CN107271089B

CN107271089B - 一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置

Info

Publication number: CN107271089B
Application number: CN201710490376.9A
Authority: CN
Inventors: 朱元广; 刘泉声; 苏兴矩; 郭建伟; 杨战标; 钟元庆; 纪杰
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Fujian Xiamen-Rongshan Expressway Zhanglong Section Extension Engineering Co., Ltd.; Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2017-06-25
Filing date: 2017-06-25
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2037-06-25
Also published as: CN107271089A

Abstract

本发明公开了一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置，包括推送组件、定位组件以及固定组件，推送组件包括推送段空心杆和三向可伸缩推送段滑轮，定位组件包括定位段连接杆、三向可伸缩定位段滑轮、焊接板和三维电子罗盘；固定组件包括固定段连接杆和十字形卡件，固定段连接杆包括固定段连接杆身和固定段连接杆头，固定段连接杆头与压力传感器连接，固定段连接杆身上还套设有两个三向可伸缩固定段滑轮。本发明可适用于煤矿井下钻孔内部环境中压力传感器的埋设安装。依托安装装置轻便，易拆卸组装，且可重复利用的特点，具有较好的便携性和性价比，而且特别适合在巷道狭小环境中的运输和存放。

Description

一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置

技术领域

本发明属于深部岩体工程应力测量领域，具体地涉及一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置。

背景技术

流变应力恢复法是针对深部破碎软弱围岩而提出的一种地应力测量新方法，该方法基于深部破碎软弱围岩的强流变力学性质，采用在围岩钻孔中埋设多向压力传感器并注浆回填密实的方法来实现地应力的测量。在多向压力传感器的安装过程中需要解决两个问题：一是将压力传感器埋设到指定位置，二是能够知道压力传感器在钻孔中的姿态。现有技术中采用传力柱方案来解决上述问题，即将压力传感器预先浇筑在水泥砂浆体中形成传力柱，然后利用推杆直接将传力柱推送至指定深度，并利用角度仪测量传力柱与垂直方向的夹角来确定压力传感器的姿态。然而，在该方案的实际应用中存在以下几个问题：第一，由于孔壁围岩破碎软弱，容易掉块，导致传感柱被尖锐岩块卡死的现象时常发生；第二，由于传力柱与钻孔之间的间隙非常狭小，浆液很难越过传力柱使得钻孔充填密实，钻孔多点应力测量更加难以实施；第三，由于只能测量与垂直方向的角度，没有考虑与水平方向的夹角，因此压力传感器的姿态确定存在较大误差。综上，目前的安装装置难以适用于深部破碎软弱围岩的地应力测量，需要发明新的装置来保证流变应力恢复法地应力测量的顺利实施。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置，包括推送组件、定位组件以及固定组件，

推送组件包括若干推送段空心杆和套设在推送段空心杆上的三向可伸缩推送段滑轮，

定位组件包括定位段连接杆，定位段连接杆上套设有三向可伸缩定位段滑轮，定位段连接杆上还固定有焊接板，焊接板上电性连接有三维电子罗盘以及与三维电子罗盘连接的数据导线，定位段连接杆一端连接有转接头，转接头上设置有十字卡槽；

固定组件包括固定段连接杆和十字形卡件，固定段连接杆包括固定段连接杆身和固定段连接杆头，十字形卡件包括卡杆和十字卡头，固定段连接杆身一端与固定段连接杆头一端连接，固定段连接杆身另一端与卡杆一端连接，卡杆另一端与十字卡头连接，固定段连接杆头另一端与压力传感器连接，固定段连接杆身上还套设有两个三向可伸缩固定段滑轮，

推送段空心杆和定位段连接杆之间为螺纹连接；十字卡槽与十字形卡件之间为卡槽式连接；固定段连接杆头与压力传感器之间为螺纹连接。

如上所述的三向可伸缩固定段滑轮包括三个沿固定段连接杆身周向均匀分布弹性滚轮件，三个弹性滚轮件中心轴线均与固定段连接杆身呈相同设定夹角，弹性滚轮件包括活塞轴、活塞、弹簧、套筒和万向轮，活塞轴与设置在套筒内并可在套筒内往复运动的活塞连接，活塞与弹簧一端相连，弹簧另一端与套筒端部内壁相抵，套筒与万向轮连接。

