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鄧鐵六:研發現代化礦山壓力監測儀表

發布時間:2018-11-26  點擊:

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20世紀70年代,我國煤礦支護條件落后,井下環境很差,水、火、瓦斯、機電、頂板事故五大災害經常發生。尤其是頂板事故十分嚴重,頂板事故死亡人數占了全部事故死亡人數的50%以上,防治頂板災害迫在眉睫。

那時宋振騏老師對這個事情非常上心,他找到當時煤炭部主管科技的副部長葉青,跟他說想解決這個問題。記不清是七幾年了,我在學校的濟南分院招待所,偶遇宋振騏老師,他談及想搞礦壓遙測儀。我當即表態:我有把握研制遙測儀。

1978年,受宋振騏老師邀請,在科研科長杜亞伯的極力推薦下,院領導果斷決定將從基礎部物理教研室調到采礦系礦壓研究室。當時一心想的就是怎么幫助宋老師研究開發礦壓儀表,解決礦壓觀測手段,以便實現宋老師的想法。進行礦壓觀測,摸清頂板活動規律,完善傳遞巖梁礦壓理論,在該理論指導下,用礦壓儀表監測進行頂板來壓預報,提前加強支護度過來壓,實現煤炭安全開采,大幅度降低頂板事故。在這個具有重要意義任務的感召下,加上宋老師敢擔重任和學術指導思想正確,礦壓研究室除了采煤地質人才外,很快聚集了一批機電人才。大家差不多10年沒放暑假,全力以赴進行礦壓儀表的研發、井下工業性試驗、組織生產和推廣應用。宋振騏老師、鄭馬克老師負責機械式頂板動態儀,宋老師的哥哥湯學亮和弟弟湯學華完善設計進行生產。宋老師要求分辨力為0.01mm~0.02mm,這種高靈敏度的KY型頂底板相對位移計,在采煤工作面觀測頂板動態實現頂板來壓預報中起到了關鍵性作用。林紫陽老師負責DCC型頂板動態遙測儀,在難采工作面頂板來壓預報中發揮了重要作用;我負責GH型振弦式支柱載荷傳感器和配套的各種DK型測量儀,用以檢測支柱性能,檢測頂板來壓時的支護強度。由于研發、生產、推廣應用迅速取得全面成功,礦壓研究室于1985年經煤炭部批準升級為山東礦院礦山壓力研究所,煤炭部出資興建了著名的礦壓所藍色大樓。宋老師任所長,我任副所長主持礦壓儀表的研發。

選用哪種原理的傳感器測量支柱載荷,這是決定成敗的關鍵問題,我必須通過調研慎重決定。電阻應變式對線路絕緣要求太高,在井下潮濕環境使用壽命不長;蘇聯機械式易過載損壞,且誤差大讀數麻煩;油壓式與前者存在同樣問題。當看到宋老師、鄭老師從北京拿來的鋼弦式傳感器,用一根鋼絲來檢測輸出頻率信號,我確認這正是我所要的。為了能實現自動遙測,我沒有選用巖土工程大量使用的單線圈他激式鋼弦傳感器,而是選定那時剛起步技術很不成熟的雙線圈自激式鋼弦傳感器作為主攻方向。橫式弦雙線圈鋼弦傳感器設計制造容易,密封防水,堅固耐用,過載能力可達200%以上,50t的壓力盒足夠金屬摩擦支柱放在頂上使用。它工作電流很小,為本質安全防爆型,可在煤礦使用;它輸出頻率信號抗干擾可接長電纜,易自動精確檢測和數字化??梢哉f性能非常理想,但難度在鋼弦激發電路的研制及選用什么樣的檢測數顯電路。

很快攻克了振弦傳感器結構設計、雙線圈自激式鋼弦激發電路、振弦傳感器通用精確數學模型這三個難題,為掌握雙線圈鋼弦傳感技術打下堅實基礎,為“六五”“七五”兩個國家攻關項目掃除了障礙。

煤炭部“六五”礦壓攻關項目“煤礦頂板動態的監測”,由宋老師和我主持。林紫陽老師課題組完成了DCC-2型光電式頂板動態計算機遙測儀。我的課題組完成了DK-2型振弦式礦壓計算機遙測儀。礦壓組則完成了頂板來壓監測預報的原理和方法。這些成果為承擔和高質量完成“七五”國家攻關項目“煤礦頂板預報和計算機監測系統”,準備了充分條件。

在煤礦礦壓“七五”國家攻關項目的競爭中,只有山東礦院礦壓所有自創的礦壓理論和現代化礦壓監測儀表,并擁有在礦壓理論指導下應用現代化礦壓監測儀表實現難采工作面安全開采的專家,如陳孟伯和宋揚等。因此,該項目非山東礦院莫屬,煤炭部決定由山東礦院牽頭,中科院武漢巖土所和重慶大學自動化學院參加,組成國家級攻關隊,并投資35萬元。

我在設計煤礦頂板來壓計算機監測預報系統時,決定將相關監測預報手段綜合在一起,并加大系統的容量(達到32路),可接32只傳感器,以備進一步發展使用。同時,研制成功振弦式頂板動態儀代替光電轉盤式頂板動態儀,徹底解決干擾出錯問題,具有高度可靠性,分辨力達到0.01mm;還引進了振弦鉆孔測力計可測煤體的應力變化。合作單位重慶大學的白美卿老師研制了數字化的巖體聲發射分機(地音分機)。于是第三代礦壓儀實現了振弦化,可監測頂板動態、支柱載荷、煤體應力變化等參數。還外加一個地音分機監測頂板高應力及斷裂時的聲發射。參與研制工作的有儀表研究室主任趙振遠、副主任馬俊亭、教師王學水及研究生崔玉亮等。系統的頂板來壓隸屬函數預測預報方法,由礦壓研究室主任蔣金泉提出,并完成;整個系統的監測數據整理及分析預報軟件由微機室主任黃自偉組織人員完成。研制歷時四年,第五年,我與宋揚副所長主持現場工業性試驗近十個月,系統高度可靠,預報準確,試驗取得圓滿成功。據我們了解,當時國外并沒有這樣先進的礦壓監測預報系統,實際上屬國際首創,煤炭部組織國家級鑒定評為“國際先進水平”。

這一系列礦壓監測儀表,工業性試驗都結合開采難度非常大的項目進行,我們搞儀表的老師都和搞礦壓老師一起待在現場,下井進行安設維護。儀表監測對礦壓老師在現場指揮實現安全開采發揮了重要作用,我們也很佩服和感謝勇敢能干的礦壓老師對我們的關照和幫助,儀表試驗成功也有他們的一份功勞?。ㄖv述:鄧鐵六  整理:衛雪)

(注:鄧鐵六,“鄧氏振弦傳感技術”發明人,國家科技進步二等獎獲得者,現已退休。)

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