CN103076120A - 地下洞室开挖面表面应力解除装置 - Google Patents

Abstract

一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，包括：外壳体、应力解除切割机构、多路应变测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中：应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变测量装置由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连。本发明设计合理，外壳体采用手提式箱型结构，体积小、重量轻，安装和拆卸操作简单易行，具有野外携带方便，适应性好等特点。

Description

地下洞室开挖面表面应力解除装置

技术领域

本发明涉及的是一种岩石工程领域岩体表面应力测量的装置，具体是一种地下洞室开挖面表面应力解除装置。

背景技术

在水利水电、矿业开采等涉及地下洞室开挖施工的岩土工程领域，往往需要了解和确定洞室表面围岩的应力状态，以评估开挖围岩本身的稳定性，或者判别和预报顶板压力，以便及时采取必要的工程措施预防事故发生。特别是在深埋地下洞室工程施工时，由于地应力水平较高，施工期间洞室开挖面由于高地应力环境引起的岩爆等事故时有发生，给工程施工带来困难，严重时甚至造成重大的人身安全和生命财产损失。这种情况下，如能采用简单、快速的地下洞室开挖面表面应力测量技术，准确地测定开挖面上表层岩体多个局部壁面的平面应力状态，及时把握洞室施工期间开挖面表层岩面的局部应力状态，从而为研究洞室表层岩体的稳定状况、支护结构设计和计算提供基础性数据资料就显得特别重要。

目前在洞室表面开展平面应力测量的技术还局限于通过在平整岩面向岩体凿环形槽来实施对岩体表面的应力解除来进行，这类方法在实施起来需要大型的施工机械，设备笨重，操作起来占地面积也大，对工程施工也会带来诸多不便，甚至由于现场试验占用工时而影响工程进度。另一类测量岩体表面应力方法是表面应力恢复测量法，它是先在岩面凿槽，并记录凿槽过程中其法向的局部变形值，然后再在槽中埋设压力枕加压，当压力达到恢复凿槽时所记录的局部变形值时，就认为施加在压力枕上的压力就是所测岩壁表层的一个主应力。由于主应力的方向一般事先是无法知道的，这样采用这类方法来测点岩体表层的表面应力的话，至少需要进行三次测量，效率较低。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101240697，公开日2008813，记载了一种用于在垂直深孔中钻切高质量岩芯的微型井下侧壁环形槽切割工具，所提出的微型井下侧壁环形槽切割工具主要由提升机构、密封电缆接头、电子设备仓、冷却泵仓、上封隔器、环形槽切割主工作部、推送机构、内缸套、下封隔器、下设备仓、外缸套、后工作窗、前工作窗，其中：提升机构与外缸套的上端部相连接，密封电缆接头与电子设备仓相连，作为电子设备仓的输出端口，电子设备仓位于提升机构下方，电子设备仓下方设有冷却泵仓，冷却泵仓下方设有上封隔器，上封隔器通过封隔器上支架固定于外缸套内，下封隔器通过封隔器下支架与外缸套下端部固定连接，环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构装配成一体，并置于上封隔器和下封隔器之间，在位于上封隔器、下封隔器之间的外缸套上设有前工作窗和后工作窗，下设备仓位于外缸套的尾部。该装置主要是用于在垂直深孔孔壁上钻切相对完整的岩样，同时也可以完成对孔壁局部壁面的应力解除，但无法获得孔壁上被解除局部壁面的实时变形数据；该装置结构复杂，无法适用于快速测定地下洞室开挖面平面应力的实际需要。另外，在岩石表面应力测量技术中多采用传统的多通道应变仪来测量岩石应变，往往就需要有专门配置应变测量仪器，这对于相对复杂的地下洞室施工现场而言不可避免地会给测试工作带来不利影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，能够快速获得岩体表面的局部变形数据，进而计算确定岩体表面的局部平面应力状态。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：外壳体、应力解除切割机构、多路应变仪测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中：应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变仪由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连。

所述的测量控制单元包括：测量控制电源输入和总线输入接线端子、与计算机相连的控制处理器、驱动机构输出模块、外部信号输入模块，其中：外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与应力解除切割机构中的进给步进电机相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块向应力解除切割机构中的进给步进电机发出进给或回退指令后,使进给步进电机动作，外部信号输入模块接收应力解除切割机构中的检测元件反馈的进给步进电机位置信号，并将该信号送回控制处理器。

