矿山压力观测仪器571518

1、第四章矿山压力观测仪器矿山压力观测仪器，伴随矿山压力研究的广泛开展，逐步由无到有，由功能单一到多项功能组合，由简陋到精美，且可实现遥控监测。目前，矿山压力观测仪器种类较多。按观测内容 分为：采煤工作面和巷道支柱（架）工作阻力观测仪器、顶底板相对移近量和巷道围岩表面 位移观测仪器、岩体内部原岩应力和附加应力观测仪器、围岩深部位移观测仪器、矿山动力现象观测仪器等。按其工作原理分为：机械式、液压式、振弦式、电阻应变式、声波法、光学法及其它物理方法（如电磁波、同位素射线等）。机械式和液压式矿压观测仪器，结构简单，工作可靠，造价较低，是矿山压力观测常用仪器。其它工作原理的观测仪器，可通称 为电测仪器，这

2、些仪器是将矿山压力显现的被测参数如应力（应变）或位移等转换成电量， 然后进行测量。一般来说，电测仪器具有灵敏度高，响应速度快，测量范围宽，能够实现连续观测，测量信号可以远距离传输和用电子计算机进行数据处理和分析等特点，是矿山压力观测仪器的发展方向。矿压观测仪器虽种类繁多，工作原理各有差异，但其组成部分大致相同。通常，把能将非电量的压力（应力）或位移转换成电量的装置（元件）称为一次测量仪表，亦称为传感器。能将传感器输出的信号进行放大、滤波、波形变换和分析、积分或微分运算、计数、显示等变 换和处理的装置称为二次仪表。第一节机械式矿压观测仪器机械式矿压观测仪器，由于其结构简单，工作可靠，使用方便，易

3、于维护和检修，比较适合地下工程的矿压测量，因此，矿压观测最初使用的仪器多数为此类。随着科学技术的进步，特别是电子技术的发展， 以及矿压观测数据精度要求的不断提高，此类观测仪器将逐渐被淘汰。一、机械式支柱测力计；图4-1 ADJ型测力计ADJ-45型和ADJ-50型支柱测力计， 常用来测量采掘工作面单体支柱和巷道 支架承受的载荷及其工作特性等。1-底座；2-保护盖；3-调整螺钉；4-螺母； 5-工作膜；6-平衡弹簧；7-外套；8-保护 盖链子；9-螺钉;10小轴；11-弹簧；12- 上盖；13-传动杠杆；14固定螺钉；15、 16螺钉和垫圈；17-测孔该仪器的结构如图4-1所示。测力计 的上盖受

4、力后，使工作膜5承受压力并发 生弹性变形，这一微小变形通过传动杠杆 13放大，用百分表制成的压力指示器 （图 4-2）,插入测孔17,测量传动杠杆自由端 的位移，即压力指示器中的百分表读数， 然后在其标定曲线上查得测力计上所承 受的载荷。ADJ型机械式测力计的标定曲线， 是在材料试验机上对测力计进行标定后 获取的（图4-3）。在材料试验机上，首先 对测力计进行加载， 载荷由零均匀加至最 大值（为额定工作载荷的1.2倍）。同时用压力指示器测量某一载荷下的自由端位移，然后卸载，同样测量某一载荷下的自由端位移。如此重复三次，取某平均值，即可作出测力计的 标定曲线。支柱测力计的标定曲线由生产厂家提供，

5、使用过程中因工作环境的变化， 其工作特性有可能发生变化，因此，有条件时每次观测前都应重新标定一次。主要技术指标ADJ-45 型ADJ-50 型设计工作压力，kN450500过载安全系数1.21.2工作膜直径，mm135180杠杆传动装置传动比1:3.251:3最大压力时杠杆端部位移， mm3467测力计支承面积，cm2135254精度，kN105允许相对误差，+ 2+ 1允许偏心角，（）77外壳直径,mm145188长度，mm195250高度，mm113118重量，kg5.29.51.DDJ型测杆图4-2 NN-ZY指示器结构图1-保护环；2-外壳；3-保护盖；4-接长杆;5-套圈；6-链子；