如上所述的三向可伸缩推送段滑轮、三向可伸缩定位段滑轮的结构与三向可伸缩固定段滑轮相同。

如上所述的固定段连接杆(4-1)的长度a小于等于b为两个三向可伸缩固定段滑轮(4-3)之间的距离，θ为弹性滚轮件中心轴线与固定段连接杆身(4-1-1)之间的夹角，f为三向可伸缩固定段滑轮(4-3)与孔壁的静摩擦系数。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

适用于深部破碎软弱围岩的不平整钻孔，能够将压力传感器顺利推送至指定孔深、可以精准确定压力传感器在钻孔中的三维姿态、同时保证了浆液在钻孔中的自由流动以及压力传感器埋设后的位置不发生改变。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为推送组件的结构示意图；

图3为定位组件的结构示意图；

图4为固定组件的结构示意图；

图5为推送段空心杆或定位段连接杆或固定段连接杆身为多根时两端的连接结构示意图；

图6为三向可伸缩固定段滑轮的轴向结构示意图；

图7为三向可伸缩固定段滑轮的侧视结构示意图；

图8为三维电子罗盘连接示意图；

图9为转接头、十字卡槽结构示意图；

图10为十字形卡件的结构示意图；

图11为固定段连接杆的结构示意图。

图中：

1、钻孔；

2、推送组件；2-1、推送段空心杆；2-2、三向可伸缩推送段滑轮；

3、定位组件；3-1、定位段连接杆；3-2、三向可伸缩定位段滑轮；3-3、焊接板；3-4、三维电子罗盘；3-5、数据导线；3-6、转接头；3-7、十字卡槽；

4、固定组件；4-1、固定段连接杆；4-2、十字形卡件；4-3、三向可伸缩固定段滑轮；4-4、安全绳；4-1-1、固定段连接杆身；4-1-2、固定段连接杆头；4-2-1、卡杆；4-2-2十字卡头；

4-3-1、万向轮；4-3-2、套筒；4-3-3、弹簧；4-3-4、活塞轴；4-3-5、活塞；

5、压力传感器；

6、公螺纹头；7、母螺纹头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置，包括推送组件2、定位组件3以及固定组件4，分别实现压力传感器埋设的推送功能、定位功能以及固定功能。

推送组件2包括若干推送段空心杆2-1和套设在推送段空心杆2-1上的三向可伸缩推送段滑轮2-2，推送段空心杆2-1和三向可伸缩推送段滑轮2-2的具体数量根据压力传感器的安装深度确定。

定位组件3包括定位段连接杆3-1，定位段连接杆3-1上套设有三向可伸缩定位段滑轮3-2，定位段连接杆3-1上还固定有焊接板3-3，焊接板3-3上电性连接有三维电子罗盘3-4和数据导线3-5，定位段连接杆3-1一端连接有转接头3-6，转接头3-6上设置有十字卡槽3-7。

固定组件4包括固定段连接杆4-1和十字形卡件4-2，固定段连接杆4-1包括固定段连接杆身4-1-1和固定段连接杆头4-1-2，十字形卡件4-2包括卡杆4-2-1和十字卡头4-2-2。固定段连接杆身4-1-1一端与固定段连接杆头4-1-2一端连接，固定段连接杆身4-1-1另一端与卡杆4-2-1一端连接，卡杆4-2-1另一端与十字卡头4-2-2连接。固定段连接杆头4-1-2另一端与压力传感器5连接，固定段连接杆身4-1-1上还套设固定有两个三向可伸缩固定段滑轮4-3。

三向可伸缩固定段滑轮4-3包括三个弹性滚轮件，弹性滚轮件包括活塞轴4-3-4、活塞4-3-5、弹簧4-3-3、套筒4-3-2和万向轮4-3-1，活塞轴4-3-4与设置在套筒4-3-2内并可在套筒4-3-2内往复运动的活塞4-3-2连接，活塞4-3-2与弹簧4-3-3一端相连，弹簧4-3-3另一端与套筒4-3-2端部内壁相抵，套筒4-3-2与万向轮4-3-1连接。

