智能型顶板离层仪的研制与应用.pdf

煤 炭 工 程 2 0 0 6年第 6期 智 能型顶板 离层仪 的研制 与应 用 卢喜 山 潞安矿业集 团公 司王庄煤矿 ，山西 长治0 4 6 3 0 1 摘 要 根 据 顶板 离层 的 测 量 原 理 ， 结合 现 场 实际 ，提 出 了以 霍 尔元 件 为基 础 的直 线 位 移 传感 器 ，实现 顶板 离层 量 的非接 触 测 量 ，采 用 以单 片机 为 核 心 的 微 电子技 术 实现 监 测 信 号 的 处 理 、显 示 、报 警及 传 输 功 能 ， 同时 实现 在 地 面 生 产 指挥 中心 对 矿 井巷 道 顶 板 离层 状 态 的 实 时 、 远 程监 控 。并 对研 制 的智 能型顶 板 离层监 测仪 的 应 用效果进 行 了分 析 总结 。 关键 词 智能 ；顶 板 离层 ；监测 仪 ；研制 中图 分类号 T D 7 文 献标 识码 B 文章 编号 1 6 7 1 1 9 5 9 2 0 0 6 0 6 0 0 9 2 0 3 l顶 板离层 的概 念 及 研 究 顶 板 离 层 监测 仪 的现 实 意义 顶板离层是 巷道 围岩变 形 和破坏 的主要 形式 之一 ，当 顶板离层超过 一定 范 围，即表 明顶板处 于非 稳定 状态 ，如 果不及时 采取 支护 措 施 ，便会 发 生 冒顶 等 恶性 顶 板事 故 。 顶板事故不但影 响煤矿 的正 常生 产 ，而且 会造 成人 员伤 亡 及设备损坏 。据统 计 ，我 国煤矿 顶板 冒落 造成 的人 员伤亡 事故约 占事故总数 的三 分之 一左 右，其它煤 矿重 大事 故 如 冲击地压 、巷道 变形 、煤 及瓦斯 突 出等 ，都 与开 采引 起 的 矿 山压 力密切相关 。特 别是 近年 来推 广使用 煤巷 锚 网支护 技 术以来 ，由于煤 巷锚 网支护 顶板 的破 坏隐 蔽性 强 ，巷道 失稳无 明显 征兆 ，其 破坏 失稳 具有 突发性 ，冒落 规模 比较 大 ，而突发性 冒顶会 造成极 为严 重 的危 害，且 目前 常用 的 顶板离层仪是靠 人定 时观察 测量 顶板 离层状 况 ，不能实 现 不问断 自动监 测 和数据 传输 ，存 在时 间上 的空 档。因此 对 锚杆支护 巷道 进行 离层 实时 监 测 ，并 及时 采取 相 应措 施 ， 阻止顶板失稳 、避免突发性破 坏的发生具有重要意义 。 2 智能顶 板 离层 监测 仪研 制 2． 1研制 智 能顶板 监 测仪 的 目的 主要是用于 自动 监测 煤矿巷 道顶 板离 层量 ，为巷道 的 及时支护和安全 管理 提供 依据 ，该 仪器 既可 在井 下就地 观 测 通过数码显示 和语音提 示 两种 方式 ，又 可将 测量数 据 通过矿井监控网络传输到地 面生产调度指挥 中心 。 2． 2 智 能 型顶板 离层仪 的基 本组成 本智能型顶板 离层 仪 由锚 头组 件 、传 感器 、显示 报警 装 置 、通 讯传输系统 和就 地监 控分 站等组 成 。其 中显 示报 警装 置可通 过 电缆相 互连 接 ，组成 网络 。在 顶板 离层 监测 过程 中 ，由于在 巷道 内部 找不 到一 个不动 的基 准点 ，使得 对顶板离层 的测量 没有 参照 物 ，因此 ，本智 能型 顶板 离层 仪采用深基点位移 计监 测方 法测 量顶 板离层 量 ，即本监 测 仪将基点设在老顶深处 ，直接顶 与老顶 的离 层 即不 同顶板 之间的相对位移 通过固联于老顶上 的锚 头转化 为磁棒 相对 于直接顶表面的传 感器 的位 移。智 能型顶 板离 层监 测仪 基 本 组成如图 1所示 。 直 图 1 智能 型顶 板离层监测仪基本组成 心 如 图 1 所示 。本 监测 仪安 装于 顶板 上 。