6、7-百分表图4-3 ADJ型测力计标定曲线表4-1 ADJ型机械式测力计主要指标DDJ型测杆是测量顶底板相对移近量、巷道围岩表面及支架两点间位移的常用仪器（图4-4）,主要由活杆、套管、标尺组成。活杆 1可在套管5内滑动，活杆上设有固定标尺2,套管上端的矩形读数窗口 3刻有读数基准线，拧紧夹紧螺钉4,可使卡环抱紧活杆 1,并借助弹簧6的弹力使测杆稳固地支撑在两测量基点之间。读数基准线所对准的标尺刻度即为观测值。DDJ型测杆配合自动记录器（图 4-5）可实现自动连续观测。使用时，将测杆从自动记录器测杆孔口 9穿过，固定好自动记录器，将测杆支设在两测量基点间，然后拧紧测杆的夹紧螺钉，利用自动记录器

7、上的夹紧装置，使测杆的活杆移动时，带动杆杠5,并驱动记2.BHS-10型测枪BHS-10型测枪（图录笔笔尖在自记钟 1柱形表面记录纸上绘出顶板下沉曲线。观测期间每天更换一次记录纸， 上紧自记钟的发条，若记录笔使用墨水时还应及时灌注墨水。4-6）适于测量巷道围岩表面位移，亦可用于地面工程测量。该测枪测量范围大，读数精确，使用方便。18,松开扳测量时，将测枪接头组 1挂在预安设的观测基点的金属钩上，下压卡簧片4处观看尺标3,即是测取的读数值。配合接长杆使用，测枪最大测量范围可达11m。机10,移动测枪放出测尺11,待测枪顶尖16接近对应测点时，扳机压至一档，将测尺压 紧，当顶尖触及测钉端面时，扳机

8、压至二档，锁死测尺，从放大镜图4-4 DDJ-2.5型测杆1-活杆；2-标尺；3-观测窗；4-夹紧 螺钉；5-套管；6-弹簧；7接长杆图4-5C- n型自动记录器结构图1-自记钟；2立柱；3-导槽；4-轴；5-杠杆；6-笔尖；7-导轨；8-调节板；9测杆孔口； 10- 固定螺钉；11-底座；12-弹簧；13-放大旋钮；14-放大刻度；15-自记钟轴.KY-82型顶板动态仪KY-82型顶板动态仪（图 4-7）是一种普及型、机械式、灵敏度高、量程大的位移计。主要用于测量采煤工作面和巷道顶底板移近量及移近速度。使用时，动态仪安设在顶底板测量基点间，依靠压力弹簧5固定。粗读数或较大读数由粗读数游标 1

9、3指示，从刻度套管 10上读出，每一小格 2mm；微读数由指针 9指 示，从微读数刻度盘 8上读出画，刻度盘上每一小格为 0.01mm,共200小格，对应为2mm。例如图4-7面上读数为2+1.30=3.30mm。顶底板相对移近时，作用力通过压杆3压缩压力弹簧5并推动齿条7,齿条再推动齿轮带动指针9顺时针方向转动，于是读数增大。前后两次读数的差值为此段时间内的顶底板移近量，差值和此段时间间隔的比值即为顶底板移近速 度。KY-82型顶板动态仪分辨率为 0.01mm。最大量程为200mm,和接长杆配合使用，测量 高度可达3m。图4-7b为接长杆结构示意图，它是顶板动态的组成部分之一，当测量高度 较

10、大时，可将接长杆和动态仪用连接螺母14连成一体。士”2图4-6 BHS-10型测枪结构图1-接头组；2-毡垫；3-尺标；4-放大镜；5-调整螺母；6-压钉；7-橡胶板；8-扳机轴；9- 弹簧片；10-扳机；11-测尺；12枪壳；13-枪嘴；14-螺钉；15-保护帽；16-顶尖；17扳机 簧；18-卡簧片. D-m型顶板动态仪D-m型顶板动态仪结构如图4-8,它是在KY-82型顶板动态仪基础上加以改造制成的。将KY-82型动态仪的百分表刻度盘换成了开有均布100个小孔的黑色圆盘 8,圆盘后面装有一只发光二极管。当活杆（也称伸缩杆）3移动时，齿条杆带动圆盘旋转，圆盘上小孔转动到发光二极管处时， 小

