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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与分析等特点，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、波形变换与分析、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,易于维护与检修，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
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螺钉与垫圈；17-测孔

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。
该仪器的结构如图4-1所示。测力计的上盖受力后，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，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。
ADJ型支柱测力计主要技术特征如表4—1所示。

二、围岩移动量和移动速度观测仪器

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；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
主要技术指标
ADJ—45型
ADJ-50型
设计工作压力，kN
450
500
过载安全系数
1.2
1.2
工作膜直径，mm
135
180
杠杆传动装置传动比
1：3。25
1:3
最大压力时杠杆端部位移，mm
3～4
6~7
测力计支承面积,cm2
135
254
精度，kN
10
5
允许相对误差，％
±2
±1
允许偏心角，(°)
7
7
外壳直径，mm
145
188
长度，mm
195
250
高度,mm
113
118
重量，kg
5。2
9.5
1。DDJ型测杆
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，利用自动记录器上的夹紧装置，使测杆的活杆移动时，带动杆杠5，并驱动记录笔笔尖在自记钟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。
2.BHS—10型测枪
BHS-10型测枪(图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。
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18，松开扳机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，扳机压至二档，锁死测尺，从放大镜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。
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-Ⅱ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

3.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13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,差值与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，与接长杆配合使用，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,当测量高度较大时，可将接长杆与动态仪用连接螺母14连成一体。

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

4．D-Ⅲ型顶板动态仪
D-Ⅲ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——截止的次数，即可获取此段时间内的顶底板相对移近量。
D—Ⅲ型顶板动态仪与其它相应仪器配合使用，可实现遥测。其使用高度为1～3m，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，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应用最广。它的品种和规格都较齐全，外径尺寸大部分在mm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 4-8 D—Ⅲ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

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—粗读数游标；14-连接螺母;15-内管；16—卡夹套；17-卡夹；18-外管;19-带孔铁钎

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 。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向下压迫油体产生与支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
kN
250
450
最大承载油压
MPa
31.8
57.3
油缸直径
mm
100
100
外径
mm
146
146
最大偏心角
（°）
6
6
1kN载荷的压力表读数

1。27
1.27
重量
kg
9
20
2.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mm的椭圆形沟槽.选用精度为1～1。5级、量程0～25MPa的普通压力表,油枕与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，用它将应力计与泵站接通，当高压油进入阀体1，并达到一定压力后,旋转锥阀3，切断泵与测量系统的油路.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‰，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。使用双楔式油枕时，钻孔直 径为36~54mm。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
mm
250
油枕宽度
mm
43
油枕厚度
mm
9.8
额定内压
MPa
20
枕壳厚度
mm
1.0
压力表量程
MPa
0~25
测量精度
％
1～1.5
重量
kg
0。6
3。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，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:
(4—1)
式中 —— 锚杆的锚固力,kN;
—— 千斤顶活塞的面积,mm2；

图4-9 HC型液压测力计
1-油缸;2—压盖;3-活塞；4—调心盖；5-压力表;6—阻尼螺钉；7-管接头；8排气孔
—— 压力表读数，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,单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，故得到了广泛应用。

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

1．YTL-610型圆图压力记录仪
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绘出支架特性曲线，即支护阻力在采煤循环过程中与时间的关系曲线。
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

图4-11 注油阀结构示意图
1-阀体；2-注油接头；3-锥阀

（1）结构与原理.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与时间的关系.
（2）主要技术参数.如表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，MPa
0~100
连续记录时间，h
24
记录纸旋转速度，r/d
1
外形尺寸，mm
272×125
重量，kg
6
（3）仪器的使用与维护。本仪器是悬挂式仪表，具体操作步骤如下:
①按动表门右侧按钮，打开表门。
②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。
③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。
④调节记录笔上的调整螺母，使笔尖对准零位。
⑤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三分之一.

