(jù)通過礦井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛嫔a(chǎn)調(diào)度指揮中心。

212 　智能型頂板離層儀的基本組成本智能型頂板離層儀由錨頭組件、傳感器、顯示報警裝置、通訊傳輸系統(tǒng)和就地監(jiān)控分站等組成。其中顯示報警裝置可通過電纜相互連接 , 組成網(wǎng)絡(luò)。在頂板離層監(jiān)測過程中 , 由于在巷道內(nèi)部找不到一個不動的基準(zhǔn)點(diǎn) , 使得對頂板離層的測量沒有參照物 , 因此 , 本智能型頂板離層儀采用深基點(diǎn)位移計監(jiān)測方法測量頂板離層量 , 即本監(jiān)測儀將基點(diǎn)設(shè)在老頂深處 , 直接頂與老頂?shù)碾x層 (即不同頂板之間的相對位移) 通過固聯(lián)于老頂上的錨頭轉(zhuǎn)化為磁棒相對于直接頂表面的傳感器的位移。

如圖 1 所示。本監(jiān)測儀安裝于頂板上。頂板上用錨桿鉆打孔 , 根據(jù)巷道頂板實(shí)際厚度決定孔深 , 頂板有直接頂和老頂兩層 , 錨頭固定老頂深部基點(diǎn)孔中 , 傳感器安裝于直接頂上 , 靠有彈性的圓筒 (截面成 C 型) 漲塞于孔中 , 磁棒通過細(xì)鋼絲繩與錨頭相連接 , 垂直從傳感器中心孔中穿過 , 當(dāng)直接頂相對老頂發(fā)生離層時 , 裝于老頂中的錨頭相對固定不動 , 而傳感器隨直接頂一起發(fā)生位移 , 穿于其中的磁棒則相對敏感元件發(fā)生位移 , 此時磁棒上不同位置的磁場感應(yīng)霍爾開關(guān)動作 , 根據(jù)一組霍爾開關(guān)的開關(guān)動作組合 , 可得到磁棒的相對位置信息 , 對該信息的分析、計算 ,最后由控制顯示電路驅(qū)動顯示裝置顯示頂板離層值或通過報警裝置給出離層超限語音報警。

21211 　錨頭組件錨頭組件由錨頭、細(xì)鋼絲等組成。錨頭固定在頂板深部基點(diǎn)孔中 , 其下接柔軟而彈性小的細(xì)鋼絲 , 磁棒懸于細(xì)鋼絲下 , 當(dāng)兩頂板巖層發(fā)生相對分離時 , 由于老頂相對來說較穩(wěn)固 , 錨頭相對固定不動 , 亦即磁棒相對固定不動 ,而敏感元件固定于直接頂表面上 , 離層表現(xiàn)為傳感裝置相對于磁棒發(fā)生位移 , 該位移量經(jīng)敏感元件檢測并由后繼電路轉(zhuǎn)換成電能 , 顯示和傳輸。

21212 　傳感器傳感器的作用是感應(yīng)頂板離層位移 , 并將其轉(zhuǎn)換成電信號。本監(jiān)測儀采用霍爾開關(guān)作為敏感元件 , 實(shí)現(xiàn)頂板離層量的非接觸測量。本傳感器裝置由四個霍爾元件組成 , 其所轉(zhuǎn)換成的離層量編碼信息 , 經(jīng)過譯碼電路轉(zhuǎn)換后 , 得到離層量值 , 該值經(jīng)后接放大器放大后 , 可驅(qū)動顯示報警裝置輸出離層量數(shù)值 , 也可由礦井監(jiān)測通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面生產(chǎn)調(diào)度中心 ,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

21213 　顯示報警裝置顯示報警裝置是離層量就地輸出設(shè)備 , 當(dāng)有頭燈光照射時 , 經(jīng)放大電路放大后的頂板離層信號 , 驅(qū)動七段數(shù)碼管以數(shù)字形式顯示離層量。其中的報警裝置為本安型電子報警器 , 可同時用聲、光、語音報警 , 頂板離層報警根據(jù)各礦實(shí)際預(yù)先設(shè)定 , 當(dāng)測點(diǎn)的頂板離層量達(dá)到或超過這個值時 , 數(shù)字顯示 , 同時發(fā)出聲、光、語音報警。