三向可伸缩推送段滑轮2-2、三向可伸缩定位段滑轮3-2的结构与三向可伸缩固定段滑轮4-3相同：

三向可伸缩固定段滑轮4-3的三个弹性滚轮件沿固定段连接杆身4-1-1周向均匀分布，三向可伸缩固定段滑轮4-3的三个弹性滚轮件中心轴线均与固定段连接杆身4-1-1呈相同设定夹角；

三向可伸缩定位段滑轮3-2的三个弹性滚轮件沿定位段连接杆3-1周向分布，三向可伸缩定位段滑轮3-2的三个弹性滚轮件的中心轴线均与定位段连接杆3-1呈相同设定夹角；

三向可伸缩推送段滑轮2-2的三个弹性滚轮件沿推送段空心杆2-1周向分布，三向可伸缩推送段滑轮2-2的三个弹性滚轮件的中心轴线与推送段空心杆2-1呈相同设定夹角。

优选的，推送段空心杆2-1、定位段连接杆3-1和固定段连接杆身4-1-1均可为多个，且通过螺纹连接。

安装装置在使用时从钻孔孔口至孔底方向依次为推送组件2、定位组件3以及固定组件4；推送组件2的推送段空心杆2-1和定位组件3的定位段连接杆3-1之间为螺纹连接，均可回收重复使用；定位组件3的十字卡槽3-7与固定组件4的十字形卡件4-2之间为卡槽式连接，可自由分离；固定组件4的固定段连接杆头4-1-2与压力传感器5之间为螺纹连接，埋设在钻孔中，不回收。

三向可伸缩推送段滑轮2-2、三向可伸缩定位段滑轮3-2和三向可伸缩固定段滑轮4-3均采用三向等角度设计，每个方向的滑轮在受力情况下可以实现有限伸缩，以保证其在不平整钻孔中良好的通过性。

在本安装装置的钻孔内实际使用过程中，推送组件2、定位组件3和固定组件4之间协同配合工作，共同实现装置功能。

按照图1中的方式，将定位组件3和固定组件4进行连接。依次将压力传感器5，固定组件4和定位组件3送入钻孔。然后，将推送组件2中的推送段空心杆2-1和三向可伸缩推送段滑轮2-2进行螺纹连接。将连接好三向可伸缩推送段滑轮2-2后的推送段空心杆2-1与定位组件3的定位段连接杆3-1通过螺纹连接，将固定组件4的十字卡头4-2-2卡入到定位组件3的十字卡槽3-7中。连接好后，用人工方式，将连接好后的装置整体向钻孔1深处方向推送。当装置整体接近完全推送入钻孔内时，在装置整体末端继续连接1个推送段空心杆2-1和1个三向可伸缩推送段滑轮2-2，并继续重复向钻孔内推送的操作。在推送过程中，按照上述方式不断补充1个推送段空心杆2-1和1个三向可伸缩推送段滑轮2-2，直到压力传感器5被推到钻孔1的钻孔孔底1-2。至此，安装装置的推送过程全部结束。

在上述安装过程中，固定组件4的固定段连接杆头4-1-2与压力传感器5通过螺纹连接，从而使得压力传感器5能够被安装装置在钻孔1内向前推送。固定组件4的十字形卡件4-2，在推送过程中被定位组件3的十字卡槽3-7牢牢卡住，从而使得整个固定组件4能够被后方定位组件3向前推送，并实现推送过程中，相对于钻孔1中轴线旋转角度的人为控制，此外，这种设计使得推送完成后，定位组件3的十字卡槽3-7能够轻易从固定组件4的十字卡头4-2-2上拔出来，从而通过人力使得定位组件3在退出钻孔1的同时，不影响固定组件4和压力传感器5留在钻孔1中。定位组件3上的三维电子罗盘3-4可以实时精准数字化记录前方压力传感器5在推送过程中所处的三维空间姿态和角度，并将这些信息通过数据导线3-5传递出钻孔1，从而使得安装装置操作人员能够获取并记录这些信息。定位组件3后方的推送组件2理论上可以无限加长，以适应不同深度的钻孔1。随着1个推送段空心杆2-1和1个三向可伸缩推送段滑轮2-2的不断连入推送组件2中，推送组件2的长度不断增加。在安装装置使用过程中，操作人员在钻孔1外不断将推送组件2向钻孔内方向推送。推送组件2带动了安装装置整体向钻孔内方向推送，最终使得压力传感器5到达钻孔1内的指定位置。以上就是安装装置各组件之间协同配合完成安装功能的详细表述。

