拉压力传感器适用于井下与矿井力学监测

发布时间：2025年06月11日 17时05分32秒

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　　井下与矿井力学环境复杂多变，常伴随高压、高湿、高粉尘甚至瓦斯爆炸等极端风险，因此对力学参数的监测提出了极高的技术要求。保障矿井结构的稳定性，减少因地质变动带来的安全隐患，是矿山工程、地质灾害预警与人员安全管理的核心目标。拉压力传感器作为一种能同时检测受力方向为拉力或压力的多功能传感器，在井下监测中扮演着不可替代的角色。其具备高灵敏度、响应速度快、适应性强等优势，可实现对支护结构、顶板移位、围岩稳定性等关键参数的连续监测。相比传统监测手段，拉压力传感器具备数据自动采集、远程传输、智能分析等功能，显著提升了井下监测的效率与安全性。随着物联网与工业互联网技术的不断融合，拉压力传感器也在逐步向智能化、集成化发展，正逐渐成为构建智慧矿山不可或缺的组成部分。

　　一、拉压力传感器的工作原理与技术特性

　　拉压力传感器是一种能够感知物体所受拉力和压力并将其转化为可测电信号的传感器装置，其核心由应变计、电桥电路、放大器和信号输出模块等构成。当传感器所处结构受外部拉力或压力作用时，内部的应变元件随之发生形变，导致电阻变化，通过惠斯登电桥电路转换为电压信号，最后经放大与处理后输出稳定的数字信号或模拟信号。

　　技术上，现代拉压力传感器多采用金属箔式应变片粘贴于高强度金属弹性体表面，具有良好的线性度与重复性。为了适应井下高温潮湿环境，还普遍采用全密封焊接工艺、涂覆防腐蚀涂层，并具备IP67及以上等级的防护性能。此外，部分高端产品还支持CAN总线、RS485等通讯协议，便于与井下监测系统集成。

　　二、井下与矿井力学环境中的关键监测需求

　　井下力学监测系统的核心任务是全面掌握矿体受力状态和围岩结构变化趋势，以实现对井下动态环境的实时预警。常见监测对象包括：

　　锚杆、锚索的拉伸与松弛状态：用于判断支护结构是否失效;

　　巷道顶板下沉量与围岩收敛量：反映围岩稳定性变化趋势;

　　矿柱与支柱的受力变化：用于评估承载力与安全裕度;

　　采动影响区域的地应力分布变化：预警突发性地压活动如岩爆、冒顶等风险。

　　由于井下条件复杂，常规的人工检测或机械测量手段效率低、可靠性差，急需部署高可靠性、高适应性的自动化传感系统。拉压力传感器因其形态多样、适应性强、稳定性高，成为当前主流选择之一。

　　三、拉压力传感器在井下监测中的典型应用场景

　　1. 锚杆/锚索受力监测

　　在煤矿、金属矿等井下开采活动中，锚杆锚索是主要的围岩加固手段。安装拉压力传感器于锚杆尾端，可长期监测其受力变化，及时发现应力集中区与支护结构潜在失效风险。

　　2. 顶板沉降及围岩收敛监测

　　通过布设拉压力传感器于顶板和巷道两侧岩体之间的支撑结构中，能够实时采集围岩变形带来的力学响应，有效量化顶板下沉及巷道变形程度，为工程设计与支护优化提供科学依据。

　　3. 钢支柱与液压支柱载荷监测

　　在高冒煤层开采中，钢支柱和液压支架承担主要承载任务。嵌入式拉压力传感器可直接测量支柱所受载荷，掌握其安全工作范围，辅助操作人员合理布置或调整支护节奏。

　　4. 矿井动力灾害预警系统

　　结合多个布点的拉压力传感器构建应力分布图谱，通过AI分析模型识别出突变趋势，从而提前预警岩爆、冲击地压等高危地质灾害，显著提升矿井灾害防控能力。

　　四、典型应用案例分析

　　案例一：山西某煤矿巷道锚杆监测系统

　　该矿井多次出现顶板掉块和锚杆断裂事故，技术团队在多个关键巷道段布设拉压力传感器，并通过GPRS模块接入监控中心，实现全天候远程实时监测，数据显示，部分锚杆受力过大超出设计范围，通过优化支护参数和加密布点，有效降低了支护失效率，年均事故率下降70%。

　　案例二：云南某金属矿采空区支柱受力监控

　　为评估采空区二次开采可行性，工程方采用无线型拉压力传感器监测支柱载荷。通过对数据的趋势分析，识别出支柱稳定性薄弱区域，采取加固措施后，保障了后续采掘安全进行。

　　五、拉压力传感器在井下应用中的技术优势

　　高可靠性设计：耐高温、防潮、防爆设计适应井下极端环境，具备长期稳定工作能力;

　　多制式输出接口：可兼容420mA、05V、RS485、Modbus等主流协议，易于接入工业网络;

　　结构小型化、安装灵活：传感器本体尺寸小，适合安装于狭窄空间，便于布设与替换;

　　智能数据处理能力：支持边缘计算模块，实现初步数据滤波、趋势判断、异常标记;

　　远程无线通讯支持：搭配低功耗蓝牙、LoRa、NB-IoT模块，实现远程低功耗持续监测。

　　六、部署建议与注意事项

　　在井下部署拉压力传感器系统时，应综合考虑环境条件、测量需求与通信方式，遵循以下要点：

　　选型匹配：不同部位(如锚杆、支柱)需选择不同量程、安装方式和防护等级的产品;

　　合理布点：依据岩体力学分析布设关键节点，布点密度与测区重要性成正比;

　　通信稳定性：在有瓦斯或无线屏蔽区域，优先选用有线接入或具备中继转发能力的方案;

　　供电保障：井下长周期运行建议采用本安电源或太阳能与储能装置配合;

　　系统集成：配合数据采集仪、网关与上位机平台，实现数据统一管理与智能分析。

　　七、未来发展趋势与展望

　　随着“智慧矿山”“绿色开采”理念逐步深化，井下传感器系统正迎来高速发展。拉压力传感器作为矿山监测核心组件之一，其未来发展趋势主要包括以下几个方面：

　　微型化与一体化：结构更紧凑，功能集成化，便于快速布设与维护;

　　自供能与能量回收：通过震动能、热能转化等技术实现自供电，延长使用寿命;

　　AI算法融合：结合深度学习模型实现预测性维护、灾害预警决策自动化;

　　多参数耦合测量：集成位移、温度、湿度等多种参数，提升监测维度;

　　平台化管理：传感器将接入统一数据平台，实现数据可视化、远程调度与智能联动。

　　总体而言，拉压力传感器作为一种关键的力学监测工具，正逐步在井下与矿井工程中发挥出越来越核心的作用。其精准的应力感知能力、良好的环境适应性以及强大的通信与数据分析能力，不仅提升了矿山作业的安全性与效率，也为智慧矿山的建设提供了坚实支撑。未来，随着技术的持续演进与工程需求的不断提升，拉压力传感器将在更多复杂地质环境中实现突破性应用，为我国矿业安全与数字化升级保驾护航。

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