CN107121498B - 液压式声发射传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压式声发射传感器装置，包括声发射探头、探头安装机构、液压泵、油箱和用于与传送装置组合的连接组件，所述探头安装机构主要由壳体、探头套筒、端盖和活塞油缸组件组成。该装置通过活塞油缸组件和液压泵实现对壳体和探头套筒运动方向的控制，从而解决声发射探头有效安装和耦合的难题，确保声发射探头与钻孔孔壁的有效耦合，增强对岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害的监测与预报可靠性。

Description

液压式声发射传感器装置

技术领域

本发明属于工程建设中的岩石(体)工程安全监测技术领域，涉及一种液压式声发射传感器装置。

背景技术

工程建设中的岩石(体)变形破坏，特别是岩爆动力灾害，会直接危及工程的安全建设，甚至会造成灾难性影响，因此对岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害进行有效监测和预报，是工程安全建设的重要内容之一。目前，声发射作为无损监测的一种重要手段，被用于工程建设中的岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害的监测与预报。

在地下工程围岩开挖建设过程中，为了对可能出现的围岩变形破坏和动力灾害进行准确预测，声发射传感器需要在工程开挖前预先呈三维空间分布的形式布置在被监测的围岩区域，并且布置的传感器数量越多，监测效果相对越准确。

在具体实现方式中，需要在岩石(体)开挖前，利用钻机在岩石(体)中钻孔，钻孔深度随工程埋深、被监测范围增加而增加；然而钻孔越深，声发射传感器安装越困难。目前，声发射传感器安装方式主要包括以下几种：

(1)在工程现场，直接将声发射探头放在钻孔中，依靠钻孔中残留的液体介质(如水)作为岩体和声发射探头之间信号传输的介质，声发射探头将接收到的探测信号通过线缆传输到地面监测系统；但这种方法存在以下弊端：①这种实现方式仅适合于方向向下的钻孔，而对于完全水平或向上有一定角度的钻孔，由于难以贮存介质而不适用；即使对于向下的钻孔，仍需要钻孔周围的岩体相对完整，从而避免传输介质从钻孔裂隙流失或渗出，确保声发射探头始终处于传输介质中，但是现场实际情况却较难达到该要求，从而影响监测效果；②虽然岩体与声发射探头之间的液体可以作为信号传输的耦合介质，但液体的密度一般相对较低，其信号传输效果不如直接将声发射探头与岩壁有效接触所接收到的探测信号。

(2)为了确保放置在钻孔中声发射探头与钻孔壁之间有效耦合，在工程现场还可采用向钻孔内浇注水泥，使声发射探头和岩壁被浇注为一个整体，这种方法虽然可以解决探测信号的有效传输问题，但仍存在以下缺陷：①浇注后的声发射探头不可回收，导致监测成本增高；②若浇注后发现声发射探头无信号或信号不好，无法进行检查或调整，只能重新钻孔和安装新的声发射探头，不仅导致监测成本过高，而且还导致延长工程进度，甚至延误工期；③向钻孔内注入水泥浆，因钻孔较深，一方面声发射探头安装部位的注浆效果难以保障，可能会出现声发射探头安装部位未能有效注浆的情况，从而导致声发射探头未与岩壁有效耦合而无监测信号；另一方面钻孔越深，浇注的水泥凝固后的总收缩变形量越大，与水泥粘接在一起的声发射探头的信号传输线缆会因水泥收缩变形而承受拉力，导致不能有效传输信号；④开挖过程中的炸药放炮，可能会使注浆面与岩壁面松弛，导致监测信号传输的有效性降低；⑤钻孔内通常比较潮湿，浇注后水泥浆凝固需要较长周期，会导致施工期限延长；且安装过程费时、费力，需要一系列专业注浆设备和注浆人员，从而进一步增加监测成本。

(3)另一种实现方式是采用简易固定安装装置，将声发射探头固定在装置内部，然后用刚性的不可活动的金属传输杆将固定装置送至安装部位后，用压力将声发射探头顶出后与钻孔岩壁接触，实现固定，其优点是实现了非注浆浇注情况下声发射探头与岩壁的接触，但仍存在以下缺点：①这种方式由于固定安装装置与钻孔孔壁之间的距离很近，因此需要固定安装装置与钻孔基本为同心结构，且需要孔壁光滑，但实际施工中这些要求难以保障；②由于固定安装装置尺寸较大，只适用于直径较大的钻孔，导致钻孔成本升高；③整个传输杆和安装装置在钻孔中是通过用力硬性插入到钻孔中，不仅摩擦力大，容易磨坏线缆或声发射探头，还容易被卡到钻孔中，无法送至需要安装的部位；④由于是将固定安装装置通过外力，将其硬性插入钻孔中，因此安装过程不仅费时费力，而且工作效率极低；⑤因钻孔孔壁为圆柱形面，而声发射探头端面为平面，如何确保声发射探头端面有效与钻孔孔壁耦合，也是实际应用中需解决的难题。

