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邓铁六:研发现代化矿山压力监测仪表

发布时间:2018-11-26  点击:

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20世纪70年代,我国煤矿支护条件落后,井下环境很差,水、火、瓦斯、机电、顶板事故五大灾害经常发生。尤其是顶板事故十分严重,顶板事故死亡人数占了全部事故死亡人数的50%以上,防治顶板灾害迫在眉睫。

那时宋振骐老师对这个事情非常上心,他找到当时煤炭部主管科技的副部长叶青,跟他说想解决这个问题。记不清是七几年了,我在学校的济南分院招待所,偶遇宋振骐老师,他谈及想搞矿压遥测仪。我当即表态:我有把握研制遥测仪。

1978年,受宋振骐老师邀请,在科研科长杜亚伯的极力推荐下,院领导果断决定将从基础部物理教研室调到采矿系矿压研究室。当时一心想的就是怎么帮助宋老师研究开发矿压仪表,解决矿压观测手段,以便实现宋老师的想法。进行矿压观测,摸清顶板活动规律,完善传递岩梁矿压理论,在该理论指导下,用矿压仪表监测进行顶板来压预报,提前加强支护度过来压,实现煤炭安全开采,大幅度降低顶板事故。在这个具有重要意义任务的感召下,加上宋老师敢担重任和学术指导思想正确,矿压研究室除了采煤地质人才外,很快聚集了一批机电人才。大家差不多10年没放暑假,全力以赴进行矿压仪表的研发、井下工业性试验、组织生产和推广应用。宋振骐老师、郑马克老师负责机械式顶板动态仪,宋老师的哥哥汤学亮和弟弟汤学华完善设计进行生产。宋老师要求分辨力为0.01mm~0.02mm,这种高灵敏度的KY型顶底板相对位移计,在采煤工作面观测顶板动态实现顶板来压预报中起到了关键性作用。林紫阳老师负责DCC型顶板动态遥测仪,在难采工作面顶板来压预报中发挥了重要作用;我负责GH型振弦式支柱载荷传感器和配套的各种DK型测量仪,用以检测支柱性能,检测顶板来压时的支护强度。由于研发、生产、推广应用迅速取得全面成功,矿压研究室于1985年经煤炭部批准升级为山东矿院矿山压力研究所,煤炭部出资兴建了著名的矿压所蓝色大楼。宋老师任所长,我任副所长主持矿压仪表的研发。

选用哪种原理的传感器测量支柱载荷,这是决定成败的关键问题,我必须通过调研慎重决定。电阻应变式对线路绝缘要求太高,在井下潮湿环境使用寿命不长;苏联机械式易过载损坏,且误差大读数麻烦;油压式与前者存在同样问题。当看到宋老师、郑老师从北京拿来的钢弦式传感器,用一根钢丝来检测输出频率信号,我确认这正是我所要的。为了能实现自动遥测,我没有选用岩土工程大量使用的单线圈他激式钢弦传感器,而是选定那时刚起步技术很不成熟的双线圈自激式钢弦传感器作为主攻方向。横式弦双线圈钢弦传感器设计制造容易,密封防水,坚固耐用,过载能力可达200%以上,50t的压力盒足够金属摩擦支柱放在顶上使用。它工作电流很小,为本质安全防爆型,可在煤矿使用;它输出频率信号抗干扰可接长电缆,易自动精确检测和数字化。可以说性能非常理想,但难度在钢弦激发电路的研制及选用什么样的检测数显电路。

很快攻克了振弦传感器结构设计、双线圈自激式钢弦激发电路、振弦传感器通用精确数学模型这三个难题,为掌握双线圈钢弦传感技术打下坚实基础,为“六五”“七五”两个国家攻关项目扫除了障碍。

煤炭部“六五”矿压攻关项目“煤矿顶板动态的监测”,由宋老师和我主持。林紫阳老师课题组完成了DCC-2型光电式顶板动态计算机遥测仪。我的课题组完成了DK-2型振弦式矿压计算机遥测仪。矿压组则完成了顶板来压监测预报的原理和方法。这些成果为承担和高质量完成“七五”国家攻关项目“煤矿顶板预报和计算机监测系统”,准备了充分条件。

在煤矿矿压“七五”国家攻关项目的竞争中,只有山东矿院矿压所有自创的矿压理论和现代化矿压监测仪表,并拥有在矿压理论指导下应用现代化矿压监测仪表实现难采工作面安全开采的专家,如陈孟伯和宋扬等。因此,该项目非山东矿院莫属,煤炭部决定由山东矿院牵头,中科院武汉岩土所和重庆大学自动化学院参加,组成国家级攻关队,并投资35万元。

我在设计煤矿顶板来压计算机监测预报系统时,决定将相关监测预报手段综合在一起,并加大系统的容量(达到32路),可接32只传感器,以备进一步发展使用。同时,研制成功振弦式顶板动态仪代替光电转盘式顶板动态仪,彻底解决干扰出错问题,具有高度可靠性,分辨力达到0.01mm;还引进了振弦钻孔测力计可测煤体的应力变化。合作单位重庆大学的白美卿老师研制了数字化的岩体声发射分机(地音分机)。于是第三代矿压仪实现了振弦化,可监测顶板动态、支柱载荷、煤体应力变化等参数。还外加一个地音分机监测顶板高应力及断裂时的声发射。参与研制工作的有仪表研究室主任赵振远、副主任马俊亭、教师王学水及研究生崔玉亮等。系统的顶板来压隶属函数预测预报方法,由矿压研究室主任蒋金泉提出,并完成;整个系统的监测数据整理及分析预报软件由微机室主任黄自伟组织人员完成。研制历时四年,第五年,我与宋扬副所长主持现场工业性试验近十个月,系统高度可靠,预报准确,试验取得圆满成功。据我们了解,当时国外并没有这样先进的矿压监测预报系统,实际上属国际首创,煤炭部组织国家级鉴定评为“国际先进水平”。

这一系列矿压监测仪表,工业性试验都结合开采难度非常大的项目进行,我们搞仪表的老师都和搞矿压老师一起待在现场,下井进行安设维护。仪表监测对矿压老师在现场指挥实现安全开采发挥了重要作用,我们也很佩服和感谢勇敢能干的矿压老师对我们的关照和帮助,仪表试验成功也有他们的一份功劳!(讲述:邓铁六  整理:卫雪)

(注:邓铁六,“邓氏振弦传感技术”发明人,国家科技进步二等奖获得者,现已退休。)

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