CN107036737A - 一种可回收的采动应力监测探头 - Google Patents

Abstract

一种可回收的采动应力监测探头，包括中空螺纹管、聚氨酯管、应变片、锥形密封套、密封圈、圆形金属垫片、套筒、开槽螺母、钢丝绳卡头、钢丝绳、导向杆，所述中空螺纹管左侧密封至左侧锥形密封套与聚氨酯管绞和段处，所述中空螺纹管在左侧锥形密封套与聚氨酯管连接处至右侧锥形密封套与聚氨酯管绞和段处设置四向溢液缝，所述聚氨酯管套于中空螺纹管中部，通过两个锥形密封套将其固定在中空螺纹管上，应变片可根据监测具体要求安装在聚氨酯管致裂段的不同位置方位上，锥形密封套中设有密封圈，所述锥形密封套两侧均通过圆形金属垫片与套筒紧密相连，所述右侧套筒上有一个钢丝绳卡头，所述钢丝绳固定在钢丝绳卡头上，所述套筒两侧通过圆形金属垫片和开槽螺母使其紧密固定在中空螺纹管上，所述导向杆前端凸起可与右侧圆形金属垫片上凹槽耦合。

Description

一种可回收的采动应力监测探头

技术领域

本发明涉及煤岩体应力状态监测技术领域，特别是指一种可回收的 采动应力监测探头。

背景技术

煤矿采掘等地下工程引起原始应力的重新分布，重新分布的应力称 之为采动应力，也称为次生应力、二次应力。受地质条件、采掘活动的类 型等因素影响，原始应力扰动规模和程度有很大的区别，即采动应力分布 有很大的差异性，一方面会产生应力的集中，应力集中区域内采动应力远 远大于原始应力；另一方面会产生应力释放，应力释放区域(卸压区)， 采动应力比原始应力又小很多采动应力特征包括煤岩中应力的大小、方向 和其与原始应力的比值大小。采掘等工程发生后，煤岩体内部应力大小、 方向都将发生变化，而且处于一个动态变化过程。当应力超过围岩所能承 受的最大应力后，围岩自稳将会失效，煤岩发生塑性变形，随着应力的继 续增加和集中，煤岩体会发生突然失稳现象，引发冲击地压、煤与瓦斯突 出、煤壁偏帮、顶板塌陷等矿井常见的煤岩动力灾害。因此采动应力的测 量和实时连续监测、采动空间应力场的分布规律研究成为冲击地压、煤与 瓦斯突出等煤岩动力灾害事故发生的研究重点，也成为巷道支护、工作面 区域危险性评价、顶板控制提供应力资料的直接方法。但是由于采动空间 围岩受到扰动等工程影响，煤岩体塑性变形比较严重，围岩裂隙较为发育， 在此范围内采动应力的实测对传感器要求较高，应力测量相对较为困难， 适用于此类环境应力测量方法和传感器相对较少。

采动应力的测量仅能掌握在采掘过程中某一时刻的应力大小及分布情 况，但采动应力大小及分布变化随采掘的进展是一个动态的过程。准确掌 握采动应力随采掘工程进展的变化过程，对工作面区域危险性划分、冲击 地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的预测预防更具有意义。且矿井煤岩 动力灾害的发生实质是采动煤岩体在应力作用下突然失稳的过程，因此， 采动应力的实时连续监测对揭示冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害 的发生机理揭示更为重要。

常规的采动应力监测方法为将应力计安装在监测点后等待钻孔的变 形使应力计与煤岩体耦合接触，应力计初始力为5-6MPa，这与煤岩体实际 应力相差较大，其能否比较准确监测煤岩体应力大小，主要取决于煤岩体 的变形能力。煤岩体的三向应力是平衡的，也是相互耦合的。过去主要侧 重于测试平均应力或单向应力，无法实现二向或三向应力的监测，但二向 或三向应力的监测更贴近于实际。安装传统应力监测装置时，将定向感应 探头对准所需监测采动应力方向，用导向杆将应力感受器慢慢送入钻孔指 定位置，难以控制应力感受器的运动，且回收应力感受器较为不便。

为避免现有采动应力监测探头的不足，让监测探头可轻松放入钻孔内并 回收探头，实现监测装置和煤岩体的自主耦合，将采动应力的大小及分布变 化动态呈现出来，有必要研究设计一种可回收的采动应力监测探头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可回收的采动应力监测探头，以 克服现有采动应力监测探头的不足，实时反映煤岩体的采动应力动态变化情 况，且能够多次回收重复使用，极大的降低采动应力监测成本。