基于上述各种实现方式中存在的弊端和缺陷，导致声发射探测在岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害监测的应用推广过程中受到一定限制。

因而，如何便捷、有效地将声发射探头安装在钻孔中，并使安装后的声发射探头有效与孔壁耦合，仍是目前现场监测和研究的难点，缺乏相关测试方法和技术支撑。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有技术中的不足，提供一种液压式声发射传感器装置，该装置不仅安装方便，而且易于使声发射探头与钻孔孔壁实现有效耦合，确保声发射探头探测信号的有效性。

本发明所述液压式声发射传感器装置，包括声发射探头、探头安装机构、液压泵、油箱和用于与传送装置组合的连接组件，所述探头安装机构主要由壳体、探头套筒、端盖和活塞油缸组件组成；所述壳体为两端开口的圆筒体，壳体的内孔中设置有用于与探头套筒组合的导向筒，所述导向筒位于壳体内壁的底部且内孔为贯穿壳体壁的通孔，其中心线垂直于壳体的中心线；所述探头套筒为下端封闭、上端开口的筒体，探头套筒的内孔与声发射探头为间隙配合、外形与导向筒的内孔为间隙配合，探头套筒的下端面为与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面，筒壁上端设置有供声发射探头的线缆接头伸出的一个或两个槽口，槽口下方的外壁设置有轴肩，所述槽口若为两个，两槽口相对于探头套筒的中心线呈轴对称分布；所述活塞油缸组件为两套，两套活塞油缸组件结构相同，均包括活塞、活塞杆和油缸，两套活塞油缸组件的油缸分别对称设置在壳体内壁的左上侧和右上侧，且两油缸的轴线与导向筒的轴线平行并在同一平面上，两油缸内侧之间的间距大于端盖的尺寸；所述声发射探头安装在探头套筒内，其线缆接头从探头套筒筒壁设置的槽口伸出；端盖覆盖在探头套筒上端面并与探头套筒为可拆卸式连接；安装有声发射探头的探头套筒放置在壳体内，其下部段插入壳体所设导向筒且其下端位于壳体之外，探头套筒的放置方位应使声发射探头的线缆接头朝向壳体的一端；两套活塞油缸组件的活塞分别安装在各自的油缸内，两套活塞油缸组件的活塞杆一端分别与各自的活塞固接，另一端分别与轴肩顶面的相应部位固连，两套活塞油缸组件的油缸进油口通过输油管与液压泵连通，油缸回油口通过输油管与油箱连通；所述连接组件为两套，两套连接组件分别安装在壳体的两端。

上述液压式声发射传感器装置，连接油缸进油口与液压泵的输油管上设置有液压表，以便于监测油缸中的压力。

上述液压式声发射传感器装置，所述油缸顶部可以通过焊接方式或者螺纹连接方式与壳体内壁固连，也可以与壳体为一体化结构。

上述液压式声发射传感器装置，连接组件由螺母和至少两副连接支架组成，各连接支架的一端环绕螺母外壁均匀分布并与螺母外壁铰连，各连接支架的另一端与壳体固连；这种连接组件可以使安装机构在一定范围内实现小幅度转动，从而进一步保证壳体顶部及探头套筒底部与钻孔孔壁有效耦合接触。

上述液压式声发射传感器装置，为了便于活塞油缸组件的安装，所述壳体由两个半圆筒体组合而成。

上述液压式声发射传感器装置，为了便于将与声发射探头连接的线缆引出，所述探头套筒筒壁上端设置的供声发射探头线缆接头伸出的槽口为U型槽口，且U型槽口的宽度略大于声发射探头线缆接头的直径。

上述液压式声发射传感器装置，为了进一步改善声发射探头信号传输效果，可以在声发射探头与探头套筒底部接触的端面涂覆耦合剂，以使声发射探头下端面与探头套筒的底部有效接触；所述耦合剂为黄油、凡士林等。