测量控制单元是一个基于485总线的集成电路板，电源输入电压为直流24V。测量控制电源输入和总线输入接线端子位于集成电路板的右侧，通过连接导线与外部电缆相连接作为集成电路板的电源和信号接口，控制处理器位于集成电路板的中部，驱动机构输出模块和外部信号输入模块位于集成电路板的中上部。

所述的多路应变仪包括：应变电源输入和总线输入接线端子、应变处理器、失调补偿单元、外部应变接入单元，其中：应变电源输入和总线输入接线端子位于集成电路板的左侧，通过连接导线与外部电缆相连接作为集成电路板的电源和信号接口，应变处理器位于集成电路板的中部，失调补偿单元位于集成电路板的右侧，外部应变接入单元位于集成电路板的中下侧。外部应变接入单元是三个全桥电路，分别与粘贴在岩石壁面上的三分量直角应变花相连接；失调补偿单元是三个可调电位器，分别用于调节外部应变接入单元中三个全桥电路的电路平衡。当应力解除机构开始工作后，三分量直角应变花记录的岩壁表面应变通过外部应变接入单元传送至应变处理器处理和数据存储，并经信号处理后传送至外部计算机实时显示岩壁表面上被解除正应变的变化情况,多路应变仪被设计成微型集成电路模块，直接内嵌至表面应力解除装置的内部，其本身具有数据存储功能，可避免信号传输损失，从而保证数据可靠性。

所述的应力解除切割机构包括：旋转驱动电机、上基座、联轴器、主轴箱、伞形齿轮副、薄壁金刚石取芯钻头、带键齿钻具套、与测量控制单元的驱动机构输出模块相连的进给步进电机、进给机构轴箱、进给推送丝杆、反力支撑机构、钻具座、进给机构支座、下基座和检测元件，其中：旋转驱动电机竖直固定于上基座上且由联轴器与主轴箱的主动轴相连，主轴箱的主动轴通过伞形齿轮副与轴线处于水平位置的带键齿钻具套相连，带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头通过螺纹相连接且支撑于钻具座上，钻具座的楔形底部设置于进给机构支座楔形槽内，进给机构支座与进给机构轴箱固定连接，进给步进电机的轴线与薄壁金刚石取芯钻头轴线相平行，进给步进电机的主轴与进给机构轴箱输入端相连，进给机构轴箱的输出端与进给推送丝杆相连，进给推送丝杆与进给机构轴箱可沿丝杆轴向作相对运动，反力支撑机构位于带键齿钻具套后端部的下方且与进给推送丝杆相连，进给机构轴箱和进给步进电机固定连接于下基座上，检测元件设置在带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头的后端部且与测量控制单元的外部信号输入模块相连。

所述的检测元件用于实时检测应力解除切割机构在钻进作业过程中进给步进电机和薄壁金刚石取芯钻头的工作状态，并将钻进深度、钻压、钻速等参数通过测量控制单元和通信电缆传输到设置于地下洞室开挖面附近底板的计算机，以便对钻进过程进行实时控制。

所述的外壳体由水管与冷却水泵相连。

所述的上基座和下基座之间设置有圆柱形支杆，上基座和下基座分别与外壳体固定连接。

本发明设计合理，外壳体采用手提式箱型结构，体积小、重量轻，安装和拆卸操作简单易行，具有野外携带方便，适应性好等特点。应用于地下洞室开挖面表面应力测量时，能够适应于矿山法施工开挖过程中充分利用掌子面清理渣土的短暂时间内进行开挖面表面应力测定工作，从而大大缩短表面应力测量的周期，可大幅度降低测量成本。同时，利用本发明提出的表面应力解除装置，如以掌子面形心为中心选择某一直径的圆周，在该圆周等间距布设68个测点并获得相应测点的平面应力状态，这样就可以了解和把握掌子面上的应力分布情况和集中程度，从而进一步评价开挖掌子面的稳定性，更好地为服务于生产和工程应用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为应力解除切割机构的结构示意图；

