矿山压力监测与预报矿山压力监测与预报 资源与环境工程学院主讲：宁建国主讲：宁建国 第二章第二章 矿压监测的常用仪器矿压监测的常用仪器 p2.1 2.1 矿山压力监测仪器的分类矿山压力监测仪器的分类矿山压力监测仪器的分类矿山压力监测仪器的分类 p2.2 2.2 矿山压力监测仪器的用途与性能指标矿山压力监测仪器的用途与性能指标矿山压力监测仪器的用途与性能指标矿山压力监测仪器的用途与性能指标 p2.3 2.3 位移监测仪器的用途与性能指标位移监测仪器的用途与性能指标位移监测仪器的用途与性能指标位移监测仪器的用途与性能指标 2.1 矿山压力监测仪器的分类矿山压力监测仪器的分类矿山压力监测仪器按其工作原理，大致可分为以下几大类：矿山压力监测仪器按其工作原理，大致可分为以下几大类： （1）机械式）机械式 （2）液压仪）液压仪 （3）电磁式）电磁式 （4）声学式）声学式 机械式测试仪器的原理是基于机械传动学原理。利用金属构机械式测试仪器的原理是基于机械传动学原理。利用金属构机械式测试仪器的原理是基于机械传动学原理。利用金属构机械式测试仪器的原理是基于机械传动学原理。利用金属构件受力后产生弹性变形，并通过传动系统放大，由计数装置将数件受力后产生弹性变形，并通过传动系统放大，由计数装置将数件受力后产生弹性变形，并通过传动系统放大，由计数装置将数件受力后产生弹性变形，并通过传动系统放大，由计数装置将数值显示出来。值显示出来。值显示出来。值显示出来。 这种仪器是以杠杆、弹簧、这种仪器是以杠杆、弹簧、这种仪器是以杠杆、弹簧、这种仪器是以杠杆、弹簧、齿轮、量具（游标卡尺、齿轮、量具（游标卡尺、齿轮、量具（游标卡尺、齿轮、量具（游标卡尺、百分尺、千分表）等为基百分尺、千分表）等为基百分尺、千分表）等为基百分尺、千分表）等为基本元件制造的。本元件制造的。本元件制造的。本元件制造的。 液压仪是利用液体不可压缩和各向均匀传递压力的原理制造的。液压仪是利用液体不可压缩和各向均匀传递压力的原理制造的。液压仪是利用液体不可压缩和各向均匀传递压力的原理制造的。液压仪是利用液体不可压缩和各向均匀传递压力的原理制造的。 电磁式测试仪器是根据电磁学的原理设计的。这些仪器将被测参电磁式测试仪器是根据电磁学的原理设计的。这些仪器将被测参电磁式测试仪器是根据电磁学的原理设计的。这些仪器将被测参电磁式测试仪器是根据电磁学的原理设计的。这些仪器将被测参数如应力、应变、位移、流量等转换成电量，以便用电测的方法数如应力、应变、位移、流量等转换成电量，以便用电测的方法数如应力、应变、位移、流量等转换成电量，以便用电测的方法数如应力、应变、位移、流量等转换成电量，以便用电测的方法来测量电量。来测量电量。来测量电量。来测量电量。 声学式仪器测试技术的实质是在被测物体中（岩体、混凝土等）声学式仪器测试技术的实质是在被测物体中（岩体、混凝土等）声学式仪器测试技术的实质是在被测物体中（岩体、混凝土等）声学式仪器测试技术的实质是在被测物体中（岩体、混凝土等），利用声波或超声波的传播速度、相位、振幅、频率等的变化规律，利用声波或超声波的传播速度、相位、振幅、频率等的变化规律，利用声波或超声波的传播速度、相位、振幅、频率等的变化规律，利用声波或超声波的传播速度、相位、振幅、频率等的变化规律取得数据或图像，再通过计算或按事先标定的曲线求得所需的物理取得数据或图像，再通过计算或按事先标定的曲线求得所需的物理取得数据或图像，再通过计算或按事先标定的曲线求得所需的物理取得数据或图像，再通过计算或按事先标定的曲线求得所需的物理参数，通称声波探测法。它属于非破损监测技术的一种参数，通称声波探测法。它属于非破损监测技术的一种参数，通称声波探测法。