在推送过程中，直接实现安装装置整体能够在钻孔1内自由推送的部件是结构相同的三向可伸缩推送段滑轮2-2、三向可伸缩定位段滑轮3-2和三向可伸缩固定段滑轮4-3。利用万向轮4-3-1与钻孔1的内壁紧密接触，并通过万向轮4-3-1的滚动使得安装装置整体在钻孔1内前后运动。

以三向可伸缩固定段滑轮4-3为例进行说明，万向轮4-3-1通过套筒4-3-2和固定段连接杆身4-1-1进行连接。弹性滚轮件的中心轴线和固定段连接杆身4-1-1之间呈一定固定的角度，不可相互转动，且套筒4-3-2内含有弹簧4-3-3，弹簧4-3-3前端连有活塞4-3-5。因此万向轮4-3-1可以通过弹簧4-3-3和活塞4-3-5实现一定程度的伸缩，从而使得三向可伸缩固定段滑轮4-3的整体外径在一定范围内调节变化。三向可伸缩固定段滑轮4-3按照上述方式进行设计，三向可伸缩固定段滑轮4-3通过套筒4-3-2的伸缩量设计原理如下：

假设围岩钻孔直径为D，由于孔壁破碎软弱导致围岩钻孔直径收缩量为ΔD，三向可伸缩固定段滑轮4-3中每个单独的弹性滚轮件的弹性滚轮件的中心轴线与钻孔1横截面的夹角为θ_r，如果三向可伸缩固定段滑轮4-3的三个弹性滚轮件的万向轮4-3-1所在圆的外径与围岩钻孔直径相等，则三向可伸缩固定段滑轮4-3需要实现的伸缩量为：

Δl＝ΔD/cosθ_r (1)

式中，Δl为三向可伸缩固定段滑轮4-3需要满足的伸缩量。

固定组件4的设计原理如下：

假设围岩钻孔向下的倾角为θ(单位：°)，待埋设压力传感器5的重量为G(单位：N)，固定组件4中固定段连接杆4-1的长度为a(单位：m)，即a为固定段连接杆身4-1-1和固定段连接杆头4-1-2的总长度，两个三向可伸缩固定段滑轮4-3之间的距离为b，单个三向可伸缩固定段滑轮4-3与孔壁的静摩擦系数为f，三向可伸缩固定段滑轮4-3与固定段连接杆4-1的质量忽略不计，若要保证固定组件4与压力传感器5连接后不发生自由滑动，则需要满足下列关系式：

其中，F₁为靠近压力传感器5的三向可伸缩固定段滑轮4-3与钻孔1之间的法向力，该法向力是指三向可伸缩固定段滑轮4-3中的任意一个万向轮4-3-1和钻孔1内壁接触面上的法向力，因此，该法向力方向为，万向轮4-3-1和钻孔1内壁的接触点与接触点所处的钻孔横截面的中心点的连接线的方向，该法向力的作用点为，万向轮4-3-1和钻孔1内壁的接触点，F₂为另一三向可伸缩固定段滑轮4-3与钻孔1之间的法向力。因此，三向可伸缩固定段滑轮4-3中的每一个万向轮4-3-1都满足式(2)。求解上式得到固定组件4设计需要满足的关系为：

可以看出，固定组件4中固定段连接杆4-1的长度与压力传感器的重量无关，但与钻孔的倾斜角度、万向轮4-3-1与孔壁的摩擦系数以及两个三向可伸缩固定段滑轮4-3的间距有关。