图 4—13 YTL—610型圆图压力自记仪
—压力自记仪外形图；—压力自记仪测量结构简图
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-杠杆；8—弹簧管；9—高压液体；10—记录笔；、-拉杆

该仪器测量机构原理如图4-13b。杆5、7和拉杆用于粗调，杆6和拉杆用于微调.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、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记录仪器，用以分析支架的刚度变化，即在顶板压力作用下，支架阻力变化与活柱下缩量的 的关系.它适用于各种架型的液压支架,可在有瓦斯煤尘爆炸危险的矿井和相对湿度为95%的条件下使用。
压力记录部分：立柱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，标杆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—槽钢；21—钢带

下缩量记录部分：测量时,活杆与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,使制动闸带与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，使制动闸带与活柱分离.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与下缩量.
仪器的安装：利用仪器附设的钢带安装在被测立柱上.活杆与支架活柱相连接；压力传感器与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
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

表4—5 YSZ—1型液压支架压力下缩自记仪技术特征表
主要技术指标
误差
压力量程
0~60MPa
＜5％
下缩量程
0~80mm
0。5%
连续记录时间
24h
＜0.5h

第二节 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.钢弦在张力作用下，其固有频率为:
(4—2）
式中 -—钢弦固有频率；
——钢弦的长度；
——作用在钢弦上的张力；
-—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型钢弦压力盒为例介绍其工作原理（图4-17）

当压力通过导向球面盖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，使弦的固有频率升高。越大愈高。此时测出钢弦的振动频率，便可以从钢弦压力盒率定曲线（——曲线)或率定表中查得作用在压力盒上的载荷.液压钢弦压力盒与此原理相同，只不过是将液体通过接头引入加压腔对工作膜加载，例如：在自移式液压支架上使用的压力盒,通过快速接头与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与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——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。
4—3
式中 --压力盒零频,Hz
、与压力盒自身特性有关的常数,其中
(4-4）
（4-4)
、--压力盒率定曲线或率定表中的实测频率，Hz；
、—-与、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350～400 kN，故取kN，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
钢弦频率接收仪也称为频率计，与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 率接收仪与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镍镉蓄电池充电插座。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700次以上，于是每秒内钢弦振动被加强1400次以上，故钢弦迅速起振,同时输出同频率的电信号给四位数字频率计检测显示 频率计按以下程序工作：先清零1.0s，再计算1.0s，所记数字即钢弦振动的频率，显示2s后开始下轮工作.
图 4-17 GH-50 型钢弦压力盒结构示意图
1-导向球面盖；2—橡胶垫；3-工作膜；4-钢弦柱；5—型密封圈;6—钢弦;7-激发磁头；8—感应磁头；9—后盖；10-电缆接头；11—电缆插头;12—铝座；13-护罩

图4-18 GSJ—1型频率计工作原理框图

表4—6 GSJ-1型钢弦频率接收仪技术特征表
技术特征
参数
适用钢弦类型
Ø0。25长40mm以下各种钢弦（含不锈钢弦）
频率范围
500～3000Hz
频率误差
±1Hz(1000Hz以下，每100m低1～2Hz,1000Hz以上基本无误差）
激发距离
0~300m双铰线或小于100m的任何四芯线
激发时间
﹤2s(含辅助激发1s）
电源
6V400mA有GNY-0。45六节串联供电，充电一次可连续供电4h以上
仪器重量
1kg
体积
190mm×103mm×45mm
防爆类型
安全火花型（即本质安全型)

第四节 矿压遥测仪
矿压遥测仪测试系统实现了对矿压观测的远程控制，其精度、灵敏度均高，做到了数据采集自动化，数据处理程序化,计算结果图表化.