它属于非破损监测技术的一种参数，通称声波探测法。它属于非破损监测技术的一种 2.2.1 金属支柱载荷监测仪器金属支柱载荷监测仪器 主要有机械式（AD5-45型）测力计、液压式（HC型）测力计等。现场应用较广泛的是钢弦（GH型）测力计。下面对钢弦式测力计作适当介绍。 钢弦测力计用途钢弦测力计用途 钢弦测力计主要是GH系列双线圈自激型钢弦压力盒与GSJ-1型频率计（或DK-1、2型遥测仪）配套使用的安全火花型传感器。2.2 矿山压力监测仪器的用途与性能指标矿山压力监测仪器的用途与性能指标名 称型 号规 格主要用途配套接收仪表名称压力盒GH-500490103单体支柱GSJ-1型频率计DK-1、DK-2遥测仪压力盒GH-250245103巷道支架GSJ-1型频率计DK-1、DK-2遥测仪压力盒GH-10098103巷道支架、井壁GSJ-1型频率计DK-1、DK-2遥测仪压力盒DGH-60005880外注式单体液压支柱GSJ-1型频率计DK-1、DK-2遥测仪压力盒ZGH-60005880综采液压支架GSJ-1型频率计DK-1、DK-2遥测仪GH系列钢弦压力盒系列钢弦压力盒 原理及结构原理及结构当支柱压力当支柱压力P通过导向球面覆盖通过导向球面覆盖1作用于工作膜作用于工作膜3时，工作膜受力时，工作膜受力挠曲，两钢弦柱挠曲，两钢弦柱4张紧钢弦张紧钢弦5，使弦的振动频率，使弦的振动频率f升高，升高，P越大则越大则f越越高。由频率计显示振弦的频率高。由频率计显示振弦的频率f，再从，再从P-f标定曲线中查得标定曲线中查得P值。值。 1-球面盖；球面盖；2-橡胶垫；橡胶垫；3-工作膜；工作膜；4-钢弦柱；钢弦柱；5-钢弦；钢弦；6-激发磁头；激发磁头；7-感应磁头；感应磁头；8-后盖；后盖；9-电缆插头；电缆插头；10-护罩；护罩；11-磁头板磁头板 GSJ-1型频率计型频率计 GSJ-1GSJ-1型数字频率计是钢弦式压力盒的数字转换器，借此可型数字频率计是钢弦式压力盒的数字转换器，借此可型数字频率计是钢弦式压力盒的数字转换器，借此可型数字频率计是钢弦式压力盒的数字转换器，借此可以算出压力盒的压力。以算出压力盒的压力。以算出压力盒的压力。以算出压力盒的压力。 随着压力监测要求的提高，可用随着压力监测要求的提高，可用随着压力监测要求的提高，可用随着压力监测要求的提高，可用DK-1DK-1、DK-2DK-2型矿压遥测仪型矿压遥测仪型矿压遥测仪型矿压遥测仪进行多点有效巡测，并通过矿井电话电缆送至地面接收机，由地进行多点有效巡测，并通过矿井电话电缆送至地面接收机，由地进行多点有效巡测，并通过矿井电话电缆送至地面接收机，由地进行多点有效巡测，并通过矿井电话电缆送至地面接收机，由地面微机处理测得的支柱压力数据。面微机处理测得的支柱压力数据。面微机处理测得的支柱压力数据。面微机处理测得的支柱压力数据。 现在已经研制成功并应用红外传输等便携式仪表。现在已经研制成功并应用红外传输等便携式仪表。现在已经研制成功并应用红外传输等便携式仪表。现在已经研制成功并应用红外传输等便携式仪表。2.2.2 液压支架（柱）载荷监测仪器液压支架（柱）载荷监测仪器 （1）SY-40B微表式单体液压支柱工作阻力检测仪微表式单体液压支柱工作阻力检测仪 用途用途 该仪器用于检测单体液压支柱初撑力及工作阻力，是单体液压该仪器用于检测单体液压支柱初撑力及工作阻力，是单体液压支护工作面支护质量监测的主要仪器。具有体积小、便于操作（压支护工作面支护质量监测的主要仪器。具有体积小、便于操作（压杆式）、精度高等特点。杆式）、精度高等特点。 原理与结构原理与结构 该测力仪由阀体、锁紧装置、压力表及增压装置（该测力仪由阀体、锁紧装置、压力表及增压装置（SY-40B型）型）等组成。