CN103512693B - 煤岩体应力定向监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种煤岩体应力定向监测方法及装置，装置包括三通阀、压力表、高压油泵、缸体压力感应器，缸体压力感应器上设有三个活塞感应片，三个活塞感应片分别接有各自的活塞缸，与各活塞缸相连的高压油管外端分别经三通阀连接压力表或与数据采集仪相连的数据转换器和高压油泵。在钻孔中布置缸体压力感应器后，通过注入油液使其承压，活塞感应片能够自适应与煤岩体良好耦合，监测煤岩体内部上述三个方向的应力大小及变化。在原岩体以及破碎的煤岩体中均可进行监测，此煤岩体应力定向监测方法及装置可广泛应用于矿山、土木、水利、道路、隧道和地下工程的地应力测试和围岩稳定性分析等方面。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩体应力监测技术领域，尤其是一种适用于矿山的煤岩体应力定向监测方法及装置，也可用于土木、水利、道路、隧道和地下工程的地应力测试和围岩稳定性分析。
背景技术
存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称初始应力或地应力。它主要包括由上覆岩层自重引起的自重应力和由地质构造作用引起的构造应力。自重应力σν=γZ，γ为上覆煤岩层比重，Z为垂直深度。构造应力可分为现代构造应力和地质构造残余应力。地应力大小是煤矿开采、支护设计、冲击地压以及煤与瓦斯突出等灾害预防的基础参数，测试及评估煤岩体应力是矿压观测的主要内容，也是引起采矿工程围岩、水利水电、铁道、公路以及岩土开挖工程变形甚至破坏的根本作用力。对地应力的准确测量是地面和地下岩土工程稳定性分析，实现岩土工程相关设计和科学决策的必要前提。
采动应力是指由采动引起的，作用于煤岩体和支护物上的力。在煤炭等资源井下开采过程中，开采活动破坏了煤岩原始应力平衡状态，引起采动空间周围的应力重新分布，形成“三带”分布；在采场和回采巷道周围，由于围岩应力的作用促使围岩发生变形、移动和破坏，可能出现顶板冒落与来压、顶底板移近、支架受载下缩、折损等矿压现象，也可能出现煤与瓦斯突出、突水、冲击地压等动力现象。因此，采动应力监测是解决受采动影响的巷道矿压控制、开采程序设计、巷道维护、冲击地压和煤与瓦斯突出预测和防治等重大技术问题的决策依据。
煤岩体内部受力状态是整体平衡，互相耦合的，但是不同方向上的应力大小各不相同，存在最大主应力、中主应力以及最小应力的差别。过去的应力测量主要侧重于单向应力或者平均应力，没能对煤岩体内部某一特定方向的应力进行测量，也未实现对煤岩体内部双向或三个方向上的应力进行监测，这对于揭示煤岩体内部应力分布规律是远远不够的。相比而言，双向或三向的应力监测更贴近于工程实际，对煤岩体内部应力进行定向、多向监测对于揭示应力分布规律、确定动力灾害发生危险性以及煤岩动力灾害防治具有重要的实际意义和参考价值。
地应力和采动应力的测试是非常复杂的工程。目前，工程中用于监测煤岩体应力的设备仪器种类繁多，但真正适合煤矿井下生产条件，能够在构造作用区或受采动影响区可以实时监测煤岩体应力及其变化的测试装置及方法却较少。当前工程实践中的煤岩体应力状态测试方法或装置有多种，如1）36-2钻孔变形计，它通过测定钻孔横截面内原岩应力解除前后孔径变化值来计算原岩应力。但是，测试过程工序繁多、操作复杂；在有裂缝的岩层及煤体中无法测试；不能定向测试；不能多向测试。2）深孔大地应力检测装置的伸缩式贴片头，通过在深孔中用伸缩式片头结构传感器采集地应力值。然而，在矿井恶劣的环境下，安装时很容易影响到应变片的应变性能，使测试效果可靠度大大降低.且此装置不能测试地应力的初始值，需要传感器与煤岩体进行良好耦合。在煤体、受采动影响的岩体或节理发育的岩体中，不能应用；不能定向测试；不能多向测试。3）钻孔应力计，利用钢弦振动频率与压力或拉力成正比的原理测量应力，主要用来测量煤矿预留煤柱应力的变化，或用来测量基坑岩体或土基础，在开挖前后应力的变化情况。但是，不能实现传感器初始与煤岩体的完全紧密接触，初始适应能力差，需要当煤岩体变形后与传感器良好接触，才能测试出应力。4）胶囊式应力计，通过将应力计安装在钻孔中，注入油液使胶囊膨胀并与煤岩体耦合接触测量煤岩体内部应力。