11、孔将透出一束光线，每透光一次即意谓着顶底板相对移动0.02mm ,在圆盘的另一侧装有光电三极管、小孔透出的光直射光电三极管，三极管将导通而发出脉冲信息；小孔转过发光二极管而未转至下一个小孔时，光电三极因无光束照射将截止。再采用一种接收仪记录光电三极管导通一一截止的次数，即可获取此段时间内的顶底板相对移近 量。D-m型顶板动态仪和其它相应仪器配合使用，可实现遥测。其使用高度为13m,最大量程300mm,辩别率 0.02mm。 第二节液压式矿压观测仪器液压式矿压观测仪器是根据液体不可压缩原理，将支柱截荷或煤体应力转换成液压腔或液压囊的液压值。其测量元件有弹性管、波纹管、波登管及柱塞螺旋弹簧等。目前

12、，用于矿 压测量的液压式仪器有：压力表、液压测力计和液压自动记录仪。一、压力表压力表结构简单，测量范围宽，使用维修简便，各类压力表中，以弹簧式压力表为主， 其中又以单圈弹簧管使用最广。它的品种和规格都较齐全，外径尺寸大部分在 660 250mm精度等级一般为1%2,5%。随着国民经济发展的需要，近年来出现了精密压力表、超高压压力表、微压计、耐高温压力表及特殊用途的压力表。二、液压测力计图4-7 KY-82型顶板动态仪结构示意图1-顶盖；2-万向接头；3-压杆；4-密封盖；5-压 力弹簧；6-万向接头；7-齿条；8-微读数刻线盘； 9-指针；10-刻度套管；11-有机玻璃罩管；12- 底锥；13

13、-粗读数防1标；14-连接螺母；15-内管；16-卡夹套；17-卡夹；18-外管；19-带孔铁钎图4-8 D-m型顶板动态仪结构图1-活动顶帽；2-球形连接；3-伸缩杆；4- 套筒；5-复位弹簧；6-光电装换器；7-百 分表；8-带孔小圆盘；9-齿条杆；10-有 机玻璃；11-集成电路数字式接收仪器；12-带刻度套筒；13指针1. HC型液压测力计HC型液压测力计（图4-9）主要用于测定采掘工作面的支柱工作阻力O它有两种规格:HC-45型适用于单体金属支柱和液压支柱；HC-25型适用于木柱和各种巷道支架。根据液体不可压缩和各向同性的原理，当测力计的调心盖4承压时，使活塞 3向下压迫油体产生和支

14、柱工作阻力相应的油压，压力油经管接头7传至压力表，表的读数即为支柱工作阻力或作用在支柱上的载荷。阻尼螺钉6的作用是防止突然卸载而损坏压力表；排气阀8是为注油时排放油缸及管路中的气体而设置的。它的主要技术特征如表4-2。表4-2 HC型液压测力计主要技术特征主要技术指标单位HC-25 型HC-45 型额定承载能力kN250450最大承载油压MPa31.857.3油缸直径mm100100外径mm146146最大偏心角(0)661kN载荷的压力表读数1.271.27重量kg9202.ZHC型钻孔油枕应力计ZHC型钻孔油枕应力 计（图4-10）是测量煤（岩）体附加应力的仪器，目前主要用于 测定采煤工作

15、面超前支承压力、煤柱的稳定性、巷道围岩中支承压力作用的范围等。油枕由两片枕壳对焊而成，在每片枕壳上用专用模具压出R = 3.5mm的椭圆形沟槽。选用精度为11.5级、量程025MPa的普通压力表，油枕和压力表的连接管路采用紫铜管 和无缝钢管两种，前者用于浅孔，后者用于深孔。注油阀的结构如图 4-11,用它将应力计和 泵站接通，当高压油进入阀体1,并达到一定压力后，旋转锥阀3,切断泵和测量系统的油路。油枕受煤、岩体的挤压，油压发生变化，从压力表读出煤、岩体中的应力值。油枕在钻孔中的安装方式有充填式、预包式和双楔式三种。首先，在安装仪器的地方， 用电钻或风钻按设计深度钻孔，再用压风或压力水冲洗。如