压力表显示读数。测压时，压下压杆打开三用阀的单向等组成。压力表显示读数。测压时，压下压杆打开三用阀的单向阀，高压液体流入测压仪，压力表即显示压力值，测压后，将压阀，高压液体流入测压仪，压力表即显示压力值，测压后，将压杆复位，支柱单向阀重新关闭，取下测力计，完成测试过程。杆复位，支柱单向阀重新关闭，取下测力计，完成测试过程。 （2）圆图自记仪及其数据处理系统）圆图自记仪及其数据处理系统 用途用途 圆图自记仪主要用于测量和记录液压支架及各种设备的液体压圆图自记仪主要用于测量和记录液压支架及各种设备的液体压圆图自记仪主要用于测量和记录液压支架及各种设备的液体压圆图自记仪主要用于测量和记录液压支架及各种设备的液体压力。圆图自记仪数据计算机处理系统主要将记录仪记录的数据信力。圆图自记仪数据计算机处理系统主要将记录仪记录的数据信力。圆图自记仪数据计算机处理系统主要将记录仪记录的数据信力。圆图自记仪数据计算机处理系统主要将记录仪记录的数据信息通过计算机，绘出直观的受力分析图。这是综采液压支架支护息通过计算机，绘出直观的受力分析图。这是综采液压支架支护息通过计算机，绘出直观的受力分析图。这是综采液压支架支护息通过计算机，绘出直观的受力分析图。这是综采液压支架支护质量监测的主要仪器。质量监测的主要仪器。质量监测的主要仪器。质量监测的主要仪器。 原理与结构原理与结构 当记录笔在记录所指示压力值的同时记录纸在圆图方向指示时当记录笔在记录所指示压力值的同时记录纸在圆图方向指示时当记录笔在记录所指示压力值的同时记录纸在圆图方向指示时当记录笔在记录所指示压力值的同时记录纸在圆图方向指示时间值。同时，任一时刻的压力值亦可在标尺上直接读出。圆图压力间值。同时，任一时刻的压力值亦可在标尺上直接读出。圆图压力间值。同时，任一时刻的压力值亦可在标尺上直接读出。圆图压力间值。同时，任一时刻的压力值亦可在标尺上直接读出。圆图压力记录仪工作原理如图所示。记录仪工作原理如图所示。记录仪工作原理如图所示。记录仪工作原理如图所示。 1、2、3-杠杆；4 弹簧管；5记录笔； A、B-拉杆 数据处理数据处理 圆图自记仪数据计算处理系统主要由数字化仪、圆图自记仪数据计算处理系统主要由数字化仪、圆图自记仪数据计算处理系统主要由数字化仪、圆图自记仪数据计算处理系统主要由数字化仪、IBM-PCIBM-PC系列系列系列系列机及兼容机等组成。机及兼容机等组成。机及兼容机等组成。机及兼容机等组成。 利用计算机图形处理设备，先将综采圆图自记仪记录的压力利用计算机图形处理设备，先将综采圆图自记仪记录的压力利用计算机图形处理设备，先将综采圆图自记仪记录的压力利用计算机图形处理设备，先将综采圆图自记仪记录的压力- -时时时时间曲线圆图纸平放在数字化仪上；间曲线圆图纸平放在数字化仪上；间曲线圆图纸平放在数字化仪上；间曲线圆图纸平放在数字化仪上； 通过扫描笔将圆图纸上的压力通过扫描笔将圆图纸上的压力通过扫描笔将圆图纸上的压力通过扫描笔将圆图纸上的压力- -时间曲线上的特征点，扫描进入时间曲线上的特征点，扫描进入时间曲线上的特征点，扫描进入时间曲线上的特征点，扫描进入计算机处理系统；计算机处理系统；计算机处理系统；计算机处理系统； 处理系统对扫描信息进行数学、力学统计分析，最终输出直角处理系统对扫描信息进行数学、力学统计分析，最终输出直角处理系统对扫描信息进行数学、力学统计分析，最终输出直角处理系统对扫描信息进行数学、力学统计分析，最终输出直角坐标系下的支柱受力状态图。坐标系下的支柱受力状态图。坐标系下的支柱受力状态图。坐标系下的支柱受力状态图。 （3）KJ216综采支架压力计算机监测系统综采支架压力计算机监测系统 用途用途 它是一种适用于煤矿高产高效工作面综采支架压力参数进行它是一种适用于煤矿高产高效工作面综采支架压力参数进行它是一种适用于煤矿高产高效工作面综采支架压力参数进行它是一种适用于煤矿高产高效工作面综采支架压力参数进行远距离监测的分布式在线监测系统。远距离监测的分布式在线监测系统。远距离监测的分布式在线监测系统。远距离监测的分布式在线监测系统。 系统结构系统结构 井下部分包括：井下部分包括：井下部分包括：井下部分包括：工作面压力分机、通讯分机、本安电源、通讯工作面压力分机、通讯分机、本安电源、通讯工作面压力分机、通讯分机、本安电源、通讯工作面压力分机、通讯分机、本安电源、通讯电缆等，工作面内可连接电缆等，工作面内可连接电缆等，工作面内可连接电缆等，工作面内可连接146146个压力分机，分机之间有专用电个压力分机，分机之间有专用电个压力分机，分机之间有专用电个压力分机，分机之间有专用电缆串联至通讯分机，通讯分机的输出数据信号通过电话通讯线路缆串联至通讯分机，通讯分机的输出数据信号通过电话通讯线路缆串联至通讯分机，通讯分机的输出数据信号通过电话通讯线路缆串联至通讯分机，通讯分机的输出数据信号通过电话通讯线路发送至井上。发送至井上。发送至井上。发送至井上。 井上部分包括井上部分包括井上部分包括井上部分包括：接收机、计算机、打印机等。接收机内置数据接收机、计算机、打印机等。接收机内置数据接收机、计算机、打印机等。接收机内置数据接收机、计算机、打印机等。接收机内置数据收发单元完成数据存储和与收发单元完成数据存储和与收发单元完成数据存储和与收发单元完成数据存储和与PCPC计算机的数据通讯，接收机输出计算机的数据通讯，接收机输出计算机的数据通讯，接收机输出计算机的数据通讯，接收机输出信号与信号与信号与信号与PCPC计算机的计算机的计算机的计算机的RS-232RS-232接口连接。接口连接。接口连接。接口连接。KJ216综采支架压力计算机监测系统综采支架压力计算机监测系统 2.2.3 底板比压监测仪器底板比压监测仪器底板比压测试是利用底板比压仪，对煤层的底板进行压强破底板比压测试是利用底板比压仪，对煤层的底板进行压强破坏性测试，通过数据搜集、分析，计算出底板压强的工作过坏性测试，通过数据搜集、分析，计算出底板压强的工作过程。底板在承受支架载荷时会产生弹性变形，支架工作阻力程。底板在承受支架载荷时会产生弹性变形，支架工作阻力增大时，底板弹性变形也随之增大，达到极限后就会发生脆增大时，底板弹性变形也随之增大，达到极限后就会发生脆性变形，即底板脆断。性变形，即底板脆断。 锚杆（锚索）测力计2.2.4 锚杆（锚索）工作阻力监测仪器锚杆（锚索）工作阻力监测仪器钻孔应力计2.2.5 煤壁应力监测仪器煤壁应力监测仪器2.3.1 围岩相对移近量监测仪器围岩相对移近量监测仪器 围岩相对移近量监测仪器有： 测杆 DDS-2.5 测枪 BHS-10 顶板下沉速度报警仪 DSB-1 顶板动态仪等。 下面重点介绍在煤矿现场广泛应用的顶板动态仪，并以KY-82型顶板动态仪为代表进行介绍。 2.3 位移监测仪器的用途与性能指标位移监测仪器的用途与性能指标1 1 1 1顶盖；顶盖；顶盖；顶盖；2 2 2 2万向接头；万向接头；万向接头；万向接头；3 3 3 3压杆压杆压杆压杆 ；4 4 4 4密封盖；密封盖；密封盖；密封盖；5 5 5 5压力弹簧；压力弹簧；压力弹簧；压力弹簧；6 6 6 6万向接头；万向接头；万向接头；万向接头；7 7 7 7齿条；齿条；齿条；齿条；8 8 8 8微读数刻线盘；微读数刻线盘；微读数刻线盘；微读数刻线盘；9 9 9 