本发明所述液压式声发射传感器装置的工作原理为：初始状态，活塞在压力油的作用下处于上始点位置，此时安装有声发射探头的探头安装机构整体尺寸小于待安装钻孔尺寸，从而使安装有声发射探头的探头安装机构能够在钻孔内自由移动；当安装有声发射探头的探头安装机构被送到钻孔的预定位置后，在液压泵的作用下，经输油管进入油缸的压力油推动活塞向下始点运动，从而使活塞杆推动探头套筒向着远离壳体的方向移动，实现壳体顶部和探头套筒下端面分别与钻孔内壁紧密接触，使安装有声发射探头的探头安装机构处于监测状态；监测结束需要回收声发射探头时，在液压泵的作用下，经输油管进入油缸的压力油推动活塞向上始点运动，在活塞杆带动下，探头套筒下端面与钻孔内壁分离，安装有声发射探头的探头安装机构逐渐恢复到初始状态，以便于声发射探头的回收。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述液压式声发射传感器装置，其探头安装机构中的活塞油缸组件和液压泵配合实现了对壳体和探头套筒运动方向的控制，从而解决了声发射探头有效安装和耦合的难题；安装有声发射探头的探头安装机构在初始状态时尺寸可小于钻孔尺寸，当被送到预定位置后，在液压泵的作用下，经输油管进入油缸的压力油推动活塞向下始点运动，从而使活塞杆推动探头套筒向着远离壳体的方向移动，加之壳体顶部与探头套筒下端面为与钻孔孔壁适配的弧形面，因而可实现壳体顶部和探头套筒下端面分别与钻孔内壁紧密接触，保证声发射探头与钻孔孔壁的有效耦合，增强对岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害的监测与预报可靠性。

2、本发明所述液压式声发射传感器装置，当监测结束后，在液压泵的作用下，经输油管进入油缸的压力油推动活塞向上始点运动，在活塞杆带动下，探头套筒下端面与钻孔内壁分离，安装有声发射探头的探头安装机构逐渐恢复到初始状态，便于将其从钻孔中取出，实现声发射探头和探头安装机构的回收及重复使用，节约监测成本。

3、本发明所述液压式声发射传感器装置，可通过液压表监测油缸中的压力，若发现岩体变形导致压力降低，可以利用液压泵补充压力，从而使声发射探头与钻孔孔壁始终处于有效的耦合状态。

4、本发明所述液压式声发射传感器装置，由于固连于探头安装机构所述壳体两端的连接支架与螺母之间是铰连，因此可使壳体与配套的传送装置在一定范围内实现小幅度转动，从而进一步保证壳体顶部与探头套筒底部与钻孔孔壁有效耦合接触。

5、本发明所述液压式声发射传感器装置具有结构简单，安装、拆卸方便的特点，因而可降低劳动强度，节约大量人力成本。

6、本发明所述液压式声发射传感器装置，为了满足不同需求，可以通过传送机构将多个安装有声发射探头的探头安装机构连接起来，以实现在同一钻孔中布置多个声发射探头的目的，从而提高对岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害的监测效率。

附图说明

图1为本发明所述液压式声发射传感器装置的结构示意图，探头安装机构的探头套筒处于向钻孔孔壁方向运动的状态。

图2为图1中的探头套筒处于向钻孔孔壁相反方向运动的状态。

图3为图1的A-A剖视图。

图4为本发明所述液压式声发射传感器装置的探头安装机构中壳体的结构示意图。

图5为图4的B-B剖视图。

图6为本发明所述液压式声发射传感器装置的探头安装机构中探头套筒的结构示意图。

图7为本发明所述液压式声发射传感器装置的连接组件中螺母与连接支架的连接方式示意图

图8为本发明所述液压式声发射传感器装置的声发射探头的示意图。

图9为图8的俯视图。

图10为本发明所述液压式声发射传感器装置与传送装置、地面工作站的组合示意图，探头安装机构的探头套筒处于向钻孔孔壁方向运动的状态。

图11为图10中的探头套筒处于向钻孔孔壁相反方向运动的状态。

图12为安装有声发射探头的探头安装机构处于安装状态时的示意图。

图13为安装有声发射探头的探头安装机构处于监测状态时的示意图。

图14为安装有声发射探头的探头安装机构处于回收状态时的示意图。

图中：1、壳体，1-1、半圆筒体，1-2、连接片，2、探头套筒，2-1、筒体，2-2、端盖，2-3、轴肩，2-4、槽口，3、声发射探头，3-1、线缆接头，4、活塞油缸组件，4-1、油缸，4-2、活塞杆，4-3、活塞，5、导向筒，6、第一输油管，7、第二输油管，8、液压泵，9、油箱，10、连接支架，11、螺母，12、传送装置，13、计算机，14、地面工作站15、液压表。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述液压式声发射传感器装置的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本实施例中的液压式声发射传感器装置如图1、图2和图3所示，包括声发射探头3、探头安装机构、液压泵8、油箱9和用于与传送装置组合的连接组件。上述声发射探头3如图8、图9所示，为圆柱形结构，侧面延伸出线缆接头3-1，声发射探头3下端面涂覆有凡士林。

