智能型顶板离层仪的研制与应用

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

1 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 , 不能实现不间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

21 　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。

212 　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。

如图 1 所示。本监测仪安装于顶板上。顶板上用锚杆钻打孔 , 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 , 垂直从传感器中心孔中穿过 , 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。

21211 　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。

21212 　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。

21213 　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。

21214 　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。

21215 　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。

213 　离层监测仪传感器的工作原理及结构

21311 　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。

21312 　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

311 　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 5208 放水巷。5208 工作面是 52 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 5208 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 50m 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 5208 顺槽中安装了 20 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 5208 放水巷顶板中部用直径 38 ε 钻杆打孔 , 孔深 718m , 在孔中 216m和 718m 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 20 台 ,间距 50m , 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。