16、用充填式油枕时，把搅拌好的砂浆加适量水玻璃或速凝剂（三乙醇胺5%0,食盐5%。），用送灰器送入孔内，然后插入油枕，待砂浆达到凝固强度后即可加初压。使用预包式油枕时，一般要求孔径比包体外径只能大 2mm o使用双楔式油枕时，钻孔直径为3654mm。本仪器的主要技术特征如表4-3。表4-3 ZHC型钻孔油枕应力计主要技术特征主要技术特征单位数值油枕长度mm250油枕宽度mm43油枕厚度mm9.8额定内压MPa20枕壳厚度mm1.0压力表量程MPa025测量精度%11.5重量kg0.63.锚杆拉力计锚杆拉力计是测量锚杆锚固力的仪器（图4-12）。使用时，将拉力计安装在锚杆上，开启千斤顶推动活塞伸出，

17、锚杆将间接地承受拉力。当锚杆的锚固力小于活塞的拉力时， 锚杆 被拉出，此时压力表的读数不再上升，其值为千斤顶高压腔的压强。锚杆锚固力可用下式计算：T = Sp（4-1）式中 T 锚杆的锚固力，kN；S千斤顶活塞的面积，mm2;p 压力表t数，MPa。三、液压自动记录仪液压自动记录仪是测量并记录液压支架，体液压支柱及各种液压设备工作阻力变化的仪器。由于它能够自动记录液体压力的变化过程1 . YTL-610型圆图压力记录仪图4-10 ZHC型钻孔油枕应力计结构图1-排气阀；2-油枕；3-管路；4-压力表；5注油阀本仪器主要用来测量和记录液压支架和各种千斤顶的压力变化。它可在圆形记录纸上图4-11注

18、油阀结构示意图1-阀体；2-注油接头；3-锥阀绘出支架p _T特性曲线，即支护阻力 p在采煤循环过程中和时间 T的关系曲线。图4-12锚杆拉力计工作示意图1-锚杆；2-钻孔；3-丝杠；4-拉力架支承体；5-拉力架；6-千斤顶(1)结构和原理。如图4-13所示，该仪器由测量和记录两大部分组成。被测高压液体9进入测量机构的弹簧管 8后，使其自由端产生弹性位移， 经传动杠杆放大后带动记录笔 10, 沿圆盘形记录纸3半径方向摆动，从而指示出压力值，并把它记录在记录纸上。记录纸固定在托纸盘上，由钟表机构驱动，每24h旋转一周，因此，记录纸上记录的信息能够反应压力p和时间T的关系。(2)主要技术参数。如表

19、 4-4所示。表4-4 YTL-610型圆图压力记录仪技术特征表主要技术参数精度等级，级1.5 或 2.5测量范围，MPa0100连续记录时间，h24记录纸旋转速度，r/d1外形尺寸，mm 272X125重量，kg6(3)仪器的使用和维护。本仪器是悬挂式仪表，具体操作步骤如下：按动表门右侧按钮，打开表门。安装记录墨水：用两个孔的瓶塞塞住墨水瓶，一个孔中插入带有毛细管的不锈钢管,并在记录纸上垫一纸片。 先用手堵住瓶塞上的通气孔，再挤压墨水瓶，重复数次，直到记录 笔尖出现墨水，并排除塑料管中的气体。移动垫在记录纸上的纸片，纸片应划有清晰线条。记录墨水瓶的位置根据瓶中墨水多少而定， 当墨水较多时，墨

20、水瓶应往下调，反之则往上调， 以免产生漏水和断水现象。采用新型记录纸和记录笔的仪器（记录笔不使用墨水），此步可略去。按顺时针方向上紧发条，旋出记录纸，压紧旋钮（左螺纹），将记录纸插入托纸盘的三个导纸槽内，铺放平整后略拧紧旋钮，逆时针方向转动记录纸，使记录笔对准时间刻度， 随后旋紧记录纸的压紧旋钮，按下抬笔架。调节记录笔上的调整螺母，使笔尖对准零位。记录笔对记录纸的压力可用记录笔上的滚花螺母调节。此压力不宜过大，以记录笔 在全刻度内画出清晰线条为准。仪器应定期清洗和维修。维修过的仪器须经调整和校验才能继续使用。检验是在压力泵上进行的，采用标准表对比读数法。 所用标准表的误差应小于被检表基本误差的