21214 　通訊傳輸系統(tǒng)包括兩方面內(nèi)容 : 一是各測點(diǎn)顯示報警裝置通過電纜連接成網(wǎng) , 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 ; 二是各測點(diǎn)經(jīng)放大后的離層量信號 , 通過礦井監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面接收機(jī) , 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)測和記錄。

21215 　就地監(jiān)控分站就地監(jiān)控分站采用煤礦瓦斯監(jiān)控分站 , 它將各個測點(diǎn)頂板離層數(shù)據(jù)通過專用電纜線傳輸至此 , 實(shí)現(xiàn)井下就地集中監(jiān)測。圖 2、圖 3 是研制的智能型頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)在工作面順槽布置圖。

213 　離層監(jiān)測儀傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)

21311 　霍爾元件的工作原理

霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)制成的。所謂霍爾效應(yīng)就是把一個磁場加到一個通有電流的導(dǎo)體上 , 在該導(dǎo)體的兩側(cè)面就會產(chǎn)生一個電壓 , 這一效應(yīng)就叫霍爾效應(yīng) , 即 : 霍爾效應(yīng)是由于通電導(dǎo)體的電荷在磁場的作用下發(fā)生偏移引起的。

21312 　智能型頂板離層監(jiān)測儀傳感器的結(jié)構(gòu)

智能型頂板離層監(jiān)測儀是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理而開發(fā)研制的。具體方法 : 使表面貼有磁條的金屬棒懸垂于老頂深部基點(diǎn)不動 , 而使半導(dǎo)體傳感元件 (傳感裝置) 固定于直接頂表面 , 傳感元件由若干個霍爾開關(guān)組成 , 將隨直接頂頂板離層產(chǎn)生相對于基點(diǎn)的位移 , 我們在磁棒的軸向各個位置貼上不同的磁條組合 , 其貼法以磁極 N 或 S 向外而不同 ,這樣的一個磁場組合代表了磁場的某一具體軸向位置 , 當(dāng)傳感裝置隨直接頂發(fā)生位移時 , 與某一位移量相對應(yīng)的磁棒上的一組磁場組合將激勵霍爾開關(guān)組合動作 , 表現(xiàn)為其中某些元件導(dǎo)通 , 而一些截止 , 該狀態(tài)與磁棒上的磁場組合成一一對應(yīng)關(guān)系 , 反映了頂板離層量信息對其處理后將得到頂板離層量的物理值。

3 　智能頂板離層監(jiān)測儀現(xiàn)場應(yīng)用與效果分析

311 　智能頂板離層監(jiān)測儀的應(yīng)用

該監(jiān)測儀應(yīng)用于潞安礦業(yè)集團(tuán)公司王莊煤礦 5208 放水巷。5208 工作面是 52 采區(qū)西面最北一個工作面 , 周圍均是未采區(qū) , 煤層上部的 7# 、8# 含水層的水未能有效排放 , 掘進(jìn)過程中會出現(xiàn)淋水及涌水。在 5208 放水巷掘進(jìn)及回采過程中 , 要求對頂板離層進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測 , 即每隔 50m 在頂板中部安設(shè)一部離層監(jiān)測儀 , 觀察方法是直接讀取離層量顯示數(shù)據(jù)和發(fā)出聲光、語音報警 , 也可在井上進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視各測點(diǎn)的離層量。結(jié)合現(xiàn)場特點(diǎn) , 在 5208 順槽中安裝了 20 臺智能型頂板離層監(jiān)測儀進(jìn)行試驗。并采取了以下具體措施 :

1) 單個測點(diǎn)的布置。根據(jù)現(xiàn)場情況 , 在 5208 放水巷頂板中部用直徑 38 ε 鉆桿打孔 , 孔深 718m , 在孔中 216m和 718m 處分別固定兩個錨頭 , 即在頂板深處設(shè)置兩個基點(diǎn) , 每個錨頭下懸垂磁棒一條 , 磁棒穿過傳感受器中心孔 ,傳感器通過與其相連的 C 型彈性筒固定在頂板孔口 , 最后連接傳感器與報警裝置電纜。安裝布置圖見圖 1 所示。

2) 整條巷道測點(diǎn)的布置。整條巷道布置監(jiān)測儀 20 臺 ,間距 50m , 在布置好各臺監(jiān)測儀后 , 用專用通訊電纜依次連接各監(jiān)測儀 ,組成網(wǎng)絡(luò) , 并將整個網(wǎng)絡(luò)與井下就監(jiān)控分站相連。