9指针；指针；指针；指针；10101010刻度套管；刻度套管；刻度套管；刻度套管；11111111有机玻璃罩管；有机玻璃罩管；有机玻璃罩管；有机玻璃罩管；12121212底链；底链；底链；底链；13131313读数游标；读数游标；读数游标；读数游标；14141414连接螺母；连接螺母；连接螺母；连接螺母；15151515内管；内管；内管；内管；16161616卡夹套；卡夹套；卡夹套；卡夹套；17171717卡夹；卡夹；卡夹；卡夹；18181818外管；外管；外管；外管；19191919带孔铁钎带孔铁钎带孔铁钎带孔铁钎 (1)(1)(1)(1)作用及用途作用及用途作用及用途作用及用途 KY-82 KY-82 KY-82 KY-82型顶板动态仪是一种普及型机械式高灵敏度、型顶板动态仪是一种普及型机械式高灵敏度、型顶板动态仪是一种普及型机械式高灵敏度、型顶板动态仪是一种普及型机械式高灵敏度、大量程位移计，大量程位移计，大量程位移计，大量程位移计，主要用来监测采场顶底板相对移近量、主要用来监测采场顶底板相对移近量、主要用来监测采场顶底板相对移近量、主要用来监测采场顶底板相对移近量、移近速度，移近速度，移近速度，移近速度，是监测巷道和硐室稳定性、研究顶板活动规是监测巷道和硐室稳定性、研究顶板活动规是监测巷道和硐室稳定性、研究顶板活动规是监测巷道和硐室稳定性、研究顶板活动规律、支承压力分布规律以及进行采场来压预测预报的常律、支承压力分布规律以及进行采场来压预测预报的常律、支承压力分布规律以及进行采场来压预测预报的常律、支承压力分布规律以及进行采场来压预测预报的常用仪器。用仪器。用仪器。用仪器。（2 2 2 2）仪器使用）仪器使用）仪器使用）仪器使用 使用时动态仪安装在顶底板之间，使用时动态仪安装在顶底板之间，使用时动态仪安装在顶底板之间，使用时动态仪安装在顶底板之间，依靠压力弹簧依靠压力弹簧依靠压力弹簧依靠压力弹簧5 5 5 5固定。粗读数或大数固定。粗读数或大数固定。粗读数或大数固定。粗读数或大数由游标由游标由游标由游标13131313指示，从刻度套管指示，从刻度套管指示，从刻度套管指示，从刻度套管10101010上读上读上读上读出，每小格出，每小格出，每小格出，每小格2mm2mm2mm2mm，微读数或小数由指，微读数或小数由指，微读数或小数由指，微读数或小数由指针针针针9 9 9 9指示，从刻线盘指示，从刻线盘指示，从刻线盘指示，从刻线盘8 8 8 8上读出，刻度上读出，刻度上读出，刻度上读出，刻度盘上每小格为盘上每小格为盘上每小格为盘上每小格为0.01mm0.01mm0.01mm0.01mm，共，共，共，共200200200200小格，小格，小格，小格，对应对应对应对应2mm2mm2mm2mm。（3 3 3 3）发展现状）发展现状）发展现状）发展现状 由于由于由于由于KY-82KY-82KY-82KY-82型顶板动态仪需要观测人员在现场测读，工作型顶板动态仪需要观测人员在现场测读，工作型顶板动态仪需要观测人员在现场测读，工作型顶板动态仪需要观测人员在现场测读，工作量较大，研究单位又相继开发了量较大，研究单位又相继开发了量较大，研究单位又相继开发了量较大，研究单位又相继开发了RD1501RD1501RD1501RD1501数显式动态仪，数显式动态仪，数显式动态仪，数显式动态仪，DD-1ADD-1ADD-1ADD-1A型电脑动态仪及型电脑动态仪及型电脑动态仪及型电脑动态仪及DCC-2DCC-2DCC-2DCC-2型顶板动态遥测仪。这些仪器读数误差型顶板动态遥测仪。这些仪器读数误差型顶板动态遥测仪。这些仪器读数误差型顶板动态遥测仪。这些仪器读数误差得到有效清除，并可自动储存和分析测读数据。得到有效清除，并可自动储存和分析测读数据。