可直接读数，但应力计体积较大，且不能定向监测。5）油压枕，它可以用来检测巷道围岩、拱形梁、支架的压力。由两块同样形状的薄钢板焊接而成的扁平盒子，它有一个压力平衡室，当油压枕承受外界压力时，用油泵向进油管泵油，当内部金属薄膜处于平衡状态时，压力表的读数即为外力值。油压枕安装较简单，可直接读出压力值。但其设备安装不方便；只能用于浅部应力监测；不能进行轴向应力测试；不能多向测试。因此，设计一种安装简便，适应性强，能够定向、多向监测煤岩体应力的装置是非常必要的。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对目前煤岩体原岩应力测试复杂、要求高、难操作，采动应力监测适应性和及时性差等问题，提供一种能够定向、多向、适应各种受载煤岩体(原始的煤岩体和破碎的煤岩体)、操作简便的煤岩体应力定向监测方法及装置。
技术方案：本发明的煤岩体应力定向监测装置，包括三通阀、压力表、高压油泵、数据转换器、数据采集仪，还包括经安装导杆设在煤岩体中的缸体压力感应器，缸体压力感应器上设有三个活塞感应片，三个活塞感应片分别经固定螺母连接有各独立设在缸体压力感应器内的活塞缸，三个活塞感应片包括可同时监测煤岩体内部钻孔轴向以及垂直于钻孔轴向任意两个方向应力大小及变化的第一活塞感应片、第二活塞感应片和第三活塞感应片；缸体压力感应器与安装导杆的连接处设有安装杆接头，安装杆接头上设有固定安装导杆的定向栓，安装导杆上设有与定向栓相对应的定向标线，以保证缸体压力感应器在安装过程中方向不发生偏转；缸体压力感应器端部设有进入缸体内分别与三个活塞感应片相连的高压油管，高压油管外端分别经三通阀连接压力表或与数据采集仪相连的数据转换器和高压油泵，三个监测方向都配有独立的高压油管及三通阀门。
本发明的煤岩体应力定向监测方法，包括如下步骤：
a.将缸体压力感应器、高压油管和三通阀顺序连接，向其内注入油液检查缸体压力感应器、高压油管和三通阀的密闭性，去除内部水汽及灰尘；
b.确定监测地点及监测所需深度后向煤岩体内部打钻，钻孔实际深度不得低于监测所需深度，油管长度和监测所需深度一致，将缸体压力感应器推送至钻孔内部，直到油管全部埋没在钻孔中，将三通阀安置在钻孔孔口；
c.选择第一活塞感应片的方向为基准方向，推送过程中让定向栓、定向标线与基准方向保持一致，即可保证安装过程中缸体压力感应器不发生偏移，三个活塞感应片被送至测点的目标方向；
d.设定初始压力，将压力表或数据转换器与三通阀连接，依次打开三个监测方向各自对应的三通阀，通过高压油泵经三通阀、高压油管向缸体压力感应器内注入油液；
e.保持压力稳定上升，当压力表的压力值达到初始压力并保持稳定时，停止注液，关闭三通阀，卸下高压油泵，用堵头封住注油孔，根据监测需要，选择第一活塞感应片，第二活塞感应片及第三活塞感应片中的任意一个或者两个，对钻孔内一个、二个或三个方向进行监测，实现应力数据的实时显示和存储，通过软件编程查看分析应力分布及变化规律；
f.监测结束后，打开三通阀放油卸压，从钻孔中抽出缸体压力感应器。
有益效果：本发明主要用于定向监测原岩或破碎煤岩体的应力及其变化规律，采用缸体压力感应器能够与煤岩体自适应良好耦合，实现对矿山或隧道围岩三个方向的应力状态进行定向监测。能够对原岩及破碎煤岩体中钻孔轴向以及垂直于钻孔轴向的任意两个方向的应力进行定向监测。与现行的煤岩体应力测试技术相比：在原岩体以及破碎的煤岩体中均可进行监测，能够反映采动和顶板活动引起的应力变化。此煤岩体应力定向监测方法及装置可广泛应用于矿山、土木、水利、道路、隧道和地下工程的地应力测试和围岩稳定性分析等方面。具有定向、多向测试功能；操作更快捷、简便，大大减少了测试工作量；压力感应器与煤岩体主动耦合性好；这种监测方法的优点是安装及操作安全、便捷，对生产影响小，费用低，具有定向、三向监测功能，能够实现实时监控。
附图说明
图1是本发明的煤岩体应力定向监测装置缸体三向压力感应器结构示意图；
图2(a)为图1的A-A剖面结构示意图；
图2(b)为图1的B-B剖面结构示意图；
图3本发明的煤岩体应力定向监测装置中单向缸体压力感应器示意图；
图4是本发明的煤岩体应力定向监测装置中双向缸体压力感应器示意图；
图5是本发明的煤岩体应力定向监测装置的钻孔测试布置示意图；
图6是本发明的煤岩体应力定向监测方法流程图；