第五节　其它矿压观测仪器简介
一、电阻应变式检测仪
电阻应变 式检测仪是利用电阻应变片及电阻应变式传感器对煤 岩）体及支护设备、构件等进行应力应变分析，以提供有关的矿压显现数据.
电阻应变法测量是将作为敏感元件的电阻应变片粘贴在被测试的物件或专用传感器弹性元件表面，根据所测参数种类、特点和大小确定粘贴应变片 的规格、数量 位置和方向。随着构件或弹性元件受力变形,应变片的敏感栅也产生相应的变形,使其阻值发生变化且电阻的变化与构件表面的应变成定比例.电阻应变片阻值发生变化,则测量电桥输出的信号也随之变化。测量电桥输出的信号输入应变仪的前置放大器放大后,再经过适当变换 如相敏整流或A/D转换等），最后可显示出测量结果，即构件或弹性元件的应变值。图4—21为数字应变仪测量原理框图。

图 4-21 数字应变仪测量原理框图
电阻应变式检测仪测量机构关键元件是电阻应变片，电阻应变片（图4—22）的结构因用途不同也不完全相同.敏感栅是电阻应变片中把应变量变换成电阻变化量的关键部件，是用金属或半导体材料制成的单丝或栅状体。电阻应变片的规格（指同一种结构）有60Ω，120Ω，300Ω，500Ω,及1000Ω，其中120Ω为常用应变片.
典型的四臂测量电桥如图4—23。为所加的电源， 为四个桥臂电阻。若,则称为等臂电桥，此时电桥平衡,两点电位相等，。若电阻变为，其它三个桥臂电阻不变,此时电桥失去平衡.适当调整，可使电桥再一次达到平衡，若测量出的变化量，根据比例关系,即可算出的变化量。如果为电阻应变片，并把它粘在测试构件或弹性元件的表面,则由应变一电阻效应可知，当构件或弹性元件受力变形时 电阻应变片的阻值也会发生相应变化,并通过测量电桥以电信号的形式反映出来.只有一个桥臂为电阻应变片的电桥称为四分之一桥,所有桥臂全为电阻应变片时称为全桥。如果设计不同形式和结构的弹性元件，在弹性元件上粘贴应变片 使其产生的应变电信号与某一物理量相对应，这样就可制成各种　　　各样的应变式传感器，如荷重传感器、压力传感器等。

