CN106525292B - 一种位态可调的围岩应力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位态可调的围岩应力测量装置，包括应力计本体(1)和显示仪表箱(2)；应力计本体整体呈圆柱形，其顶端设置成锥形结构，应力计本体内部设有承压腔，应力计本体上还设有承压块(3)、周向旋转角度调节机构(4)、重力感应器(5)和快速连接头(6)；显示仪表箱包括控制器、显示屏、液压泵站、控制阀组、周向旋转控制回路、承压块控制回路、应力数值采集计算回路。本位态可调的围岩应力测量装置可以实现应力计本体在钻孔内的位态调整，进而实现最大限度地减小因钻孔偏移和置入围岩应力计时轴向偏转造成的测量误差、实现准确测量围岩应力，特别适用于煤矿采动应力的数据采集和监控。

Description

一种位态可调的围岩应力测量装置

技术领域

本发明涉及一种围岩应力计，具体是一种适用于煤矿井下的位态可调的围岩应力测量装置，属于煤矿岩体应力测量技术领域。

背景技术

地应力的测量及应用无论在构造地质、地震预报和地球动力学研究上，还是在矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践中均起到了越来越重要的作用，日益受到国内外学术界和工程界的重视。

对矿山开采而言，开掘巷道和进行开采工作称为对煤或围岩的采动，采动发生后破坏了原岩体的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，重新分布的应力超过煤、岩的极限强度时会使巷道或采煤工作面周围的煤、岩发生破坏，并向已采空间移动，直至形成新的应力平衡状态，采动时作用在围岩中和支护物上的力成为采动应力，采动应力可能导致煤层顶板垮落与破坏、支架折损、片帮冒顶、底鼓等一般的矿山压力现象，也可能导致冲击矿压、顶板大面积来压、岩爆、矿震、煤与瓦斯突出、地表突然塌陷等大的矿山动力现象，采动应力对应采动应力场，准确摸清采动应力场在煤岩体开采过程中的时空演化规律对评价和预测矿山压力现象、矿山动力现象都具有十分重要的意义。

现有技术中采动应力的采集通常采用钻孔围岩应力计，即在拟测应力的煤或岩体上钻孔后通过安装导杆置入应力计进行应力数值采集，但钻孔往往因钻孔平面不平或钻进时受力不均等原因造成钻孔偏离预定方向，钻孔深度越深偏离越显著，尤其是与水平面具有一定夹角的倾斜钻孔更不易保证钻孔方向，进而极易导致围岩应力计所测应力并非所需求方向的应力，钻孔方向越偏离、钻孔深度越深所测的应力误差越大，从而极易造成因数值偏差产生判断失误；另外，传统的围岩应力计在置入钻孔内的过程中不易准确保证围岩应力计的位态，钻孔越深这种位态改变越不易控制，进而进一步导致围岩应力计的测力方向与预设的方向产生偏差造成应力数据采集误差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种位态可调的围岩应力测量装置，可以实现应力计本体在钻孔内的位态调整，进而实现最大限度地减小因钻孔偏移和置入围岩应力计时轴向偏转造成的测量误差、实现准确测量围岩应力，特别适用于煤矿采动应力的数据采集和监控。

为实现上述目的，本位态可调的围岩应力测量装置包括应力计本体和显示仪表箱；

所述的应力计本体整体呈圆柱形，其前端设置成锥形结构，应力计本体内部设有承压腔，应力计本体上还设有承压块、周向旋转角度调节机构、重力感应器；承压块通过应力计本体上沿径向方向设置的导向结构密封嵌入在应力计本体上、且承压块的嵌入端与应力计本体内部的承压腔连通；周向旋转角度调节机构可驱动应力计本体沿圆周方向顺时针旋转或逆时针旋转；应力计本体的后端设有快速连接头；

所述的显示仪表箱包括控制器、显示屏、液压泵站、控制阀组、周向旋转控制回路、承压块控制回路、应力数值采集计算回路，控制器分别与显示屏、液压泵站、控制阀组电连接，液压泵站通过控制阀组及液压管路与应力计本体的承压腔密封连接，控制器分别与周向旋转角度调节机构、重力感应器连接。

