頂板離層儀的研制與應用

　　摘 　要 : 根據頂板離層的測量原理 , 結合現場實際 , 提出了以霍爾元件為基礎的直線位移傳感器 , 實現頂板離層量的非接觸測量 , 采用以單片機為核心的微電子技術實現監測信號的處理、顯示、報警及傳輸功能 , 同時實現在地面生產指揮中心對礦井巷道頂板離層狀態的實時、遠程監控。并對研制的智能型頂板離層監測儀的應用效果進行了分析總結。

　　關鍵詞 : 智能 ; 頂板離層 ; 監測儀 ; 研制

1 頂板離層的概念及研究頂板離層監測儀的現實意義頂板離層是巷道圍巖變形和破壞的主要形式之一 , 當頂板離層超過一定范圍 , 即表明頂板處于非穩定狀態 , 如果不及時采取支護措施 , 便會發生冒頂等惡性頂板事故。頂板事故不但影響煤礦的正常生產 , 而且會造成員傷亡及設備損壞。據統計 , 我國煤礦頂板冒落造成的人員傷亡事故約占事故總數的三分之一左右 , 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。特別是近年來推廣使用煤巷錨網支護技術以來 , 由于煤巷錨網支護頂板的破壞隱蔽性強 , 巷道失穩無明顯征兆 , 其破壞失穩具有突發性 , 冒落規模比較大 , 而突發性冒頂會造成極為嚴重的危害 , 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 , 不能實現不間斷自動監測和數據傳輸 , 存在時間上的空檔。因此對錨桿支護巷道進行離層實時監測 , 并及時采取相應措施 ,阻止頂板失穩、避免突發性破壞的發生具有重要意義。

2 　智能頂板離層監測儀研制

21 　研制智能頂板監測儀的目的主要是用于自動監測煤礦巷道頂板離層量 , 為巷道的及時支護和安全管理提供依據 , 該儀器既可在井下就地觀測(通過數碼顯示和語音提示兩種方式) , 又可將測量數據通過礦井監控網絡傳輸到地面生產調度指揮中心。

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、通訊傳輸系統和就地監控分站等組成。其中顯示報警裝置可通過電纜相互連接 , 組成網絡。在頂板離層監測過程中 , 由于在巷道內部找不到一個不動的基準點 , 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位移計監測方法測量頂板離層量 , 即本監測儀將基點設在老頂深處 , 直接頂與老頂的離層 (即不同頂板之間的相對位移) 通過固聯于老頂上的錨頭轉化為磁棒相對于直接頂表面的傳感器的位移。

如圖 1 所示。本監測儀安裝于頂板上。頂板上用錨桿鉆打孔 , 根據巷道頂板實際厚度決定孔深 , 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 , 磁棒通過細鋼絲繩與錨頭相連接 , 垂直從傳感器中心孔中穿過 , 當直接頂相對老頂發生離層時 , 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生位移 , 穿于其中的磁棒則相對敏感元件發生位移 , 此時磁棒上不同位置的磁場感應霍爾開關動作 , 根據一組霍爾開關的開關動作組合 , 可得到磁棒的相對位置信息 , 對該信息的分析、計算 ,zui后由控制顯示電路驅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、細鋼絲等組成。錨頭固定在頂板深部基點孔中 , 其下接柔軟而彈性小的細鋼絲 , 磁棒懸于細鋼絲下 , 當兩頂板巖層發生相對分離時 , 由于老頂相對來說較穩固 , 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 , 離層表現為傳感裝置相對于磁棒發生位移 , 該位移量經敏感元件檢測并由后繼電路轉換成電能 , 顯示和傳輸。

21212 　傳感器傳感器的作用是感應頂板離層位移 , 并將其轉換成電信號。本監測儀采用霍爾開關作為敏感元件 , 實現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 , 其所轉換成的離層量編碼信息 , 經過譯碼電路轉換后 , 得到離層量值 , 該值經后接放大器放大后 , 可驅動顯示報警裝置輸出離層量數值 , 也可由礦井監測通訊網絡傳輸至地面生產調度中心 ,實現遠程監測。

21213 　顯示報警裝置顯示報警裝置是離層量就地輸出設備 , 當有頭燈光照射時 , 經放大電路放大后的頂板離層信號 , 驅動七段數碼管以數字形式顯示離層量。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 , 頂板離層報警根據各礦實際預先設定 , 當測點的頂板離層量達到或超過這個值時 , 數字顯示 , 同時發出聲、光、語音報警。

21214 　通訊傳輸系統包括兩方面內容 : 一是各測點顯示報警裝置通過電纜連接成網 , 實現數據共享 ; 二是各測點經放大后的離層量信號 , 通過礦井監測網絡傳輸至地面接收機 , 實現遠程動態監測和記錄。

21215 　就地監控分站就地監控分站采用煤礦瓦斯監控分站 , 它將各個測點頂板離層數據通過電纜線傳輸至此 , 實現井下就地集中監測。圖 2、圖 3 是研制的智能型頂板離層監測系統在工作面順槽布置圖。

213 　離層監測儀傳感器的工作原理及結構

21311 　霍爾元件的工作原理

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

21312 　智能型頂板離層監測儀傳感器的結構

智能型頂板離層監測儀是根據霍爾效應原理而開發研制的。具體方法 : 使表面貼有磁條的金屬棒懸垂于老頂深部基點不動 , 而使半導體傳感元件 (傳感裝置) 固定于直接頂表面 , 傳感元件由若干個霍爾開關組成 , 將隨直接頂頂板離層產生相對于基點的位移 , 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 , 當傳感裝置隨直接頂發生位移時 , 與某一位移量相對應的磁棒上的一組磁場組合將激勵霍爾開關組合動作 , 表現為其中某些元件導通 , 而一些截止 , 該狀態與磁棒上的磁場組合成一一對應關系 , 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 　智能頂板離層監測儀現場應用與效果分析

311 　智能頂板離層監測儀的應用

該監測儀應用于潞安礦業集團公司王莊煤礦 5208 放水巷。5208 工作面是 52 采區西面zui北一個工作面 , 周圍均是未采區 , 煤層上部的 7# 、8# 含水層的水未能有效排放 , 掘進過程中會出現淋水及涌水。在 5208 放水巷掘進及回采過程中 , 要求對頂板離層進行動態監測 , 即每隔 50m 在頂板中部安設一部離層監測儀 , 觀察方法是直接讀取離層量顯示數據和發出聲光、語音報警 , 也可在井上進行動態監視各測點的離層量。結合現場特點 , 在 5208 順槽中安裝了 20 臺智能型頂板離層監測儀進行試驗。并采取了以下具體措施 :

1) 單個測點的布置。根據現場情況 , 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 , 即在頂板深處設置兩個基點 , 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 , zui后連接傳感器與報警裝置電纜。安裝布置圖見圖 1 所示。

2) 整條巷道測點的布置。整條巷道布置監測儀 20 臺 ,間距 50m , 在布置好各臺監測儀后 , 用通訊電纜依次連接各監測儀 ,組成網絡 , 并將整個網絡與井下就監控分站相連。