上述探头安装机构如图1、图2和图3所示，主要由壳体1、探头套筒2、端盖2-2和活塞油缸组件4组成。壳体1如图4、图5所示，为两端开口的圆筒体，由两个半圆筒体1-1通过连接片1-2组合而成，其内孔中设置有用于与探头套筒2组合的导向筒5，所述导向筒5位于壳体内壁的底部且内孔为贯穿壳体壁的通孔，其中心线垂直于壳体的中心线；探头套筒2如图3、图6所示，为下端封闭、上端开口的筒体2-1，探头套筒的内孔与声发射探头3为间隙配合、外形与导向筒5的内孔为间隙配合，探头套筒的下端面为与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面，筒壁上端设置有供声发射探头的线缆接头3-1伸出的一个U型槽口2-4，槽口下方的外壁设置有轴肩2-3；活塞油缸组件4为两套，结构如图1、图2所示，两套活塞油缸组件均包括活塞4-3、活塞杆4-2和油缸4-1，两套活塞油缸组件的油缸4-1分别对称设置在壳体内壁的左上侧和右上侧，且两油缸的轴线与导向筒5的轴线平行并在同一平面上，两油缸4-1内侧之间的间距大于端盖2-2的尺寸，每套活塞组件中的活塞4-3位于油缸4-1内部，活塞杆4-2的一端与活塞4-3通过螺纹连接，活塞杆4-2的另一端伸出油缸4-1；油缸4-1顶部与壳体1内壁通过焊接固连，油缸4-1上部设计有与第一输油管6连接的第一油口，油缸4-1下部设计有与第二输油管7连通的第二油口，当第一油口为进油口时，第二油口则为回油口，当第二油口为进油口时，第一油口则为回油口。

上述连接组件为两套，两套连接组件分别安装在壳体1的两端，如图3所示，每套连接组件由螺母11和两副连接支架10组成，连接支架10的一端焊接于壳体1的内壁，另一端与螺母11外壁铰连(见图7)。

本实施例中，液压式声发射传感器装置各构件的组装方式：将声发射探头3装入探头套筒2内，其涂覆有凡士林的一端与探头套筒底部接触，其线缆接头3-1从探头套筒筒壁设置的U型槽口2-4伸出；端盖2-2覆盖在探头套筒2上端面，并通过螺钉将端盖2-2与探头套筒固定；安装有声发射探头的探头套筒2放置在壳体1内，其下部段插入壳体所设导向筒5且其下端位于壳体之外，探头套筒2的放置方位应使声发射探头的线缆接头3-1朝向壳体的一端；两套活塞油缸组件的活塞4-3分别安装在各自的油缸内，两套活塞油缸组件的活塞杆4-2一端分别与各自的活塞4-3固接，另一端分别与轴肩顶面的相应部位固连，两油缸4-1的第一油口通过第一输油管6与液压泵8或油箱9连通，两油缸4-1的第二油口通过第二输油管7与油箱9或液压泵8连通，液压泵8通过输油管与油箱9连通，所述液压泵8和油箱9安装在底面工作站14内(见图10、图11)，当第一油口为进油口、第二油口为回油口时，第一输油管6的地面管路安装有液压表15。

本实施例中的液压式声发射传感器装置与传送装置12和底面工作站14组合使用，其组合方式见图10、图11，液压式声发射传感器装置用于安装在被监测岩体的钻孔中，将接收到的监测信号通过线缆传输至地面工作站，地面工作站中的计算机13对来自声发射传感器的监测信号进行处理并予以显示。

如图2、图11、图12所示，液压式声发射传感器装置的安装操作：通过第一输油管6将两油缸4-1的第一油口与油箱9连通，通过第二输油管7将两油缸4-1的第二油口与液压泵8连通，开启液压泵，两活塞4-3在压力油的作用下运动至上始点位置，此时安装有声发射探头3的探头安装机构整体尺寸小于钻孔尺寸，然后将安装有声发射探头3的探头安装机构放入钻孔内，并操作与其连接的传送装置12，将安装有声发射探头3的探头安装机构送至需要监测的位置，即完成安装。