作为本发明的优选方案，所述的周向旋转角度调节机构采用液压控制，周向旋转角度调节机构通过液压管路、显示仪表箱的控制阀组与控制器连接。

作为本发明周向旋转角度调节机构的一种实施方式，所述的周向旋转角度调节机构沿应力计本体的柱体切线方向设置，包括至少两个左右对称设置的调节缸，调节缸分别通过液压管路与显示仪表箱的控制阀组连接。

作为本发明的进一步改进方案，所述的左右对称设置的调节缸设置在承压块的两侧、且调节缸的伸缩方向背离承压块的伸出方向设置。

作为本发明周向旋转角度调节机构的另一种实施方式，所述的周向旋转角度调节机构是液压马达，液压马达通过液压管路与显示仪表箱的控制阀组连接。

作为本发明的进一步改进方案，所述的应力计本体上还设有逆止机构。

作为本发明逆止机构的一种实施方式，所述的逆止机构是设置在应力计本体的锥形结构上的多个均布的弹性逆止棘爪，弹性逆止棘爪沿锥形斜面向后外侧延伸设置。

作为本发明的进一步改进方案，所述的应力计本体上还设有周向角度反馈传感器，周向角度反馈传感器与所述的显示仪表箱的控制器电连接。

作为本发明的进一步改进方案，所述的重力感应器和周向角度反馈传感器均嵌入应力计本体内部，且重力感应器和周向角度反馈传感器均位于应力计本体的后部。

与现有技术相比，本位态可调的围岩应力测量装置由于设有周向旋转角度调节机构，因此在将应力计本体置入钻孔孔内并拆除安装导杆之后可以根据显示仪表箱显示屏上的显示角度值控制周向旋转角度调节机构动作带动应力计本体周向旋转进行微调整位态使显示角度值显示为0°(水平钻孔)或波动范围内的最小值(倾斜钻孔)，进而可以保证测量数据的准确性，既使监测初期应力计本体的位态可能会发生变化，变化后依然可以通过周向旋转角度调节机构实时调整应力计本体的位态直至其被围岩压实；由于设有重力感应器，因此既使钻孔的真实角度和预设的角度有一定误差，由得到的压力值和角度值也可以根据力的分解求得预设方向的压力，进而进一步保证测量数据的准确性，实现最大限度地减小因钻孔偏移和置入围岩应力计时轴向偏转造成的测量误差、实现准确测量围岩应力，特别适用于煤矿采动应力的数据采集和监控。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A旋转视图；

图3是本发明工作状态时的示意图。

图中：1、应力计本体，2、显示仪表箱，3、承压块，4、周向旋转角度调节机构，5、重力感应器，6、快速连接头，7、逆止机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明(以下以应力计本体1置入钻孔内的方向为前方描述)。

如图1所示，本位态可调的围岩应力测量装置包括应力计本体1和显示仪表箱2。

所述的应力计本体1整体呈圆柱形，其前端设置成锥形结构，便于向钻孔内推进，应力计本体1内部设有承压腔，应力计本体1上还设有承压块3、周向旋转角度调节机构4、重力感应器5；承压块3通过应力计本体1上沿径向方向设置的导向结构密封嵌入在应力计本体1上、且承压块3的嵌入端与应力计本体1内部的承压腔连通；周向旋转角度调节机构4可驱动应力计本体1沿圆周方向顺时针旋转或逆时针旋转；应力计本体1的后端设有快速连接头6，用于连接安装导杆。

所述的显示仪表箱2包括控制器、显示屏、液压泵站、控制阀组、周向旋转控制回路、承压块控制回路、应力数值采集计算回路，控制器分别与显示屏、液压泵站、控制阀组电连接，液压泵站通过控制阀组及液压管路与应力计本体1的承压腔密封连接，控制器分别与周向旋转角度调节机构4、重力感应器5连接。

