一种矿山压力监测方法的研究与实现.pdf

8 煤矿安全 3 9 _ 雹 圈 一 种矿 山压力监测方法的研究与实现 薛光辉 ， 陈洁 ， 桑永刚 ， 吴淼 1 ． 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院， 北京， 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中新苏州工业因区市政物业 管理有限公司， 江苏 苏州 2 1 5 0 2 1 摘要 介绍 了一种通过定期监测煤体的位移量变化和应力状态以 实现 围岩压力监测 的原理和 方法， 详细阐述了实现关键参数监测与记录的爆炸性气体环境用本安型矿压监测数据智能记录 仪的软硬件设计。实践应用表明， 通过该仪器对综采工作面矿山压力进行监测， 可为煤矿生产中 片帮冒顶事故的预防和顶板安全管理提供可靠的数据和决策依据。 关键词 片帮冒顶； 矿压监测 ； 数据记 录仪 ； 本质安全 中图分类号 T D 3 2 6 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 7 o 6- 0 0 0 8- 0 3 S t u d y o n M e t h o d o f Gr o u n d P r e s s u r e M o n i t o r i n g a n d Ac h i e v me n t XU E Gu a n gh u i CHE N J i e ， S HANG Y o n gg a n g 2 ， WU Mi a o 1 ．C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o lo g y ， B e r i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a； 2 ．C S一 Mu n i c i p a l E s t a t e Ma n a g e m e n t C o ． ， L T D ． ， S u z h o u 2 1 5 0 2 1 ，Chi na Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e p r i n c i p l e o f mo n i t o r i n g s t r e s s i n s u r r o t md i n g r o c k s o f mi n e r o a d wa y b y me a s u r i n g t h e v a r i a t i o n o f the c o a l b o d y d i s p l a c e me n t a n d s t r a i n p e r i o d i c a l l y ．An d a I l i n t r i n s i c s a f e t y mi n e s t r e s s d a t a r e c o r d e r Was d e v e l o p e d b a s e d o n e mb e d d e d s y s t e m．Th e r e c o rde r w as u s e d t o r e ali z e me asu r e me n t a n d r e c o rd o f k e y p a r a me t e r s i n e x p l o s i v e a t mo s ．p h e res c i r c t u n s t a n c e s ．T h e h a r d - w a r e and s o f t wa r e o f t h e d a t a r e corde r w e r e e x p a t i a t ed i n d e t ail ．Th e d a t a rec o r d e r h a d bee n a p p l i ed i n c o al mi n e s ．Th e p r a c t i c e i n d i c a - t e d t h a t t h e r e c o rde d d a t a Was t r u e a n d v a l i d，wh i c h p rov i d ed a n a p p roa c h f o r s t res s mo n i t o r i n g i n e x p l o s i v e c i c u ms t an c e ．