CN104748897A - 煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法及装置 - Google Patents

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谢建林
许家林
朱卫兵
刘传振
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Abstract

本发明提供一种煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法及装置，包括：应力计，所述应力计置于填充钻孔中，钻孔内填充有能够由具有流动性的流体凝固成固体状的填充材料；所述应力计通过光纤与用于测量应力的光纤静态解调仪连接。本发明提供的煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法及装置，改变以往的被动测压方法，通过与围岩完全耦合的方式主动承压，最后得到的应力值为真实的采动应力值，不同光纤应力传感器的应力值可以同类比较，为工作面的采动应力监测提供了真实有效的数据。

Description

煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下工作面采动应力监测领域，尤其涉及一种煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法及装置。
背景技术
目前通用的办法是在工作面前方打钻孔布置钻孔应力计，对工作面采动应力进行监测。该方法为在超前工作面打出一定深度的比钻孔应力计直径稍大的钻孔，将钻孔应力计置入钻孔底部。通过预置一定的初始压力使应力计顶部与煤壁接触，在采动过程中，当受到工作面采动影响时应力通过煤壁传递到应力计表面，反映出采动应力的增量变化情况，而目前这种钻孔应力计测量方法，由于不同的钻孔应力计安装初压存在差异，另外由于应力钻孔通常是不封孔处理的，各个钻孔成孔时间存在差异，导致孔壁周围出现不同范围的塑性区，使得不同测点的应力值间具有不可比性，只能反映其相对变化过程，无法体现出煤体的真实采动应力变化。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够体现出真实采动应力变化的煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法及装置。
一种煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，包括：应力计，所述应力计置于填充钻孔中，钻孔内填充有能够由具有流动性的流体凝固成固体状的填充材料；所述应力计通过光纤与用于测量应力的光纤静态解调仪连接。
进一步地，如上所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，所述应力计为光纤应力传感器。
进一步地，如上所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，所述钻孔布置在工作面前方的原岩应力区。
进一步地，如上所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，所述应力计与光纤静态解调仪之间连接有尾纤接头。
进一步地，如上所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，所述应力计置于钻孔的底部。
一种煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法，包括以下步骤：
(1)、在工作面前方的原岩应力区布置某一直径为φ深度为H的钻孔，通过推送杆将直径略小于钻孔的应力计推入钻孔底部，在推送过程中保持应力计正面朝上；
(2)、应力计安装结束后，立即使用封孔器将钻孔的孔口封住，将手动液压泵的输液管与封孔器连接，往钻孔中注入相应体积的填充材料，待充填材料凝固后，回撤封孔器与手动液压泵；
(3)、当工作面推进受到采动影响时，通过应力计实时反映采动应力的真实变化情况，并通过纤静态解调仪将该变化结果显示出来。
本发明提供的煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法及装置，改变以往的被动测压方法，通过与围岩完全耦合的方式主动承压，最后得到的应力值为真实的采动应力值，不同光纤应力传感器的应力值可以同类比较，为工作面的采动应力监测提供了真实有效的数据。
附图说明
图1为本发明煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置结构示意图。
附图标记：
1-钻孔，2-应力计，3-封孔器，4-手动液压泵，5-光纤，6-尾纤接头，7-光纤静态解调仪，G-采空区，F-工作面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，其在钻孔成孔初期便使用填充材料将其完全充填，由于钻孔1被及时充满，使得孔壁周围的煤体仍然处于受约束状态，钻孔周围的塑性松动圈不复存在，整个钻孔恢复到近似原岩状态。而传统钻孔应力计是通过设定初始应力以达到与煤壁耦合接触，由于钻孔未做充填处理，钻孔周围煤壁应力得到解除而处于塑性状态，加之应力计本身为刚性体，应力计应变与煤体应变不一致，使得最后得到的应力值为应力增量。另外，由于不同钻孔应力计的初始压力都存在差异，使得不同钻孔应力的应力值无法进行对比。