顶 板上 用锚 杆 钻打孑 L ，根据巷道 顶板 实 际厚度 决定 孔深 ，顶 板 有直 接顶 和老顶两层 ，锚头 固定 老顶 深部基 点孔 中，传 感器 安装 于 直接顶上 ，靠有弹性的 圆筒 截面成 C型 涨 塞于 孔 中，磁 棒通过细钢丝绳 与锚 头相 连接 ，垂 直从 传感 器 中心孑 L 中穿 过 ，当直接顶 相对老 顶发 生离 层时 ，装 于 老顶 中的锚 头相 对 固定不动 ，而传感 器随 直接 顶一起 发 生位 移 ，穿于 其 中 的磁棒则相对敏感 元 件发 生位移 ，此时磁 棒 上不 同位 置 的 磁场感 应霍尔开关 动作 ，根据 一组 霍尔 开关 的开关 动作 组 合 ，可得 到磁 棒的相对位置 信息 ，对该 信息 的分析 、计算 ， 最后 由控 制显示电路驱 动显 示装 置显 示顶 板离 层值 或通 过 报警 装置给出离层超限语音报警 。 2 ． 2 ． 1 锚头组件 锚头组件 由锚 头 、细钢 丝等组 成 。锚 头 固定 在顶 板深 收稿 日期 2 0 0 60 2 0 7 作者简介 卢喜 山 1 9 6 4一 ，男 ，河南临颖县人 ，1 9 8 7年 毕业 于河 南焦 作矿业 学 院 ，硕士 研究 生 ，高级工 程师 ，多 年来一直从事煤 矿机 电技术管理工作 。 92 维普资讯 2 0 0 6年第 6期 煤 炭 工 程 部基点孔 中 ，其 下接 柔软 而 弹性 小的细 钢丝 ，磁 棒悬 于细 钢丝下 ，当两顶 板岩 层发 生相 对分 离时 ，由于老 顶相 对来 说较稳 固，锚 头相 对 固定 不 动 ，亦 即磁 棒 相 对 固定 不 动 ， 而敏感元件 固定 于直 接顶 表面上 ，离层 表现 为传 感装 置相 对于磁棒发生位 移 ，该位 移量 经敏 感元 件检 测并 由后继 电 路转换成电能 ，显示 和传输 。 2 ． 2 ． 2 传感器 传感 器的作用是 感应 顶板 离 层位 移 ，并将 其转换 成 电 信号。本监测仪采 用霍 尔开关 作 为敏 感元 件 ，实现 顶板离 层量的非接触测量。 本传感器 装置 由 四个 霍尔 元件组 成 ，其 所转 换成 的离 层量编码 信息 ，经 过译 码 电路转 换后 ，得 到离 层量 值 ，该 值经后接放大 器放大 后 ，可 驱动显 示 报警 装置输 出离 层量 数值 ，也可 由矿井监测 通讯 网络传输至 地面生 产调度 中心 ， 实现远程监测 。 2 ． 2 ． 3 显示报 警装置 显示 报警装 置是离 层量 就地 输出 设备 ，当有头 灯光 照 射时 ，经放大 电路 放 大后 的顶板 离层 信号 ，驱 动七 段数码 管以数字形式显示 离层 量。其 中的 报警装 置为 本安 型 电子 报警 器 ，可同时 用声 、光 、语音 报警 ，顶板 离层 报警 根据 各矿 实际预先 设定 ，当测点 的 顶板离 层量 达到 或超 过这个 值时 ，数 字显示 ，同时发出声 、光 、语音报警 。 2 ． 2 ． 4 通讯传输系统 包括两方面 内容 一 是各 测点 显示 报警装 置通 过 电缆 连接成 网 ，实现 数据 共享 ；二 是各 测点 经放 大后 的离层 量 信号 ，通过矿井 监测 网络 传输 至地 面接收 机 ，实 现远程 动 态 监 测 和 记 录 。 2 ． 2 ． 5 就 地 监控 分站 就地 监控 分站 采用煤 矿 瓦斯监 控分 站 ，它将 各 个测点 顶板 离层 数据 通过 专用 电缆线 传输 至此 ，实现 井下 就地集 中监 测。图 2 、图 3是研制 的智能型顶板离层监测 系统在工 作 面顺槽 布置图。 2 ． 3 离层监 测 仪传 感 器的 工作 原理及 结 构 2 ． 3 ． 1霍尔元件的工作原理 霍尔元件是基 于霍 尔效 应制成 的。所 谓霍 尔效 应就 是 把一个磁场加到一 个通 有 电流的 导体 上 ，在该 导体 的两 侧 面就会 产生一 个 电压 ，这一 效应 就 叫霍 尔效应 ，即 霍 尔 效应是 由于 通 电 导体 的 电荷 在 磁 场 的作 用 下 发 生 偏 移引 起 的 。 2 ． 3 ． 2 智能型顶板离层监测仪传感 器的结 构 智能 型顶板 离层 监测 仪是 根据 霍尔 效应 原理 而开发 研 制的。