为解决上述问题，本发明的技术解决方案为：一种可回收的采动应力监 测探头，包括中空螺纹管、聚氨酯管、应变片、锥形密封套、密封圈、圆形 金属垫片、套筒、开槽螺母、钢丝绳卡头、钢丝绳、导向杆，所述中空螺纹 管左侧密封至左侧锥形密封套与聚氨酯管绞和段处，所述中空螺纹管在左侧 锥形密封套与聚氨酯管连接处至右侧锥形密封套与聚氨酯管绞和段处设置四 向溢液缝，所述聚氨酯管套于中空螺纹管中部，通过两个锥形密封套将其固 定在中空螺纹管上，应变片可根据监测具体要求安装在聚氨酯管致裂段的不 同位置方位上，锥形密封套中设有密封圈，所述锥形密封套两侧均通过圆形 金属垫片与套筒紧密相连，所述右侧套筒上有一个钢丝绳卡头，所述钢丝绳 固定在钢丝绳卡头上，所述套筒两侧通过圆形金属垫片和开槽螺母使其紧密 固定在中空螺纹管上，所述导向杆前端凸起可与右侧圆形金属垫片上凹槽耦 合。

本发明一种可回收的采动应力监测探头，所述聚氨酯管致裂段包裹的中 空螺纹管上设有四向溢液缝，可保证注液时聚氨酯管向各个方向均匀膨胀， 与孔壁煤岩体主动耦合。

本发明一种可回收的采动应力监测探头，所述锥形密封套内部为锥形结 构，可有效的紧固聚氨酯管，且设有两个密封圈，保证聚氨酯管两端的密封 性。

本发明一种可回收的采动应力监测探头，所述聚氨酯管通过锥形密封套 紧密安装在中空螺纹管上，且聚氨酯管两侧均留有绞和段，保证监测采动应 力时是致裂段在均匀膨胀，且不会使聚氨酯管发生不规则膨胀甚至破裂。

本发明一种可回收的采动应力监测探头，其中，所述应变片安装在聚氨 酯管致裂段外表面上，且呈平面接触，具体位置方位视监测要求而定，可轻 松得到钻孔各处各方位的采动应力大小。

本发明一种可回收的采动应力监测探头，所述导向杆的前端凸起可与和 右端锥形密封套连接的圆形金属垫片上的凹槽耦合，可保证送入探头的稳定 性。

本发明一种可回收的采动应力监测探头，其中，所述钢丝绳卡头安装在 最右侧的套筒上，通过钢丝绳固定在钢丝绳卡头上，可实现监测工作完成后 探头的回收重复使用。

采用上述方案后，由于本发明包括中空螺纹管、聚氨酯棒、锥形密封套、 应变片、钢丝绳卡头和钢丝绳，高压泵通过高压管与中空螺纹管的开口端紧 密连接，输出高压液体通过中空螺纹管进入探头内部，再通过四向溢液缝进 入聚氨酯管中，保证了聚氨酯管在受到高压液体的作用下向各个方向均匀膨 胀，使不断膨胀的聚氨酯管与煤岩体主动耦合，当煤岩体受掘进影响与紧密 接触的聚氨酯管相作用时，通过安装在聚氨酯管致裂段上的应变片得到实时 的聚氨酯管变形程度，加以计算，即可精确测得聚氨酯管膨胀时各个方向所受采动应力的大小，所述套筒上安装有所述钢丝绳卡头，故通过钢丝绳可实 现在监测完采动应力后回收重复使用，降低采动应力监测成本，因此本发明 所述的一种可回收采动应力监测探头可在煤岩体变形过程中实时监测煤岩体 采动应力场分布及采动应力大小情况，为实现井下工程开挖设计和决策科学 化提供准确的煤岩体采动应力数据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说 明。

图1为本发明的一种可回收采动应力监测探头的结构示意图；

图2为本发明的一种可回收采动应力监测探头工作情况示意图；

图3为图2的A-A’剖面图；

图4为本发明的中空螺纹管注液时结构简图；

图中，1-中空螺纹管，2-聚氨酯管，3-锥形密封套，4-圆形金属垫片，5-套 筒，6-钢丝绳卡头，7-开槽螺母，8-应变片，9-导线，10-数据采集装置， 11-导向杆，12-液压泵，13-钢丝绳，311-密封圈，131-中空螺纹管密封段， 132-中空螺纹管溢液缝，133-中空螺纹管注液段，231-聚氨酯管绞和段，232- 聚氨酯管致裂段。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合 附图及具体实施案例进行详细描述。

本发明提供一种可回收的采动应力监测探头。

如图1所示,本发明一种可回收的采动应力监测探头包括中空螺纹管 1、聚氨酯管2、锥形密封套3、圆形金属垫片4、套筒5，钢丝绳卡头6、 开槽螺母7、应变片8、钢丝绳13、密封圈311，所述中空螺纹管1的左边 被密封至左侧锥形密封套3和聚氨酯管2绞和段处，所述中空螺纹管1在 左侧锥形密封套3与聚氨酯管2连接处至右侧锥形密封套3与聚氨酯管2绞和段处之间设置有四向溢液缝132，所述聚氨酯管2通过其两端的锥形密封 套3紧密套在中空螺纹管1上，应变片8根据监测需求安装在聚氨酯管2 的不同位置方位处，所述锥形密封套内部设有两个密封圈311，所述锥形 密封套3通过圆形金属垫片4与套筒5连接，最右侧的套筒5上安装有钢 丝绳卡头6，所述钢丝绳13固定在钢丝绳卡头6上，所述中空螺纹管1两端通过开槽螺母7旋紧固定，保证了聚氨酯管2在膨胀时不会改变中空螺 纹管1上的各个部件的位置，进而实现了本探头精确测量采动应力的目的。