图3为测量控制单元功能示意图；

图4为多路应变仪的功能示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：外壳体2、应力解除切割机构12、多路应变仪217、测量控制单元218和设置于工作壁面上的三分量直角应变花13，其中：应力解除切割机构12设置于外壳体2内且分别与多路应变仪217和测量控制单元218相连，多路应变测量装置217由连接导线与三分量直角应变花13相连记录应力解除切割机构12对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆6与主控箱3相连，测量控制单元218由动力电缆5与计算机4相连。

如图3所示，所述的测量控制单元218包括：测量控制电源输入和总线输入接线端子301、控制处理器CPU302、驱动机构输出模块303、外部信号输入模块304。测量控制电源输入和总线输入接线端子301通过动力电缆5、通信电缆6分别与主控箱3、计算机4相连作为集成电路板的电源和信号接口，电源输入电压为直流24V。

当应力解除切割机构12开始工作，控制处理器CPU302接收到计算机4控制程序发出应力解除切割机构12中进给步进电机209进给或回退指令并传送至驱动机构输出模块303后使进给步进电机209动作，外部信号输入模块304实时接收应力解除切割机构12中的检测元件205反馈的进给步进电机209位置信号，并将该信号送回控制处理器CPU302处理。外部信号输入模块304设置了接收进给步进电机209位置信号的三种状态：进给位置01、进给位置02和进给位置1，分别对应于进给步进电机209位移量初始位置、最终位置和中间位置，进给步进电机209位移量初始位置即薄壁金刚石取芯钻头214钻进深度为0的位置，进给步进电机209位移量最终位置即薄壁金刚石取芯钻头214钻进深度最大的位置，进给步进电机209位移量中间位置即薄壁金刚石取芯钻头214钻进深度处于0进深和最大进深之间的任意位置。

如图4所示，所述的多路应变仪包括：应变电源输入和总线输入接线端子401、应变处理器CPU402、失调补偿单元403、外部应变接入单元404，其中：应变电源输入和总线输入接线端子401通过动力电缆5、通信电缆6分别与主控箱3、计算机4相连作为集成电路板的电源和信号接口，电源输入电压为直流24V；应变处理器CPU402位于集成电路板中部，失调补偿单元403位于集成电路板的右侧，外部应变接入单元位于集成电路板的中下侧。外部应变接入单元404是三个全桥电路，分别与粘贴在岩石壁面上的三分量直角应变花13相连接；失调补偿单元403是三个可调电位器，用于调节外部应变接入单元404中三个全桥电路的电桥平衡。当应力解除切割机构12开始工作后，三分量直角应变花13记录的岩壁表面应变通过外部应变接入单元404传送至应变处理器CPU402处理和数据存储，并经信号处理后传送至外部计算机4实时显示壁面上的应变变化情况。

外壳体2通过设置在外壳体2上的四个螺孔223用膨胀螺钉224固定到岩石壁面1上，其与岩石壁面1接触的侧面中心开有工作窗10，工作窗10正对的工作面11上粘贴一组防水三分量直角应变花13。

所述的外壳体2由水管与冷却水泵8相连，冷却水泵8放置在水槽7内。

所述的多路应变测量仪217、测量控制单元218设置于驱动薄壁金刚石取芯钻头214旋转的旋转电机201的内侧面，多路应变测量仪217、测量控制单元218通过连接在电缆接头221的通信电缆6和动力电缆5与设置于地下洞室开挖面附近底板的主控箱3和计算机4相连接。

所述的应力解除切割机构12包括：旋转驱动电机201、上基座216、联轴器202、主轴箱225、伞形齿轮副203、薄壁金刚石取芯钻头214、带键齿钻具套204、进给步进电机209、进给机构轴箱207、进给推送丝杆211、反力支撑机构206、钻具座212、下基座208、检测元件205，其中：旋转驱动电机201竖直固定在上基座216上且由联轴器202与主轴箱225的主动轴相连，主轴箱225的主动轴通过伞形齿轮副203与轴线处于水平位置的带键齿钻具套204相连，带键齿钻具套204与薄壁金刚石取芯钻头214通过螺纹相连接，并支撑于钻具座212上，钻具座212楔形底部装配在进给机构支座210楔形槽内，进给机构支座210与进给机构轴箱207固定连接，进给步进电机209位于整个应力解除切割机构12的底部，其轴线与薄壁金刚石取芯钻头214轴线相平行，进给步进电机209的主轴与进给机构轴箱207输入端相连，进给机构轴箱207输出端与进给推送丝杆211相连，进给推送丝杆211与进给机构轴箱207可沿丝杆轴向作相对运动，反力支撑机构206位于带键齿钻具套204后端部的下方，与进给推送丝杆211相连，进给机构轴箱207和进给步进电机209固定连接于下基座208，上基座216和下基座208之间设置有圆柱形支杆220相连，上基座216和下基座208与外壳体2固定连接，检测元件205设置在带键齿钻具套204与薄壁金刚石取芯钻头214的后端部。