得到有效清除，并可自动储存和分析测读数据。得到有效清除，并可自动储存和分析测读数据。2.3.2 岩体内钻孔位移监测仪器岩体内钻孔位移监测仪器 （1 1）用途）用途 为了深入研究支架与围岩的相互作用，合理选择维护措施，为了深入研究支架与围岩的相互作用，合理选择维护措施，为了深入研究支架与围岩的相互作用，合理选择维护措施，为了深入研究支架与围岩的相互作用，合理选择维护措施，不仅要了解巷道表面位移和变形规律，而且还必须在较大范围内了不仅要了解巷道表面位移和变形规律，而且还必须在较大范围内了不仅要了解巷道表面位移和变形规律，而且还必须在较大范围内了不仅要了解巷道表面位移和变形规律，而且还必须在较大范围内了解围岩内部的活动情况，测定围岩深部各个位置上的径向位移和应解围岩内部的活动情况，测定围岩深部各个位置上的径向位移和应解围岩内部的活动情况，测定围岩深部各个位置上的径向位移和应解围岩内部的活动情况，测定围岩深部各个位置上的径向位移和应变及其随时间的变化过程，即开展岩体内部位移和应变监测。变及其随时间的变化过程，即开展岩体内部位移和应变监测。变及其随时间的变化过程，即开展岩体内部位移和应变监测。变及其随时间的变化过程，即开展岩体内部位移和应变监测。 岩体内部位移亦称钻孔位移，而测量钻孔位移的仪表称为多点岩体内部位移亦称钻孔位移，而测量钻孔位移的仪表称为多点岩体内部位移亦称钻孔位移，而测量钻孔位移的仪表称为多点岩体内部位移亦称钻孔位移，而测量钻孔位移的仪表称为多点位移计，常用于监测巷道深部围岩移动状况、采场上覆岩层和底板位移计，常用于监测巷道深部围岩移动状况、采场上覆岩层和底板位移计，常用于监测巷道深部围岩移动状况、采场上覆岩层和底板位移计，常用于监测巷道深部围岩移动状况、采场上覆岩层和底板活动规律等。活动规律等。活动规律等。活动规律等。 1-钻孔；2-连接件；3-测点锚固器 ；4-测量头；5-保护盖；6-测量计 （2）仪器种类）仪器种类顶板离层仪（3 3） 测试原理测试原理测试原理测试原理 在进行钻孔位移监测时，一般都以钻孔底的最深测点为基准在进行钻孔位移监测时，一般都以钻孔底的最深测点为基准在进行钻孔位移监测时，一般都以钻孔底的最深测点为基准在进行钻孔位移监测时，一般都以钻孔底的最深测点为基准点，而测定其它各测点（包括孔口表面点）与孔底点的相对位点，而测定其它各测点（包括孔口表面点）与孔底点的相对位点，而测定其它各测点（包括孔口表面点）与孔底点的相对位点，而测定其它各测点（包括孔口表面点）与孔底点的相对位移。如果钻孔有相当的深度，使孔底基准点处于采动圈以外，移。如果钻孔有相当的深度，使孔底基准点处于采动圈以外，移。如果钻孔有相当的深度，使孔底基准点处于采动圈以外，移。如果钻孔有相当的深度，使孔底基准点处于采动圈以外，则可认为它是不动点。相对于此不动点所测得位移就是绝对位则可认为它是不动点。相对于此不动点所测得位移就是绝对位则可认为它是不动点。相对于此不动点所测得位移就是绝对位则可认为它是不动点。相对于此不动点所测得位移就是绝对位移。若钻孔深度不够，所测得的位移是相对位移。测量时，通移。若钻孔深度不够，所测得的位移是相对位移。测量时，通移。若钻孔深度不够，所测得的位移是相对位移。测量时，通移。若钻孔深度不够，所测得的位移是相对位移。测量时，通常量测各测点对应于钻孔口附近固定点间的径向相对位移。经常量测各测点对应于钻孔口附近固定点间的径向相对位移。经常量测各测点对应于钻孔口附近固定点间的径向相对位移。经常量测各测点对应于钻孔口附近固定点间的径向相对位移。经过计算，获得各测点的位移。过计算，获得各测点的位移。过计算，获得各测点的位移。过计算，获得各测点的位移。