Th e me t h o d of mo n i t o r i n g t h e s t res s i n t h e f u l l y me c h a n i z e d f a c e u s i n g the r eco rd e r C an p rov i d e t h e reli a b l e d a t a an d d e c i s i o n ma k i n g b a s i s for r o o f a n d s i d e f a l l a c c i d e n t s p rev e n ti o n a n d s t r a t a s e c u r i t y c o n t r o l d u r i ng co al mi n e p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s r i d an d r o o ff a l l ；g r o u n d p res s u r e；s t rat a c o n t r o l ；d a t a rec o rde r ；i n t r i n s i c s afe t y 1 矿山压力监测原理 由弹性力学知， 煤矿巷道围岩 的压力 与应变 8的关系如下 o r E 6 1 式中， E为煤矿巷道围岩的弹性模量。 应变 是由光栅式应变传感器测得的。由光栅 式应变测量原理知， 应变 与位移 6 和应变传感器 的直径 D有关 ， 即 旦 2 D 一 L 上 位移 由式 3 求出 6 4 L c o s [ i 一 手] s i n 等 3 式中， 为应变传感器臂长； 为应变传感器的 初始角 ； 由式 4 给出 ．P y 瑚 m 4 式中， 为应变传感器的栅节距 ； S ，s为实 际扫描距离， Ⅳ为光栅条纹数目。 将式 2 、 3 、 4 代人式 1 ， 可得 2 EL尸 S 1 [ 丢 盯 c sin ] 5 煤矿巷道围岩弹性 模量 E随各地 区地 址条件 不同而不同， 可由实验测定， 应变传感器直径 D、 臂 长 ￡ 、 初始角 、 栅节距 P、 实际扫描距离 s依传感 器的型号而定， 光栅条纹数目J7v 为需要测量并记录 的量。 光栅式应变传感器通电后， 输出方波电压信号， 其高低电平变化次数与光栅条纹数目对应。测得前 程光栅条纹数目Ⅳ 1 和回程光栅条纹数目Ⅳ 2 ， 平均即 可得到光栅条纹数 目J7v 。相同的光栅条纹数 目， 其 电平变化时间出现的早晚也代表着压力的大小变 化， 记录下电平跳变时刻的时间信息是有意义的。 根据测得的矿山压力数据， 建立矿山压力数据 维普资讯 煤矿 安全 2 0 0 7 0 6 9 ． 库。 对巷道掘进过程中矿山压力的变化趋势进行动 态的管理和预测 ， 可为巷道掘进、 综采工作面矿压监 测和顶板安全管理提供可靠的数据和决策依据。 2 本安型矿压监测数据智能记录仪的硬件设计 本安型数据记录仪是一款基于 P C 1 0 4总线的 3 8 6 微机技术的智能仪器， 硬件结构框图如图1 所 示， 虚线框内部位于仪器外壳内。 ’ P C 馨lO4, ] 图 1 本安型数据记录仪硬件结构框图 2 ． 1主板卡 煤矿存在可燃、 易爆炸性介质， 属于爆炸性气体 环境， 有 自 然发火的危险， 温度高、 湿度大， 要求主板 卡功耗低、 在高温、 高湿度的情况下能够正常工作。 因此 ， 采用 了基 于 3 8 6微 机 的主板卡 ， 主频为 4 0 M H z ， 功耗低， 工作温度范围宽、 体积小， 带有 P C 1 0 4总线插槽 。 2 ． 2 数据采集卡 考虑到煤矿井下诸因素和与主板 卡配套 ， 选择 了基于 P C 1 0 4总线的数据采集卡 ， 1 0 0 K H z采样频 率、 1 6路模拟输入通道 ， 低功耗、 工作温度范 围宽。 2 ． 3 电源 系统 本安型数据记录仪是便携式的， 使用井下变电 站的电源是非常不方便， 因此采用可充电锂电池供 电。设计时， 尽量选用低功耗 、 小容量的元器件 ， 电 源变换模块选用封装成一体的直流变换模块， 以适 应煤矿井下的爆炸性气体环境。 本仪器采用双电源供电系统， 即可采用外部电 源也可采用内部 电源供 电。外部电源为 1 5 V ／ 3 A的 直流电源， 主要是在非爆炸性气体环境中为仪器供 电， 并为锂 电池充 电。内部电源为可充 电锂电池 ， 在 爆炸性气体环境中为仪器供电。 2 ． 