图4-23 典型的四臂电桥
图4-22 电阻应变片结构
1—敏感器;2—引线；3-粘结剂；4—盖层；5-基底

测量电桥输出的电信号是微弱的,使用普通的仪表不能检测,因此，在电阻应变式检测仪中应装有高质量的数据放大器，电信号经过放大器放大后，再经过模数转换器（A/D)才能在显示屏上显示出来。
二、超声检测仪
目前国内外用超声对岩体、混凝土等非金属体进行各种参数测定的仪器种类很多,并各具特色。但从仪器的检测原理来讲，基本上可分为两类：一是直接测量纵波速度变化的直读式超声检测仪；二是监视波型，分析横纵波并读出其波速的超声检测仪。前者体积小，重量轻,便于携带，使用方便。后者因具有波形显示及人工读数等功能，测量数据比前者更可靠,除测得波速以外,还能进行横、纵波的振幅、频率及相位等分析，但这类仪器使用起来比较复杂,需具有一定的专业知识的操作者才能熟练地掌握。
岩体及混凝土的测试大多利用仪器人为地激发（超）声波，使岩体(或混凝土）中产生弹性应力波的传播,然后在岩体（或混凝土)的某些部位接收，将该弹性波放大显示，并对其各参量进行分析研究。这类仪器首先需要有一种能够将电能量转换为机械振动能量和将机械振动能量再转化为电信号的器件,即换能器。该类设备（即超声波检测仪）利用发射换能器向岩体或混凝土提供机械振动信号，即超声波;再利用接收换能器将接收到的声信号转化成电信号又提供给该设备。这样，检测仪通过发射换能器与岩体或混凝土耦合,信号经岩体或混凝土后又经接收换能器传回到仪器，构成了一个完整的封闭系统（图4—24）。
超声检测仪中换能器是整个设备中至关重要的元件，它的性能直接关系到测试工作的质量。一般来讲，能够完成电一机转换或机一电转换的方式很多，如动圈式换能器、磁致伸缩式换能器和压电式换能器。目前在岩体及混凝土声学测试技术中,一般采用压电式换能器。根据发射换能器和接收换能器的个数,超声检测仪分为：一发单收型，即FS型；一发双收型，即FSS型.国内使用超声测试的检测仪有围岩裂隙探测仪、SYC—2型超声波岩石参数测定仪和MB-1型超声波钻孔检测仪.这些检测仪均采用一发双收（FSS）型转换器。
第五章　　采煤工作面“三量”观测
第一节　　　概述
采煤工作面矿山压力观测就是利用各种观测仪器或工具,对工作面及四周围岩的应力、顶底板变形与破坏、支柱压缩与载荷、煤壁片帮、支架变形与折损等宏观矿压显现量进行测量与记录，通过整理分析,从而掌握采煤工作面矿压显现规律，并以此指导生产。
一、采煤工作面矿压观测的目的和任务
1987年煤炭工业部颁发的《煤炭工业技术政策》第39条“矿山压力测量”中规定:“各矿区对采煤工作面和井巷进行矿压观测，根据岩层性质、顶板压力、顶板下沉量和下沉速度、放顶步距、周期来压等数据，逐步摸清本矿区的矿压规律，制定本矿区的顶板分类标准。作为采区设计、巷道布置、设备选型、支护设计、顶板控制的依据”.这就在原则上阐明了采
煤工作面矿山压力观测的目的和任务。具体说来，采煤工作面矿压观测的主要目的和任务如下：
(1）掌握采煤工作面上覆岩层运动规律,围岩与支架的相互作用关系，并进行顶板来压的预测预报.
(2)对采煤工作面直接顶进行分类、基本顶进行分级和底板进行分类，为工作面架型选择和合理支护参数的确定提供可靠依据.
(3）对采煤工作面所使用的支护设备及采煤机械的可靠性和适应性进行评定，以便生产厂家改进、更新、设计更加可靠的支护设备和采煤机械。
(4）确定采动影响范围及支承压力分布变化规律。例如：煤柱尺寸的确定；巷道断面形状、规格及支护参数的确定；工作面超前支护距离的选择等,都需要该方面的观测结果。
1987年8月煤炭工业部颁发的《煤矿生产技术管理工作的若干规定》第二章“现场管理”第九条四款中规定:“每个采掘工作面要根据本煤层和邻近采区的地质测量资料和矿压观测资料，包括顶板来压规律、下沉量、下沉速度、压力值等,确定采掘工作面的顶板控制方法、支护方式，作为编制采、掘作业规程的依据。凡是没有顶板观测资料而制定的作业规程，不得审批。新投产矿井、新开采煤层应在生产中逐步积累矿压观测资料”。这就充分说明了矿山压力观测的重要性及在煤矿生产中的地位。
二、矿压观测的进程安排
(一）测前准备
（1）制定观测计划.根据观测工作面的地质状况和生产技术条件，分析推断观测过程中可能遇到的问题，制定详细的观测计划，包括观测的目的、内容及观测要求、测区布置、观测仪器与工具、人员配备与分工组织等.
(2）人员培训。矿压观测组一般应由1~2名采煤技术员具体负责组织工作,测工以7～8
名为宜。应对测工进行考核，择优录用.其条件是：具有初中以上文化程度，不少于2
年以上采煤工作实践经验,责任心强，身体素质较好。观测前，应对参加观测的人员进行统一培训，学习有关的矿压理论和矿压观测方法，明确观测的目的、任务及观测要求,熟悉观测仪器结构、工作原理、性能及操作方法。
（3）仪器设备的检修与调试。根据观测要求和现有的设备状况，确定本次观测所使用仪器的型号和数量,并逐一进行检修与调试，确保井下安装使用正常。
（4)印制各种观测记录表和日常观测数据整理表及图纸。
（二）现场观测和日常资料整理
根据观测的内容和目的，采煤工作面矿压观测一般有两种方式，即综合观测和专项观测。
综合观测是从开切眼起，分班连续观测采煤工作面矿压显现参数，直至第三次周期来压以后为止.有时也可分2~3个以上阶段观测，每个阶段的时间应包括次周期来压 .来压不
明显时，也不应少于100个正规循环。
专项观测是为查明影响矿压显现的因素或研究单项矿压课题,如推进度、落煤、放顶对顶底板移近量的影响等，可从某一时刻开始进行矿压观测，当达到预期目的时即可结束。这项工作多根据具体情况，与综合观测穿插进行。