图7是本发明在某矿回采工作面机巷10米深处测得的垂向、侧向和径向应力随工作面推进的变化曲线效果图；
图8是本发明在某矿回采工作面风巷下帮14米、12米以及10米深处测得的垂向应力变化曲线效果图。
图中：三向缸体压力感应器l，高压油管2，三通阀3，安装导杆4，压力表5，第一活塞感应片6-1，第二活塞感应片6-2，第三活塞感应片6-3，定向栓7，定向标线8，高压油泵9，安装杆接头10和固定螺母11，第一输油口12-1，第二输油口12-2，第三输油口12-3，煤岩体M，数据转换器13，数据采集仪14，电源15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
实施例1、如图1所示，本发明的煤岩体应力定向监测装置主要由三向缸体压力感应器1、高压油管2和三通阀3组成，高压油泵9、安装导杆4作为配套工具使用，缸体压力感应器1经安装导杆4设在煤岩体中，缸体压力感应器1上设有三个活塞感应片，三个活塞感应片分别经固定螺母11连接有各独立设在缸体压力感应器1内的活塞缸，三个活塞感应片包括可同时监测煤岩体内部钻孔轴向以及垂直于钻孔轴向任意两个方向应力大小及变化的第一活塞感应片6-1、第二活塞感应片6-2和第三活塞感应片6-3；缸体压力感应器1与安装导杆4的连接处设有安装杆接头10，安装杆接头10上设有固定安装导杆4的定向栓7，如图2（a）所示；安装导杆4上设有与定向栓7相对应的定向标线8，以保证缸体压力感应器1在安装过程中方向不发生偏转；缸体压力感应器1端部分别设有进入缸体内与三个活塞感应片相连的高压油管2，监测煤岩体内部钻孔轴向以及垂直于钻孔轴向任意两个方向的活塞感应片在缸体压力感应器1内各自独立的活塞缸与高压油管2相匹配的油管接口，如图2（b）所示；高压油管2外端分别经三通阀3连接压力表5或与数据采集仪14相连的数据转换器13和高压油泵9，数据采集仪14与电源15相连接，如图5所示。三个不同的监测方向都配有独立的高压油管及三通阀门，相互之间不会产生干扰或影响。缸体压力感应器1的端面上分别设有第一输油口12-1、第二输油口12-2、第三输油口12-3，三根高压油管2分别从第一输油口12-1、第二输油口12-2、第三输油口12-3进入分别与第一活塞感应片6-1、第二活塞感应片6-2和第三活塞感应片6-3的油缸进油口相连。
本发明的煤岩体应力定向监测方法，具体步骤如下：
a.将缸体压力感应器1、高压油管2和三通阀3顺序连接，向其内部注入油液检查缸体压力感应器1、高压油管2和三通阀3的密闭性，去除内部水汽及灰尘，监测煤岩体内部钻孔轴向以及垂直于钻孔轴向任意两个方向的活塞感应片在缸体压力感应器1上均设有各自独立的与高压油管2相匹配的油管接口；
b.确定监测地点及监测所需深度后向煤岩体内部打钻，钻孔实际深度不得低于监测所需深度，油管长度和监测所需深度一致，将缸体压力感应器1推送至钻孔内部，直到油管全部埋没在钻孔中，将三通阀安置在钻孔孔口；
c.选择第一活塞感应片6-1的方向为基准方向，推送过程中让定向栓7、定向标线8与基准方向保持一致，即可保证安装过程中缸体压力感应器1不发生偏移，三个活塞感应片被送至测点的目标方向；
d.分别对应钻孔轴向以及垂直于钻孔轴向的任意两个方向，在钻孔中布置好缸体压力感应器后，设定初始压力，将压力表5或与数据采集仪14相连的数据转换器13与三通阀连接，依次打开三个监测方向各自对应的三通阀3，通过高压油泵9经三通阀3、高压油管2向缸体压力感应器1内的三个活塞感应片活塞缸内注入油液；
e.保持油液压力稳定上升，通过注入油液使其承压，活塞感应片能够自适应与煤岩体良好耦合，监测煤岩体内部上述三个方向的应力大小及变化；当压力表5的压力值达到初始压力并保持稳定时，停止注液，关闭三通阀3，卸下高压油泵9，用堵头封住注油孔，根据监测需要，选择第一活塞感应片6-1，第二活塞感应片6-2及第三活塞感应片6-3中的任意一个或者两个，对钻孔内一个、二个或三个方向进行监测，实现应力数据的实时显示和存储，通过软件编程查看分析应力分布及变化规律；根据监测需要，三向缸体压力感应器也可以选择性地加工为单向或者双向缸体压力感应器使用；
f.监测结束后，打开三通阀3放油卸压，从钻孔中抽出缸体压力感应器1。