所述的工作过程状态检测元件205用于实时检测应力解除切割机构12在钻进作业过程中进给步进电机209和薄壁金刚石取芯钻头214的工作状态，并将钻进深度、钻压、钻速等参数通过测量控制单元218和通信电缆5传输到设置于地下洞室开挖面附近底板的计算机4，以便对钻进过程进行实时控制。

本实施例装置的具体工作流程如下：

首先将要粘贴到工作面11上的三分量直角应变花13的三个应变片分别与多路应变测量仪217的外部应变接入单元404相连接，开启主控箱3和计算机4对多路应变仪217进行调零，通过调整失调补偿单元403的三个可调电位器调节外部应变接入单元404中三个全桥电路的电桥平衡，关闭主控箱3和计算机4。然后，在地下洞室开挖面岩石壁面1上选择一个平整的局部壁面作为工作面11，在工作面11上按要求粘贴一组防水三分量直角应变花13，待三分量直角应变花13与工作面11充分胶结固化后，将表面应力解除装置通过设置在其外壳体2上的四个螺孔223用膨胀螺钉224固定到岩石壁面1上，并打开外壳体2上紧靠工作面11一侧面上的工作窗10，这时应力解除切割机构12的薄壁金刚石取芯钻头214正对工作面11的位置；同时，三分量直角应变花13的连接导线则通过设置在薄壁金刚石取芯钻头214内的引线管213与多路应变仪217相连。

开启主控箱3和计算机4；开启冷却水泵8，冷却水循环系统开始工作，水槽7盛放的冷却水通过水管9向设置于薄壁金刚石取芯钻头214筒体内的泵嘴215供冷却水；

启动旋转驱动电机201和进给步进电机209，应力解除切割机构12开始处于工作状态，旋转驱动电机201启动后通过主轴箱202、伞形齿轮副203、带键齿钻具套204带动薄壁金刚石取芯钻头214做旋转运动，而进给步进电机209则通过进给机构轴箱207带动进给推送丝杆211旋转，进给推送丝杆211根据受力状态可按相对方向推送反力支撑机构206和钻具座212运动，当反力支撑机构206在进给推送丝杆211的带动下支撑到外壳体2的前侧面时，为钻具提供足够的支撑反力，这时，进给推送丝杆211只推送钻具座212运动，从而驱动薄壁金刚石取芯钻头214向工作面11方向运动，并通过工作窗10伸向工作面11进行岩壁表面应力解除作业；这时，测量控制单元218的控制处理器CPU302发出进给指令，驱动机构输出模块303使进给步进电机209动作，外部信号输入模块304实时接收应力解除切割机构12中的检测元件205反馈的进给步进电机209位置信号，并将该信号送回控制处理器CPU302处理。同时，三分量直角应变花13实时记录工作面11上的应变变化数据并传输到多路应变测量仪217，三分量直角应变花13记录的岩壁表面应变通过外部应变接入单元404传送至应变处理器CPU402处理和数据存储，并经信号处理后传送至外部计算机4实时显示壁面上的应变变化情况。钻进至预定深度后，当进给步进电机209进给至位移量最大时，自动停止进给，旋转驱动电机201也停止做旋转运动，关闭旋转驱动电机201和进给步进电机209，关闭冷却水泵8；然后启动进给步进电机209做反向转动，使薄壁金刚石取芯钻头214收回至外壳体2内，关闭进给步进电机209；从岩石壁面1上卸掉外壳体2，剪断三分量直角应变花13连接导线，关闭工作窗10，收好表面应力解除装置。整个岩石壁面表面应力测定过程中，除了三分量直角应变花13的粘贴和应力解除装置的固定和卸除由人工在地下洞室内完成外，应力解除切割机构实施应力解除作业过程和工作面应变变化的实时监测工作完全由计算机程序自动控制。