具体方法 使 表面贴 有磁 条 的金属 棒悬 垂 于老顶 深 部基点 不动 ，而使半导 体传 感元 件 传感 装 置 固定 于直接 顶 表面 ，传感元件 由若 干个 霍尔 开关组 成 ，将 随直接 顶顶 板离层产生相对 于基 点的位 移 ，我 们 在磁棒 的轴 向各 个位 置贴上不 同的磁 条组 合 ，其贴法 以磁极 N或 S向外而不同 ， 这样的一个磁场 组合 代表 了磁场 的某 一具 体轴 向位 置 ，当 传感 装置 随直 接顶发 生位 移时 ，与 某一 位移 量相 对应 的磁 棒上 的一组磁场组 合将 激励 霍 尔开关 组合 动作 ，表 现为 其 中某些元件 导通 ，而 一些 截止 ，该 状态与 磁棒 上 的磁场组 合成一一对应关 系 ，反映 了顶 板离 层量信 息对 其处 理后将 得到顶板离层量 的物理 值。 3 智能 顶板 离层 监测 仪现 场应 用与 效 果分析 3 ． 1 智 能顶 板 离层监 测仪 的应 用 该监测仪应用于潞安矿业集 团公 司王庄煤 矿 5 2 0 8放水 巷。5 2 0 8 工作 面是 5 2采 区西 面最北 一个工作面 ，周围均是 未采 区 ，煤层 上部的 7 、8 含水层的水未能有效排 放 ，掘 进过程 中会 出现淋水及 涌水。在 5 2 0 8放水巷掘 进及 回采 过 程 中，要求对顶板 离层进 行动态 监测 ，即每 隔 5 0 m 在顶 板 中部安设一部离层 监测 仪 ，观 察方 法是 直接读 取离 层量 显 示数据和发 出声光 、语 音报 警 ，也 可在井 上进 行动 态监 视 各测点的离层量 。 结合现场特点 ，在 5 2 0 8顺槽 中安 装 了 2 0台智能 型 顶 板离层监测仪进行试验 。并采取 了以下具 体措 施 1 单个测点 的布 置 。根 据现 场情 况 ，在 5 2 0 8放 水巷 顶板 中部 用直径 3 8 钻 杆打孔 ，孔深 7 ． 8 m，在 孔 中 2 ． 6 m 和 7 ． 8 m处分别 固定 两 个锚 头 ，即在 顶板 深 处设 置 两个 基 点 ，每个锚 头下悬 垂磁 棒一条 ，磁棒穿过 传感受器 中心孔 ， 传感器通过与其相 连的 C型弹性 筒 固定在 顶板孔 口，最 后 连接传感器与报警装 置电缆 。安装 布置图见图 1所示。 2 整条巷道测点的布置。整条 巷道布置监 测仪 2 0台 ， 间距 5 0 m，在布置好 各 台监 测仪后 ，用 专用 通讯 电缆 依 次 连接各监测仪 ，组 成 网络 ，并将 整个 网络 与井 下就监 控分 站相连。安装布置图如图 2 、图 3所示。 置 7 、 图 2 顺槽 纵剖面监测系统布置 图 图 3 顺槽测区监测 系统平面布置 图 93 维普资讯 煤 炭 工 程 2 0 0 6年 第 6期 S F 6 示踪气体测定漏风技术在神东矿 区的应用 张 福 成 中国神华 能源股份有限公司 神东煤炭分公 司安监 局 ，内蒙 古 伊旗0 1 7 2 0 9 摘 要 采 用 S F 6 示踪 气体 瞬 时和 定量连 续释 放 相结合 的 方 法及 通 风 网络技 术 ，结合 矿 区地 表特点及井下通风构筑物的 实际情 况，测试浅埋藏煤层地表 漏风条件 下的漏风通道及 漏风量 ， 提 出了采 空 区漏风 路 线及 漏风 量 的现 场 测试技 术 ，对矿 井 火灾防 治提供 了重要 的依据 。 关键 词 S F 6 示踪 气体 ；漏风测 定 ；通风 网络技 术 中图 分类号 T D 7 5 2 ． 1 文献 标识 码 B 文章 编 号 1 6 7 1 1 9 5 9 2 0 0 6 0 6 0 0 9 4 0 3 神东矿 区开采的煤层 均为 自燃煤层 、挥 发份 高 3 2 ％ ～ 3 7 ％ 、燃 点低 2 7 0 ℃ 左右 、易氧化 、埋藏浅 3 0 ～2 3 0 m ， 矿井漏 风 严 重 、综 采 工 作 面 推 进 长 度 大 一 般 2 0 0 0～ 6 0 0 0 m ，开采时间较 长 、开采损 失遗 留煤炭 多 ，以及 掘进 工作面采用连采机双巷 掘进 形成 的煤 柱等都 将给 防治 矿井 煤 炭 自燃造成困难。