矿压观测的第一手资料来自测工，观测工作的成功与否主要取决于观测资料的准确性。因此，必须要求测工做到以下几点:
(1）明确所观测数据的用途。测量最有代表性的数据,即最能为观测目的服务的数据。
(2)观测的数据要准确,尽量保证数据的精度。所测数据必须是客观事实的反映，是科学的、可信的.观测数据要“宁缺勿滥"。
（3)观测数据必须在井下及时记录，字迹要清晰，严格按规定的表格填写。
(4）连续观测时，要严格执行井下交接班制度，要及时向负责同志汇报发现的问题,如仪器工作不正常,顶底板情况异常等，以便及时处理与解决.
（三）总结工作
现场观测完成一个阶段或完成一个工作面的观测后,要及时进行整理、分析和总结。要在平时资料整理的基础上，对所观测数据进行细致的整理，按数理统计方法进行分析，对各项内容按不同地质和生产技术条件进行对比 找出各矿压参数之间及矿压参数与地质及生产技术因素之间的关系,阐述所观测工作面的矿压显现规律，并以此提出改善顶板控制或改进支架的措施，汇总写成矿压观测报告。
采煤工作面矿压观测有：顶底板移近量观测；活柱下缩量观测；支柱载荷量观测；顶板状况统计观测；上覆岩层移动状况观测;围岩支承压力分布观测等。前三个观测项目一般称为“三量"观测，是采煤工作面矿压观测的核心,本章将加以重点介绍。其余观测项目将在下一章中阐述。
第二节　顶底板移近量和活柱下缩量观测
一、观测区及观测线的布置
采煤工作面“三量"观测的测线、测区的布置应统一安排，一般根据观测项目、目的而定.为降低观测费用，便于集中管理,尽量做到以最少的测区、测线，完成预定的观测任务.
对于顶底板状况变化较大，采高变化也较大的采煤工作面，一般可设上、中、下三个测区。中部测区设条观测线，观测项目要全.因中部测区受两端煤柱及开采情况影响较小,其矿压显现量具有代表性，故为重点测区。上、下两测区可分别设置1~2条观测线。上、下测区距区段平巷护巷煤柱的距离应大于15m，观测项目可酌情而定。如采煤工作面顶底板状况和采高没有显著变化，也可只设中部测区，适当增加观测线数目即可。采煤工作面“三量”观测测区、测线及测点布置可参照图5—1.
图5-1 采煤工作面“三量”观测测区测线布置图
-综采工作面；—单体支柱工作面;—平衡千斤顶自记仪；Φ-活柱下缩支柱载荷；8-压力自记仪及标点;—顶底板移近量基点；—架号

二、基点的设置与仪器的安装
观测顶底板移近量和移近速度使用的仪器有DDJ—2.5型测杆、KY-82顶板动态仪、C—2 型自记仪.测量顶底板移近量和移近速度时，必须在顶底板中安设牢固的基点,这是观测成败的关键.基点的安设方法是：先用电钻在顶底板打眼，眼深200~300mm （注意:顶底板上每一对基点的连线应与顶底板垂直）,在孔眼内楔入事先准备 好的长150~200mm的木桩,外露端钉入一个铁钉，钉尾即作为观测基点（图5—2）。基点最好在煤壁处开始设置,特别是综采,基点必须设在煤壁处，且位于两架之间的缝隙。如果顶板破碎时，应先将浮矸挑
掉，再打眼设点，并适当加大眼深和木桩长度。若采高较大时，可用铁锤将400～600mm长的六 棱钎打入顶板作基点（图5-2）。当顶板坚硬稳定时，顶板基点也可用油漆或水玻璃等标明，但底板基点仍按上述方法安设.
观测