从对地下洞室开挖面表面应力解除的整个工作过程可以看出，本实施例通过在平整岩石壁面上钻取小圆柱形岩样对局部岩面进行应力解除，利用内嵌在表面应力解除装置内的多路应变仪实时记录和监测被解除岩面上的正应变变化过程，同时依靠基于485总线设计的测量控制单元对钻进过程进行控制，从而大幅度提高现场表面应力测量的可靠性和测量效率。对于地下洞室开挖推进的掌子面而言，当采用传统的矿山法施工时，利用本实施例提供的方法和技术可以在掌子面上沿某圆周等间距布设6-8个测点并获得相应测点的平面应力状态，从而了解和把握掌子面上的应力分布情况和集中程度，为进一步评价开挖掌子面的稳定性提供依据。另一方面，本实施例提出的地下洞室开挖面表面应力解除装置，结构紧凑，易于操作，便于携带和现场应用，可以满足在地下洞室或矿山巷道内快速、准确地测定开挖面表面应力状态，更好地服务于生产和工程应用。

Claims (5)

1.一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征在于，包括：外壳体、应力解除切割机构、多路应变测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中：应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变测量装置由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连；

所述的测量控制单元包括：与计算机相连的控制处理器、驱动机构输出模块、外部信号输入模块，其中：外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与接收应力解除切割机构中的进给步进电机相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块向应力解除切割机构中的进给步进电机发出进给或回退指令后使进给步进电机动作，外部信号输入模块接收应力解除切割机构中的检测元件反馈的进给步进电机位置信号并将该信号送回控制处理器,外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与接收应力解除切割机构相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块接收，外部信号输入模块接收机构反馈的信号，并将该信号送回控制处理器。

2.根据权利要求1所述的地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征是，所述的多路应变仪包括：应变处理器、失调补偿单元、外部应变接入单元，其中：外部应变接入单元是三个全桥电路，分别与粘贴在岩石壁面上的三分量直角应变花相连接；失调补偿单元是三个可调电位器，用于调节外部应变接入单元中三个全桥电路的电路平衡，当应力解除机构开始工作后，三分量直角应变花记录的岩壁表面应变通过外部应变接入单元传送至应变处理器处理和数据存储，并经信号处理后传送至外部计算机实时显示应变变化情况。

3.根据权利要求1或2所述的地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征是，所述的应力解除切割机构包括：旋转驱动电机、上基座、联轴器、主轴箱、伞形齿轮副、薄壁金刚石取芯钻头、带键齿钻具套、与测量控制单元的驱动机构输出模块相连的进给步进电机、进给机构轴箱、进给推送丝杆、反力支撑机构、钻具座、进给机构支座、下基座和检测元件，其中：旋转驱动电机竖直固定于上基座上且由联轴器与主轴箱的主动轴相连，主轴箱的主动轴通过伞形齿轮副与轴线处于水平位置的带键齿钻具套相连，带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头通过螺纹相连接且支撑于钻具座上，钻具座的楔形底部设置于进给机构支座楔形槽内，进给机构支座与进给机构轴箱固定连接，进给步进电机的轴线与薄壁金刚石取芯钻头轴线相平行，进给步进电机的主轴与进给机构轴箱输入端相连，进给机构轴箱的输出端与进给推送丝杆相连，进给推送丝杆与进给机构轴箱可沿丝杆轴向作相对运动，反力支撑机构位于带键齿钻具套后端部的下方且与进给推送丝杆相连，进给机构轴箱和进给步进电机固定连接于下基座上，检测元件设置在带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头的后端部且与测量控制单元的外部信号输入模块相连。

4.根据权利要求3所述的地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征是，所述的外壳体由水管与冷却水泵相连。

5.根据权利要求3所述的地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征是，所述的上基座和下基座之间设置有圆柱形支杆，上基座和下基座分别与外壳体固定连接。

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