21、三分之一。图4-13 YTL-610型圆图压力自记仪J亥a-压力自记仪外形图；b-压力自记仪测量结构简图仪器测1-调零螺丝；2-滚花螺母；3-圆盘形记录纸；4-高压管接头；5、6、7-杠量机构杆；8-弹簧管；9-高压液体；10-记录笔；A、B-拉杆原理如 图4-13b。杆5、7和拉杆A用于粗调，杆6和拉杆B用于微调。当杆 5、7长度减小，杆6 长度增加时，示值将均匀增加，反之则减小。当拉杆 A、B加长时，示值将先大后小，反 之则先小后大。2 . YSZ-1型液压支架压力下缩自记仪YSZ-1型液压支加压力下缩自记仪（图4-14）是测量支柱工作阻力和活柱下缩量的联合的条件下使用。压力记录部分：立柱

22、工作阻力的记录是通过安装在仪器底部的压力传感器（图4-15）实现的。当被测介质进入压力传感器时，在高压液体推动下， 标卞f 6克服弹簧4的张力，沿底座7的导向孔作直线移动。标杆的最大位移量为 20mm。标杆带动四连杆放大机构，使记录笔作相应的移动，并在记录纸上画出压力值。图4-14 YSZ-1型液压支架压力下缩自记仪结构原理图1-压力传感器；2-快速接头；3-底盘；4-调节螺钉；5-制动弹簧；6-四连杆放大机构7-自 记钟；8-防尘盖；9-顶盘；10-上轴套；11-活杆组；12-上夹板；13-静机壳；14-制动闸带；15-滑动块；16-导向杆；17-松闸油缸；18-复位弹簧；19-下轴套；20

23、-槽钢；21-钢带下缩量记录部分：测量时，活杆和液压支架活柱联成一体，当活柱在压力作用下下缩时，带动活杆向下移动。由于制动弹簧的作用， 使制动闸带和活杆间有足够大的摩擦力，随着活杆的移动，制动器带动记录笔，在记录纸上记下活柱下缩量。当液压支架降柱时，松闸油缸在高压液体作用下，克服制动弹簧的张力推动制动门轴，使制动闸带和活柱分离。制动闸带在复位弹簧作用下复位。等移架结束后，仪器又处于正常记录状态，开始记录下一循环的压力和下缩量。仪器的安装：利用仪器附设的钢带安装在被测立柱上。活杆和支架活柱相连接；压力传感器和立柱控制阀的高压腔接通。仪器还附有标准快速三通接头，国产液压支架可以直接使用。对于进口的

24、液压支架，可以根据接头尺寸，自行制造过渡接头。YSZ-1型液压支架压力下缩自记仪的安装如图 4-16。该仪器主要技术特征如表 4-5。图4-15压力传感器原理图1-接头；2-外套；3-调节螺栓；4-弹 簧；5-弹簧螺头；6-标杆；7-底座 表4-5 YSZ-1型液压支架压力下缩自记仪图4-16 YSZ-1型液压支架压力下缩自记仪安装示意图1-活柱；2-悬臂梁；3-活杆；4-降柱进油孔；5-柱体；6-机体；7-钢带；8-松闸油缸；9-压力传感器；10-控制阀；11-升柱进油孔；12-操纵阀技术特征表主要技术指标误差压力量程060MPa5%下缩量程080mm0.5%连续记录时间24h0.5h第二节