通常采动应力是采集竖直方向向下的围岩应力，即需保证钻孔围岩应力计的承压块位于应力计本体的上方以保证采集数据的准确性，本位态可调的围岩应力测量装置在煤矿井下使用时，如图3所示，先将通用的安装导杆顶端通过快速连接机构与应力计本体1后端的快速连接头6连接，然后将应力计本体1送入已钻好的钻孔底部设定位置，针对水平钻孔，送入过程中通过观察显示仪表箱2显示屏上的显示角度值转动安装导杆进行粗调整位态使角度保持在0°，针对倾斜钻孔，送入过程中通过观察显示仪表箱2显示屏上的显示角度值转动安装导杆进行粗调整位态使角度保持在波动范围内的最小值；待应力计本体1放入孔底后松开安装导杆顶端的快速连接机构将安装导杆拆除，然后根据显示仪表箱2显示屏上的显示角度值控制周向旋转角度调节机构4动作带动应力计本体1周向旋转进行微调整位态使显示角度值显示为0°(水平钻孔)或波动范围内的最小值(倾斜钻孔)；最后控制液压泵站向应力计本体1的承压腔内注油使承压块3顶出并与钻孔孔壁贴合并通过控制阀组保压即可，显示仪表箱2显示屏上可以实时显示应力数值；针对倾斜钻孔，根据几何关系，所得最小角度值是测压平面和水平面形成的二面角，这个角度即是钻孔与水平面之间的夹角，钻孔的真实角度和预设的角度有一定误差，由得到的压力值和角度值，可以根据力的分解求得预设方向的压力；监测初期应力计本体1的位态可能会发生变化，变化后依然可以通过周向旋转角度调节机构4实时调整应力计本体1的位态直至其被围岩压实。

所述的周向旋转角度调节机构4可以采用电控，也可以采用气动控制或者液压控制，由于煤矿井下具有防爆要求，而液压控制比气动控制更稳定，因此优选液压控制，即，作为本发明的优选方案，所述的周向旋转角度调节机构4采用液压控制，周向旋转角度调节机构4通过液压管路、显示仪表箱2的控制阀组与控制器连接。

作为本发明周向旋转角度调节机构4的一种实施方式，如图2所示，所述的周向旋转角度调节机构4沿应力计本体1的柱体切线方向设置，包括至少两个左右对称设置的调节缸，调节缸分别通过液压管路与显示仪表箱2的控制阀组连接；某一方向的调节缸伸出并支撑在钻孔孔壁上后继续控制其伸出，则孔壁的反作用力推动应力计本体1绕其轴心做相对转动，进而实现微调应力计本体1的位态，控制另一方向的调节缸可控制应力计本体1反方向微调。

为了实现在较小的应力计本体1上合理设置调节缸，作为本发明的进一步改进方案，所述的左右对称设置的调节缸设置在承压块3的两侧、且调节缸的伸缩方向背离承压块3的伸出方向设置。

作为本发明周向旋转角度调节机构4的另一种实施方式，所述的周向旋转角度调节机构4是液压马达，液压马达通过液压管路与显示仪表箱2的控制阀组连接，通过控制液压马达的正反转实现应力计本体1的周向位态的变化。

针对倾斜向上的钻孔，为了防止将应力计本体1置入钻孔内后向外滑动，作为本发明的进一步改进方案，所述的应力计本体1上还设有逆止机构7。

作为本发明逆止机构7的一种实施方式，所述的逆止机构7是设置在应力计本体1的锥形结构上的多个均布的弹性逆止棘爪，弹性逆止棘爪沿锥形斜面向后外侧延伸设置，弹性逆止棘爪可卡接在钻孔孔壁上防止应力计本体1向外滑动。

为了进一步准确显示应力计本体1的轴向旋转角度，作为本发明的进一步改进方案，所述的应力计本体1上还设有周向角度反馈传感器，周向角度反馈传感器与所述的显示仪表箱2的控制器电连接，置入钻孔内后可通过周向角度反馈传感器直观反馈应力计本体1的轴向旋转角度。