图7为本发明在某矿回采工作面机巷10米深处测得的垂向、侧向和径向应力随工作面推进的变化曲线效果图。在某矿11141回采工作面机巷10米深处测得的垂向、侧向和径向应力随工作面推进的变化曲线。从图中可以看出10m位置的三个方向的应力值均随着工作面的不断推进而变化，安装完成后缸体压力感应器与孔壁自适应耦合。在传感器位置距离采面120m以外时，应力保持稳定；当距离在30～120m之间时，受采动影响，应力逐渐增大；当距离10m～30m之间时，三个方向的应力值均急剧升高，并在15m左右达到峰值，随后应力快速下降。图中还可看出三个方向的整体应力值从大到小依次为垂向、侧向、径向，垂向应力峰值为16.7MPa，应力集中系数1.72。
图8为本发明在某矿回采工作面风巷下帮14米、12米以及10米深处测得的垂向应力变化曲线效果图。在某矿11141回采工作面风巷下帮14米、12米以及10米深处测得的垂向应力变化曲线。由图可知，走向上，11141风巷距离工作面50m时，为应力快速增长区；距离为10～20m时，为应力峰值区；倾向上，11141风巷下帮10m左右范围为应力集中区；14m埋深测点的应力峰值为20MPa，应力集中系数为2.2。
实施例2、根据实际监测需要，若只需对一个方向监测，缸体压力感应器1上可只设置一个活塞感应片和与其相连的活塞缸，如图3所示。其它与实施例一相同，略。
实施例3、根据实际监测需要，若只需对二个方向监测，缸体压力感应器1上可只设置两个活塞感应片和分别与其相连的活塞缸，如图4所示。其它与实施例一相同，略。
Claims (2)
1.一种煤岩体应力定向监测装置，包括三通阀(3)、压力表(5)、高压油泵(9)，其特征在于：还包括经安装导杆(4)设在煤岩体中的缸体压力感应器(1)，缸体压力感应器(1)上设有三个活塞感应片，三个活塞感应片分别经固定螺母（11）连接有各独立设在缸体压力感应器(1)内的活塞缸，三个活塞感应片包括可同时监测煤岩体内部钻孔轴向以及垂直于钻孔轴向任意两个方向应力大小及变化的第一活塞感应片(6-1)、第二活塞感应片(6-2)和第三活塞感应片(6-3)；缸体压力感应器(1)与安装导杆(4)的连接处设有安装杆接头（10），安装杆接头（10）上设有固定安装导杆（4）的定向栓（7），安装导杆(4)上设有与定向栓(7)相对应的定向标线(8)，以保证缸体压力感应器(1)在安装过程中方向不发生偏转；缸体压力感应器(1)端部设有进入缸体内分别与三个活塞感应片相连的高压油管(2)，高压油管(2)外端分别经三通阀(3)连接压力表(5)或与数据采集仪（14）相连的数据转换器（13）和高压油泵(9)，三个监测方向都配有独立的高压油管及三通阀门。
2.一种使用如权利要求1所述装置的煤岩体应力定向监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.将缸体压力感应器(1)、高压油管(2)和三通阀(3)顺序连接，向其内注入油液检查缸体压力感应器(1)、高压油管(2)和三通阀(3)的密闭性，去除内部水汽及灰尘；
b.确定监测地点及监测所需深度后向煤岩体内部打钻，钻孔实际深度不得低于监测所需深度，油管长度和监测所需深度一致，将缸体压力感应器(1)推送至钻孔内部，直到油管全部埋没在钻孔中，将三通阀安置在钻孔孔口；
c.选择第一活塞感应片(6-1)的方向为基准方向，推送过程中让定向栓(7)、定向标线(8)与基准方向保持一致，即可保证安装过程中缸体压力感应器(1)不发生偏移，三个活塞感应片被送至测点的目标方向；
d.设定初始压力，将压力表(5)或数据转换器（13）与三通阀连接，依次打开三个监测方向各自对应的三通阀(3)，通过高压油泵(9)经三通阀(3)、高压油管(2)向缸体压力感应器(1)内注入油液；
e.保持压力稳定上升，当压力表(5)的压力值达到初始压力并保持稳定时，停止注液，关闭三通阀(3)，卸下高压油泵(9)，用堵头封住注油孔，根据监测需要，选择第一活塞感应片(6-1)，第二活塞感应片(6-2)及第三活塞感应片(6-3)中的任意一个或者两个，对钻孔内一个、二个或三个方向进行监测，实现应力数据的实时显示和存储，通过软件编程查看分析应力分布及变化规律；
f.监测结束后，打开三通阀(3)放油卸压，从钻孔中抽出缸体压力感应器(1)。
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