25、振弦式矿压观测仪器振弦式观测仪器是根据钢弦在不同张力作用下，具有不同的固定频率这一原理研制的。 钢弦在张力T作用下，其固有频率为：(4-2)式中 f 钢弦固有频率；L 钢弦的长度；T 作用在钢弦上的张力； P钢弦的线密度。振弦式观测仪器由钢弦压力盒和钢弦频率接收仪两部分组成。钢弦压力盒是将外载转换为钢弦频率的传感器。钢弦频率接收仪是收集显示钢弦频率的数字式频率计。一、钢弦压力盒的工作原理目前使用的钢弦压力盒有煤炭科学研究总院北京开采所研制的YLH系列和山东矿业学院设计的GH系列（由湘潭无线电总厂制造）。这两个系列的钢弦压力盒都是双线圈自激型， 其工作原理基本相同。下面以 GH-50型钢弦压力盒

26、为例介绍其工作原理（图4-17）当压力p通过导向球面盖1作用在工作膜3时，工作膜产生微小挠曲，使两钢弦柱4外张产生微小的角位移而张紧钢弦6,使弦的固有频率 f升高。p越大f愈高。此时测出钢弦的振动频率f ,便可以从钢弦压力盒率定曲线（ p f曲线）或率定表中查得作用在压力盒上的载荷 加压腔对工作膜加载，p。液压钢弦压力盒和此原理相同，只不过是将液体通过接头引入例如：在自移式液压支架上使用的压力盒，通过快速接头和液压支架立柱高压腔连通；使用在单体液压支柱上的压力盒，则通过它本身的特殊接头和外注式单体液压支柱三用阀相连。使用压力盒进行压力观测时，查其率定表或率定曲线的方法虽简单，但并不快；况且 当

27、温度等因素发生变化时，其零频也发生相应变化，对零频漂移的修正比较困难(因p f曲线为二次抛物线型)。采用含有零频漂移修正的公式(4-3)进行计算，可解决上述问题。p = A(f2 fo2) -B(f 一 fo)4-3式中fo压力盒零频，HzA、B和压力盒自身特性有关的常数，其中p2( f1 - f0)- p1( f2 - f0)A = (4-4 a )(f2 f1 )( f2 - f0)( f1 - f0)B=A(fi + fo) pJ(fifo)(4-4b)f1、f2 压力盒率定曲线或率定表中的实测频率，Hz;p1、p2 和f1、f2相对应的作用在压力盒上的载荷，kN。在计算选点时，应使零频

28、载荷在接近满量程范围内均匀分布。例如GH-50型量程490kN,金属摩擦支柱最大工作阻力为350400 kN，故取p2 = 400 kN, r = p2/2 = 200 kN。对钢弦式传感器除要求设计合理、热处理良好外，正确地率定对于保证其精度具有重要意义。试验表明：经过良好热处理、具有较高性能的合金钢，即使在应力远低于弹性极限的 情况下 仍会产生塑性变形。为消除钢弦式传感器在使用中产生的塑性变形，对其反复多次 加载到满量程(甚至适量超量程)进行老化是有效的，老化到稳定以后的数据方可使用；对 质量合格的压力盒，放置越久加载次数越多其性能越稳定，故应以最后数据为准。二、钢弦频率接收仪钢弦频率接收

29、仪也称为频率计， 和钢弦压力盒配套使用， 称为矿压仪或测压仪， 可用于 瓦斯和煤尘煤炸危险的矿井、 是目前矿用测压仪中精度和灵敏度最高的一类产品。钢弦频率接收仪实质上是一台简易的数字频率计，下面介绍GSJ-1型钢弦频率接收仪和GH系列钢弦压力盒配合使用测量支柱载荷的工作原理。GSJ-1型频率计读数窗口为红色发光二极管四位数字显示器，压力盒插头接频率计的五芯插座，中间三芯插座为仪器内馍镉蓄电池充电插座。另外还有两只按钮， 最外侧的为关断按钮，靠里侧的为启动按钮。其工作原理如图4-18,主要技术特征见表 4-6。按启动按钮接通电源后，各电路开始工作。压力盒中钢弦的微小振动在感应磁头线圈 中产生一正弦感应电动势， 其输出电压经激发器放大上万倍并微分后形成双尖脉冲输给激发 磁头线圈改变其吸力。当接线相位正确时，钢弦移近则吸力加强，而当钢弦弹开时则吸力减 弱，如同同步拨弦一样使弦的振动加强。由于每秒内钢弦振动