如图1、图10、图13所示，液压式声发射传感器装置处于监测状态的操作：通过第一输油管6将两油缸4-1的第一油口与液压泵8连通，通过第二输油管7将两油缸的第二油口与油箱9连通，开启液压泵，两活塞4-3在压力油的作用下从上始点位置运动至下始点位置，在此过程中，两活塞杆4-2带动探头套筒2向远离壳体1方向移动，从而使壳体1的顶部和探头套筒下端面分别与钻孔孔壁紧密接触，实现声发射探头与钻孔孔壁的有效耦合；与声发射探头3相连的线缆延伸至地表，并与地面工作站的计算机16相连，声发射探头3便可以对工程建设中的岩石(体)情况进行监测，将监测信号通过线缆传输至地面工作站的计算机13，通过计算机对监测信号进行处理并予以实时显示。通过液压表15监测油缸中的压力，若发现岩体变形导致压力降低，可以利用液压泵补充压力，从而使声发射探头与钻孔孔壁始终处于有效的耦合状态。

如图2、图11、14所示，液压式声发射传感器装置的回收操作：当监测过程结束后，通过第一输油管6将两油缸4-1的第一油口与油箱9连通，通过第二输油管7将两油缸4-1的第二油口与液压泵8连通，开启液压泵，两活塞4-3在压力油的作用下从下始点运动至上始点位置，在此过程中，两活塞杆带动探头套筒与活塞同向运动，使探头套筒下端面与钻孔内壁分离并使安装有声发射探头3的探头安装机构整体尺寸恢复到安装时的尺寸，然后操作传送装置12，将其从钻孔中拉出，使得声发射探头及其探头安装机构可以被回收再利用。

Claims (5)

1.一种液压式声发射传感器装置，包括声发射探头(3)，其特征在于还包括探头安装机构、液压泵(8)、油箱(9)和用于与传送装置组合的连接组件，所述探头安装机构主要由壳体(1)、探头套筒(2)、端盖(2-2)和活塞油缸组件(4)组成；

所述壳体(1)为两端开口的圆筒体，壳体的内孔中设置有用于与探头套筒(2)组合的导向筒(5)，所述导向筒(5)位于壳体内壁的底部且内孔为贯穿壳体壁的通孔，其中心线垂直于壳体的中心线；所述探头套筒(2)为下端封闭、上端开口的筒体(2-1)，探头套筒的内孔与声发射探头(3)为间隙配合、外形与导向筒(5)的内孔为间隙配合，探头套筒的下端面为与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面，筒壁上端设置有供声发射探头的线缆接头(3-1)伸出的一个或两个槽口(2-4)，槽口下方的外壁设置有轴肩(2-3)，所述槽口(2-4)若为两个，两槽口相对于探头套筒的中心线呈轴对称分布；所述活塞油缸组件为两套，两套活塞油缸组件结构相同，均包括活塞(4-3)、活塞杆(4-2)和油缸(4-1)，两套活塞油缸组件的油缸(4-1)分别对称设置在壳体内壁的左上侧和右上侧，且两油缸的轴线与导向筒的轴线平行并在同一平面上，两油缸(4-1)内侧之间的间距大于端盖(2-2)的尺寸；

所述声发射探头(3)安装在探头套筒(2)内，其线缆接头(3-1)从探头套筒筒壁设置的槽口(2-4)伸出；端盖(2-2)覆盖在探头套筒(2)上端面并与探头套筒为可拆卸式连接；安装有声发射探头的探头套筒(2)放置在壳体(1)内，其下部段插入壳体所设导向筒(5)且其下端位于壳体之外，探头套筒(2)的放置方位应使声发射探头的线缆接头(3-1)朝向壳体的一端；两套活塞油缸组件的活塞(4-3)分别安装在各自的油缸内，两套活塞油缸组件的活塞杆(4-2)一端分别与各自的活塞(4-3)固接，另一端分别与轴肩顶面的相应部位固连，两套活塞油缸组件的油缸进油口通过输油管与液压泵(8)连通，油缸回油口通过输油管与油箱(9)连通；所述连接组件为两套，两套连接组件分别安装在壳体(1)的两端。

2.根据权利要求1所述液压式声发射传感器装置，其特征在于所述连接组件由螺母(11)和至少两副连接支架(10)组成，各连接支架的一端环绕螺母(11)外壁均匀分布并与螺母外壁铰连，各连接支架的另一端与壳体(1)固连。

3.根据权利要求1或2所述液压式声发射传感器装置，其特征在于所述壳体(1)由两个半圆筒体(1-1)组合而成。

4.根据权利要求1或2所述液压式声发射传感器装置，其特征在于声发射探头(3)与探头套筒底部接触的端面涂覆有耦合剂。

5.根据权利要求3所述液压式声发射传感器装置，其特征在于声发射探头(3)与探头套筒底部接触的端面涂覆有耦合剂。