如图2所示，在本发明所述一种可回收的采动应力监测探头的具体监 测工作中，通过导线9将应变片8和数据采集装置10相连接，将液压泵 12的高压管和中空螺纹管1相连接，准备工作完成后，先在监测点煤岩体 上选定合适位置钻孔，再将准备好的可回收采动应力监测探头通过所述导 向杆11送入钻孔指定位置后撤回导向杆11，液压泵12提供的高压液体通 过高压管输入中空螺纹管注液段133，如图2、3所示，高压液体通过中空 螺纹管溢液缝132均匀注入聚氨酯管致裂段232中，使得聚氨酯管致裂段 232受力开始向四周均匀膨胀，使其与煤岩体内壁主动耦合接触，随着掘 进的不断进行，煤岩体开始对与其耦合接触的聚氨酯管致裂段232施加采 动应力的作用，使得聚氨酯管致裂段232不断变形，通过安装在聚氨酯管 致裂段232表面的应变片8，可采集到聚氨酯管致裂段232的变形程度，通过程序的相关计算，可将煤岩体的采动应力在数据采集装置10上实时的显示出 来，且应变片8可通过安装在聚氨酯管致裂段232上不同位置来监测孔内不 同位置不同方位的采动应力动态变化过程，通过数据采集装置10可得到采动 应力实时曲线，使监测工作更加方便高效。在监测工作顺利完成后，可通过 固定在钢丝绳卡头6上的钢丝绳13将本监测探头回收再使用，极大的降低了 采动应力监测成本。

本案例仅为本发明的一种具体实施形式，其中孔位选定、钻孔参数、应 变片组数和布置形式与位置、液压泵种类、钢丝绳连接方式可依据监测工程 的具体地质条件、采动应力状态、开挖及支护要求等条件而定，本发明不做 具体限制。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通 技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。

Claims (7)

1.一种可回收的采动应力监测探头，其特征在于：包括中空螺纹管(1)、聚氨酯管(2)、锥形密封套(3)、圆形金属垫片(4)、套筒(5)，钢丝绳卡头(6)、开槽螺母(7)、应变片(8)、导向杆(11)、钢丝绳(13)和密封圈(311)，所述中空螺纹管(1)的左边被密封至左侧锥形密封套(3)和聚氨酯管(2)绞和段处，所述中空螺纹管(1)在左侧锥形密封套(3)与聚氨酯管(2)连接处至右侧锥形密封套(3)与聚氨酯管(2)绞和段处之间设置有四向溢液缝(132)，所述聚氨酯管(2)通过其两端的锥形密封套(3)紧密套在中空螺纹管(1)上，应变片(8)根据监测需求安装在聚氨酯管(2)的不同位置方位处，所述锥形密封套(3)内部设有两个密封圈(311)，锥形密封套(3)通过圆形金属垫片(4)与套筒(5)连接，最右侧的套筒(5)上安装有钢丝绳卡头(6)，钢丝绳(13)固定在钢丝绳卡头(6)上，中空螺纹管(1)两端通过开槽螺母(7)旋紧固定，监测采动应力时通过导向杆(11)上的前端凸起与右端圆形金属垫片(4)上凹槽耦合，导向杆(11)可通过螺母和丝棒不断串联加长，从而将探头送入钻孔指定位置处。

2.如权利要求1所述的一种可回收的采动应力监测探头，聚氨酯管(2)通过锥形密封套(3)紧密安装在中空螺纹管(1)上，且聚氨酯管(2)两侧均留有聚氨酯管绞和段(231)，中间为聚氨酯管致裂段(232)。

3.如权利要求1所述的一种可回收的采动应力监测探头，所述位于聚氨酯管致裂段(232)包裹的中空螺纹管(1)处注液缝(132)在中空螺纹管(1)上呈空间对称四向分布。

4.如权利要求1所述的一种可回收的采动应力监测探头，所述锥形密封套(3)内部为锥形结构，且设有两个密封圈(311) 。

5.如权利要求1所述的一种可回收的采动应力监测探头，所述应力片(8)能够承载较大的静载荷且与聚氨酯管紧密贴合。

6.如权利要求1所述的一种可回收的采动应力监测探头，可通过钢丝绳(13)在钢丝绳卡头(6)上，来回收顺利完成监测试验的探头。

7.如权利要求1所述的一种可回收的采动应力监测探头，所述导向杆(11)的前端凸起与右侧圆形金属垫片(4)上凹槽可耦合。