4 仪器外壳 煤矿井下属于爆炸性气体环境， 仪器的外壳不 能采用含有铝、 镉、 锌、 镁等轻合金材料， 主要考虑 1 成本因素。材料为铁， 加工容易， 成本低 廉。 ， 2 防尘防水。开孔、 部件结合部位都采取了 密封胶加密封垫 圈 的双重措施。 3 脆弱器件的防护。L C D显示屏属脆弱器 件， 需要防护， 采取的措施为在 L C D显示屏外加厚 约 1 0 n Ⅱ n的有机玻璃罩。 4 美观大方。在壳体内外表面均喷塑。 3 本安型矿压监测数据智能记录仪的软件设计 软件系统是在 D O S 操作系统上用 c语言开发 的， 结构框图如图2 ， 主要由参数设置模块 包括几 何参数设置和力学参数设置 、 矿压监测模块、 监测 结果显示模块、 文件管理模块和数据回放模块组成。 软件采用汉化菜单式设计， 操作简单易用， 每一步操 作均有简要的帮助信息。状态栏显示简要 的帮助信 息或当前所处的状态。 矿压监测智能记录仪 l 图2 软件系统结构框 图 参数设置模块完成几何参数 如传感器直径、 臂长、 初始角、 实际扫描距离、 栅节距 和力学参数 围岩弹性模量、 泊松 比 的设置 。 矿压监测模块实现各个通道 的矿 山压力 的测 量， 实质是完成光栅条纹数目的测量和记录， 对每一 个测量结果均记录采样的时间 格式为分、 时、 码 秒、 秒、 测量值 ， 每一个通道记录在一个文件中。 结果显示模块实现各个通道监测结果的显示 ， 显示内容为收缩条纹数目、 拉伸条纹数目、 平均条纹 数目、 位移值、 应变值和应力值。 文件管理模块实现记录文件的管理， 主要是过 期文件的删除和记录文件的上传。 数据回放模块实现记录数据的回放， 以防止数 据采空 。 ’ 4 本安型矿压监测数据智能记录仪的应用 矿压监测智能记录仪在峰峰矿务局万年矿得以 应用， 取得了很好的效果， 为巷道掘进安全提供了保 证。图 3 显示了记录的深埋在巷道围岩中的光栅式 位移传感器的光栅条纹。 图4为记录仪显示的第三 维普资讯 1 O 煤 矿 安 全 酬 3 9 1 脚 j 玺 脚 时问， s a 前程光栅条纹 时间／ s b 回程光栅条纹 图 3 记录仪记录的传感器光栅条纹 通道矿压监测结果 。 矿压监测智能记录仪 矿压监测结果 参数设置 矿压监测 文 T、 键选择显示通道，确认键返回 图4 第三道矿压监测结果 5结论 本文对一种通过测量应变位移量实现矿山压力 监测的原理及其实现方法进行了详细的探讨， 开发 了相应的测试仪器。该仪器可配接其它类型传感器 及其二次仪表 ， 编译软件系统， 可实现多种参数的测 量与记录。 应用实践表明 通过定期监测煤体的位移量变化和应力状态实 现围岩压力监测的方法有效可行。 设计开发的本安型矿压监测智能记录仪携带容 易， 使用简便 ， 记录数据真实有效， 为爆炸性气体环 境下的压力监测提供了途径。 通过该仪器对矿山压力进行定期监测， 可为巷 道掘进中片帮冒顶事故的预测和预防、 综采工作面 矿压观测和顶板安全管理提供可靠的数据和决策依 据。 参考文献 [ 1 ] 薛光辉， 吴淼， 周斌 ， 等． 矿用便携式数据记录仪 的研制[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 4 - ， 3 2 5 5 2 5 5 ． [ 2 ] 杨永辰， 刘富明． 综放工作面煤壁片帮 冒顶机理及防 治技术[ J ] ． 煤， 2 0 0 1 ， 1 0 1 1 41 5 ． 作者简介 薛光辉 1 9 7 7一 ， 男， 汉族， 河南汝州人， 讲 师， 在读博士生， 现任教 于中国矿业大学 北京 ， 主要从事 测控技术与仪器专业的教学和科研工作， 研究方向为状态监 测与故障诊断， 信号分析与处理。 收稿 日期 2 0 0 6一 o 9 0 1 ； 责任编辑 梁绍权 - 圈 外爆 矿 安 全 信 思 甲烷吸附动力与煤炭结构 的关系 目 前， 俄罗斯要大力开发煤层中甲烷， 既能解决动力的来源， 又促进煤矿的安全生产。多年 来， 煤炭排出瓦斯的能量都是用瓦斯排出初速△ P和碘的吸附速度△ 评定。这些煤的性能作为 预测突出危险的指标， 又可表示煤炭破碎程度。最近研究证明， △P不仅仅取决于煤炭破碎程度， 而且还取决于其内部结构， 扩散系数可以说明煤炭的内部结构。文章叙述了不同变质作用阶段和 岩相成分的煤样甲烷吸附动力的实验室的试验结果。分析了瓦斯煤层涌出瓦斯性能的关系。证 明出瓦斯涌出类型与煤炭结构和破碎性的关系， 煤的未破碎片段的大小和甲烷扩散系数可反应出 上述关系。 摘 自 T r I P I-I H 2 0 0 6 N o ． 2 维普资讯