相对于压力传感器5的重力和推送过程中安装装置需要克服的摩擦阻力，固定组件4自身的重力可以忽略不计。在这种情况下，只需要固定组件4中固定段连接杆4-1的长度a和固定组件4中两个三向可伸缩固定段滑轮4-3之间的距离b满足上述长度比例关系，则可以仅仅依靠三向可伸缩固定段滑轮4-3与钻孔1内壁之间的摩擦力，使得压力传感器5牢固固定在钻孔1中。

例如，假设固定组件4中两个三向可伸缩固定段滑轮4-3之间的间距为20cm，万向轮4-3-1与钻孔1内壁之间的摩擦系数为0.01，钻孔1向下倾斜的角度为5°。根据式(3)，固定段连接杆4-1的长度a，即固定段连接杆身4-1-1和固定段连接杆头4-1-2的总长需77.5cm。

假设钻孔1孔径为130mm，其孔径变化幅度为10mm，三向可伸缩滑轮6-2与钻孔截面的夹角为30°。根据式(1)，三向可伸缩滑轮6-2自身需要满足的伸缩量为11.55mm。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。

Claims

1.一种流变应力恢复法地应力测量的安装装置，其特征在于，包括推送组件(2)、定位组件(3)以及固定组件(4)，

推送组件(2)包括若干推送段空心杆(2-1)和套设在推送段空心杆(2-1)上的三向可伸缩推送段滑轮(2-2)，

定位组件(3)包括定位段连接杆(3-1)，定位段连接杆(3-1)上套设有三向可伸缩定位段滑轮(3-2)，定位段连接杆(3-1)上还固定有焊接板(3-3)，焊接板(3-3)上电性连接有三维电子罗盘(3-4)以及与三维电子罗盘(3-4)连接的数据导线(3-5)，定位段连接杆(3-1)一端连接有转接头(3-6)，转接头(3-6)上设置有十字卡槽(3-7)；

固定组件(4)包括固定段连接杆(4-1)和十字形卡件(4-2)，固定段连接杆(4-1)包括固定段连接杆身(4-1-1)和固定段连接杆头(4-1-2)，十字形卡件(4-2)包括卡杆(4-2-1)和十字卡头(4-2-2)，固定段连接杆身(4-1-1)一端与固定段连接杆头(4-1-2)一端连接，固定段连接杆身(4-1-1)另一端与卡杆(4-2-1)一端连接，卡杆(4-2-1)另一端与十字卡头(4-2-2)连接，固定段连接杆头(4-1-2)另一端与压力传感器(5)连接，固定段连接杆身(4-1-1)上还套设有两个三向可伸缩固定段滑轮(4-3)，

推送段空心杆(2-1)和定位段连接杆(3-1)之间为螺纹连接；十字卡槽(3-7)与十字形卡件(4-2)之间为卡槽式连接；固定段连接杆头(4-1-2)与压力传感器(5)之间为螺纹连接，

三向可伸缩固定段滑轮(4-3)包括三个沿固定段连接杆身(4-1-1)周向均匀分布弹性滚轮件，三个弹性滚轮件中心轴线均与固定段连接杆身(4-1-1)呈相同设定夹角，弹性滚轮件包括活塞轴(4-3-4)、活塞(4-3-5)、弹簧(4-3-3)、套筒(4-3-2)和万向轮(4-3-1)，活塞轴(4-3-4)与设置在套筒(4-3-2)内并可在套筒(4-3-2)内往复运动的活塞(4-3-2)连接，活塞(4-3-2)与弹簧(4-3-3)一端相连，弹簧(4-3-3)另一端与套筒(4-3-2)端部内壁相抵，套筒(4-3-2)与万向轮(4-3-1)连接，

三向可伸缩推送段滑轮(2-2)、三向可伸缩定位段滑轮(3-2)的结构与三向可伸缩固定段滑轮(4-3)相同，

固定段连接杆(4-1)的长度a小于等于b为两个三向可伸缩固定段滑轮(4-3)之间的距离，θ为弹性滚轮件中心轴线与固定段连接杆身(4-1-1)之间的夹角，f为三向可伸缩固定段滑轮(4-3)与孔壁的静摩擦系数。