为了防止将应力计本体1置入钻孔内的过程中钻孔孔壁对重力感应器5和周向角度反馈传感器造成剐蹭，同时实现便于接线，作为本发明的进一步改进方案，所述的重力感应器5和周向角度反馈传感器均嵌入应力计本体1内部，且重力感应器5和周向角度反馈传感器均位于应力计本体1的后部。

本位态可调的围岩应力测量装置由于设有周向旋转角度调节机构4，因此在将应力计本体1置入钻孔孔内并拆除安装导杆之后可以根据显示仪表箱2显示屏上的显示角度值控制周向旋转角度调节机构4动作带动应力计本体1周向旋转进行微调整位态使显示角度值显示为0°(水平钻孔)或波动范围内的最小值(倾斜钻孔)，进而可以保证测量数据的准确性，既使监测初期应力计本体1的位态可能会发生变化，变化后依然可以通过周向旋转角度调节机构4实时调整应力计本体1的位态直至其被围岩压实；由于设有重力感应器5，因此既使钻孔的真实角度和预设的角度有一定误差，由得到的压力值和角度值也可以根据力的分解求得预设方向的压力，进而进一步保证测量数据的准确性，实现最大限度地减小因钻孔偏移和置入围岩应力计时轴向偏转造成的测量误差、实现准确测量围岩应力，特别适用于煤矿采动应力的数据采集和监控。

Claims (9)

1.一种位态可调的围岩应力测量装置，包括应力计本体(1)和显示仪表箱(2)，其特征在于，

所述的应力计本体(1)整体呈圆柱形，其前端设置成锥形结构，应力计本体(1)内部设有承压腔，应力计本体(1)上还设有承压块(3)、周向旋转角度调节机构(4)、重力感应器(5)；承压块(3)通过应力计本体(1)上沿径向方向设置的导向结构密封嵌入在应力计本体(1)上、且承压块(3)的嵌入端与应力计本体(1)内部的承压腔连通；周向旋转角度调节机构(4)可驱动应力计本体(1)沿圆周方向顺时针旋转或逆时针旋转；应力计本体(1)的后端设有快速连接头(6)；

所述的显示仪表箱(2)包括控制器、显示屏、液压泵站、控制阀组、周向旋转控制回路、承压块控制回路、应力数值采集计算回路，控制器分别与显示屏、液压泵站、控制阀组电连接，液压泵站通过控制阀组及液压管路与应力计本体(1)的承压腔密封连接，控制器分别与周向旋转角度调节机构(4)、重力感应器(5)连接。

2.根据权利要求1所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的周向旋转角度调节机构(4)采用液压控制，周向旋转角度调节机构(4)通过液压管路、显示仪表箱(2)的控制阀组与控制器连接。

3.根据权利要求2所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的周向旋转角度调节机构(4)沿应力计本体(1)的柱体切线方向设置，包括至少两个左右对称设置的调节缸，调节缸分别通过液压管路与显示仪表箱(2)的控制阀组连接。

4.根据权利要求3所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的左右对称设置的调节缸设置在承压块(3)的两侧、且调节缸的伸缩方向背离承压块(3)的伸出方向设置。

5.根据权利要求2所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的周向旋转角度调节机构(4)是液压马达，液压马达通过液压管路与显示仪表箱(2)的控制阀组连接。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的应力计本体(1)上还设有逆止机构(7)。

7.根据权利要求6所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的逆止机构(7)是设置在应力计本体(1)的锥形结构上的多个均布的弹性逆止棘爪，弹性逆止棘爪沿锥形斜面向后外侧延伸设置。

8.根据权利要求1至5任一权利要求所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的应力计本体(1)上还设有周向角度反馈传感器，周向角度反馈传感器与所述的显示仪表箱(2)的控制器电连接。

9.根据权利要求8所述的位态可调的围岩应力测量装置，其特征在于，所述的重力感应器(5)和周向角度反馈传感器均嵌入应力计本体(1)内部，且重力感应器(5)和周向角度反馈传感器均位于应力计本体(1)的后部。