进人 2 0 0 0年 ，随着煤炭 开采产量 的增 加 ，生产矿井 主要 工作 面采空 区 的浮煤 都不 同程 度地 出现 低温 氧化及 自燃 现象 。按 照公 司的发展 规划 ，每 年 以 1 0 0 0 万 t 的速度递增 ，随 着生 产 规模 的 加大 ，开采 深 度 、强 度 和范 围相应增加 ，采空 区煤炭 自燃 的危险性将更加突 出。 神东矿 区为 浅地 表开采 ，受 采动 影 响，采 空 区不 同程 度地与地表 连 通 ，形成漏 风 通道 。为 了使 矿井 的防 灭火工 作更加主动有效 ，必须 开展地 表漏 风 的测定 ，以便确认 是 否存在漏风 通道 ，以及测 出漏 风速 度和漏 风量 ，更好地 掌 握 地表漏 风规律。测出漏 风通道后 ，及 时加强对 地面塌 陷 、 裂 隙的封堵 ，对井 下各采 空 区与外 界连 通 的巷 道及 时进 行 永久封 闭，对发 现有漏 风迹 象 的密闭 、煤 柱及 时喷 浆或采 取其它措施进行处理 。 1 用 S 示踪气 体 定性 测定 漏风 S F 气体无毒无 味 ，在地 面及 井 下的环 境 中含 量极 低 ， 化学稳定性 好 ，检 测灵 敏度 高 ，扩散 性强 ，是 常 用 的示踪 气体之一 。用 S F 示踪气体定性测定漏 风的测试方法 为① 根据矿井通风 系统 图分 析可 能 的漏 风 通道 、漏 风源 、漏 风 汇 ；②在漏风源 中释放 s F 气体 ，在漏风 汇每 隔一定时间用 球胆采集气样 ；③ 将采 集 的气样 送实 验室 分析 ，由气相 色 谱仪测定 S F 6 气体 浓度 ；④ 根据气样分析结果 确定漏风通道 及漏 风风速。 按 照上述步骤 ，对 于抽 出式 通风 的矿 井 ，用 多个 充满 S 气 体的球胆 向工作 面地 表 不 同部 位 的裂 隙 内瞬 时 释放 s F 6 气 体 ，经过 一段 时间后 根据煤层埋藏 深度确 定 ，在工 作面 回风隅角每 隔一定 时 间用球 胆采 集气 样 ，然后 将气 样 及时送到通风实验 室利 用色谱 进 行气 样分 析 ，分析 出风 流 中的 S F 气 体浓 度 ，即可得到漏风风速 。 亭席 、 毫 亭席 崞 席 崞席 席 亭席 亭席 、 亭席 、 e 3 ． 2智 能 型顶板监 测 仪 的应 用效 果4结 论 在试验过程 中 ，本 监 测 仪性 能稳 定 ，数 码 显 示 清楚 ， 语音 提示 准确 ，可准 确地 反映 顶板 的离层 状况 ，极大地 提 高了顶板离 层信 息准 确度 ，达 到 了预 期效 果 ，它 的使用 有 利于安全生 产 ，有利 于作业 人 员的人 身安 全 ，受到 广大 职 工 的欢迎 和支持 。 生产实践证 明，智 能型 顶板 离层监 测 仪的 开发研 制是 非常成功 的，它 的使 用实 现 了矿 井巷 道 顶板 监 测智 能 化 ， 使煤 矿巷道顶 板安 全管理 的技 术水 平有较 大提 高 ，对煤 矿 的安全生 产具有 一定 的促进 作用 ，它 为煤矿 安全 管理实 现 网络化 、信息 化奠定 了基础 。 、 e 岩层 内部 的离层 是 煤巷顶 板破 坏失 稳 的基本 特征 和直 接原 因，作者研制 出一 种顶 板离层非接 触式测量 的新 方法 ， 将霍尔效应原理应 用 于顶板 离层 位移 量测 量 ，采用 光 敏元 件控 制离层值 的输 出显 示 和报 警 提示 ，并 成功 地 开发研 制 了一种智能型顶板离层监测仪 。 该顶 板离层监测仪 的投 人使 用可 实现顶 板 离层状 态 实 时监测 的网络化 、 自动 化 ，可实现 在地 面 生产指 挥 中心对 矿井巷道顶板离层 状 态 的实时监 测 ，实 现 了监测 数据 的计 算机管理。推广使用 该监 测仪 将会 使我 国煤 矿巷 道顶 板安 全管理的技术水平有较 大的提高。 责任编辑程 玉岭 收 稿 日期 2 0 0 60 52 9 作者简介 张福成 1 9 7 2一 ，男 ，内蒙古商都人 ，1 9 9 6年毕业 于 山西矿业 学院通 风安 全专业 ，现任 中国神华 能源股 份公司神东煤炭分公 司安监局通风处 副主任工程 师。 9 4 维普资讯