本发明提供的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，如图1所示，G采空区G的一侧为工作面F，该装置包括：在工作面F区域的钻孔1，应力计2，所述应力计2置于填充钻孔1中，钻孔1内填充有能够由具有流动性的流体凝固成固体状的填充材料；所述应力计2通过光纤5与用于测量应力的光纤静态解调仪7连接。
具体地，所述应力计2为光纤应力传感器，所述钻孔1布置在工作面前方的原岩应力区。所述应力计2与光纤静态解调仪7之间连接有尾纤接头6。所述应力计2置于钻孔1的顶部。
本发明方法改变以往的被动测压方法，通过与围岩完全耦合的方式主动承压，最后得到的应力值为真实的采动应力值，不同光纤应力传感器的应力值可以同类比较，为工作面的采动应力监测提供了真实有效的数据。所述填充材料具有流动性好易充满钻孔，并且初凝时间短只需几分钟。
本发明还提供一种煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在工作面F前方的原岩应力区布置某一直径为φ(取决于现场钻孔设备)深度为H(根据被测试要求)的钻孔1，通过推送杆将直径略小于钻孔的应力计2(即圆锥形光纤应力传感器)推入钻孔1底部，在推送过程中保持光纤应力传感器正面朝上，传感器的监测结果通过光纤传输至地面监控中心的终端，通过尾纤接头与光纤静态解调仪连接。
步骤2：光纤应力传感器安装结束后，立即使用封孔器3将钻孔1的孔口封住，将手动液压泵4的输液管与封孔器3连接，往孔中注入相应体积V＝πHφ2/4的填充材料，待充填材料凝固后，钻孔1完全被充填体充满，回撤封孔器3与手动液压泵4。
步骤3：填孔结束后，光纤应力传感器主动与煤壁耦合，在初始未受采动影响条件下便可得到原岩应力，当工作面推进受到采动影响时，光纤应力传感器实时反映采动应力的真实变化结果。
本发明提供的煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法，由于钻孔被充满，使得孔壁周围的煤体仍然处于受约束状态，钻孔周围的塑性松动圈不复存在，整个钻孔恢复到近似原岩状态。传统钻孔应力计是通过设定初始应力将其膨胀以达到与煤壁耦合接触，由于钻孔未做充填处理，钻孔周围煤壁应力得到解除而处于塑性状态，加之应力计本身为刚性体，应力计应变与煤体应变不一致，使得最后得到的应力值为应力增量。另外，由于不同钻孔应力计的初始压力都存在差异(本光纤应力传感器不需要施加初始压力，其通过充填材料与煤壁主动耦合，煤壁的应力直接传递到测点上反映出真实的应力值)，使得不同钻孔应力的应力值无法进行对比(例如两个埋深不同的测点，理论上埋深大的应力要大于埋深小的测点，由于人为施加的初始压力存在大小差异，直接导致现有的传感器无法得到上述理论结果。单个测点得到的数据只能反映该测点的压力变化规律的定性趋势，而无法得到该测点所在位置的真实压力变化数值。由于采集的数据不是真实值，所以不同传感器之间无法进行定量对比分析。)。
本发明方法改变以往的被动测压方法，通过与围岩完全耦合的方式主动承压，最后得到的应力值为真实的采动应力值，不同光纤应力传感器的应力值可以同类比较，为工作面的采动应力监测提供了真实有效的数据。由于光纤应力传感器不需要外在人为施加的初始应力，所采集的应力值为煤岩变化后的真实值，这样就可以根据采集的数据进行对比分析了。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，其特征在于，包括：应力计(2)，所述应力计(2)置于填充钻孔(1)中，钻孔(1)内填充有能够由具有流动性的流体凝固成固体状的填充材料；所述应力计(2)通过光纤(5)与用于测量应力的光纤静态解调仪(7)连接。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，其特征在于，所述应力计(2)为光纤应力传感器。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，其特征在于，所述钻孔(1)布置在工作面前方的原岩应力区。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，其特征在于，所述应力计(2)与光纤静态解调仪(7)之间连接有尾纤接头(6)。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下工作面的原位采动应力监测装置，其特征在于，所述应力计(2)置于钻孔(1)的底部。
6.一种煤矿井下工作面的原位采动应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在工作面前方的原岩应力区布置某一直径为φ深度为H的钻孔，通过推送杆将直径略小于钻孔的应力计(2)推入钻孔底部，在推送过程中保持应力计(2)正面朝上；
(2)、应力计(2)安装结束后，立即使用封孔器(3)将钻孔(1)的孔口封住，将手动液压泵(4)的输液管与封孔器(3)连接，往钻孔(1)中注入相应体积的填充材料，待充填材料凝固后，回撤封孔器(3)与手动液压泵(4)；
(3)、当工作面推进受到采动影响时，通过应力计(2)实时反映采动应力的真实变化情况，并通过纤静态解调仪(7)将该变化结果显示出来。
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