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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，这些
2、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
3、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
4、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
5、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，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，%21允许偏心角，（
6、）77外壳直径，mm145188长度，mm195250高度，mm113118重量，kg5.29.51.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
7、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
8、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-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
9、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
10、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4D-型顶板动态仪 D-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
11、，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-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，用于矿压测量的液压式仪
12、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-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
13、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 1HC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，
14、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（）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
15、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11.5级、量程025MPa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
