CN107989652A - 岩体能量流动监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供岩体能量流动监测仪，属于岩体应变监测技术领域。该监测仪包括导向头、金属杆、超声波发射探头、弹簧板、超声波发射探头限位筒、弹簧、出胶孔、密封胶圈、环氧树脂筒、动态应变传感器、超声波接收探头、探头安装支架、抽取式超声波接收探头限位筒和动态采集仪，导向头位于监测仪前端，导向头通过金属杆与超声波发射探头限位筒焊接，超声波发射探头通过弹簧板与探头安装支架连接，超声波发射探头限位筒后端通过弹簧与温度自补偿应变传感器骨架焊接，探头安装支架尾部连接动态采集仪。本发明经过合理的部件结构设计，在保证岩体波速测量精度的同时，大大减小了设备的整体尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及岩体应变监测技术领域，特别是指一种岩体能量流动监测仪。
背景技术
在地下工程中，岩体能量变化测量、监测工作，对地下工程的开挖、设计、稳定性分析影响显著。
目前，可一次性获取地下三向应变、主应力的方法，只有空心包体应变计法。但工艺方法参差不齐，大多采用长导线引出测量信号，信号在传输过程中导线电阻严重影响测量精度。蔡美峰教授发明双地线回路改进了空心包体法测量精度；澳大利亚环境系统与服务公司发明了原位数字化空心包体应变计，消除长导线电阻影响，把模拟信号变成数字信号后采用4芯导线引出数据。不论是双地线回路的改进还是原位数字化的实现，还需要在测量中采用导线穿过钻机导出实时信号。操作繁琐，而且测量导线与测量冷却水公用钻机通道互相影响，会造成导线在打钻时被卡断的事故发生。本课题组于2016年6月22日，申请专利名称为：基于完全温度补偿技术的原位数字化型三维孔壁应变计，申请号：201610456789.0，有效改进了地应力测量精度。地应力测量中，对岩体变形进行静态应变采集，而岩体振动能量监测中，需要获取三维动态应变数据。因此在岩体能量监测中，需要结合地应力测量分析方法和动态应变原位数字化采集技术。由于采用间接测量法进行监测，需要获取测量中与应变同步的岩体模量参数。现场岩体动态弹性模量采用超声波测速技术，但是国内外现有技术均需采用耦合剂耦合测量，无法实现现场的长期监测。
本发明旨在获得岩体重要物理参数获取手段的有效合一化和岩体能量变化的短期、长期监测。
岩石材料不同于人造材料，除了在材料特性差异外，还和其赋存环境有关。岩体应力环境，随埋藏深度的增加，由以重力为主导，到以水平应力甚至构造应力为主导，应力状态复杂。人工开挖活动，扰乱了原岩应力场，进而增加了岩体环境认识的复杂化。因此，原位测量岩体能量变化显得尤为重要，其对地下工程的开挖、设计、稳定性分析，极具参考价值。但目前，尚未有可以在小尺寸工作空间，以超声波探头和工作面干耦合的接触方式，并结合动态应变精确测量，进行岩体能量变化监测的设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种岩体能量流动监测仪。
该岩体能量流动监测仪包括主体结构、高精度自补偿应变传感器、完全温度补偿测量电路和原位数字化动态采集集成电路板；高精度自补偿应变传感器、完全温度补偿测量电路设置在温度自补偿应变传感器主体结构内；原位数字化动态采集集成电路板设置在监测仪的探头安装支架后。
该监测仪具体包括导向头、金属杆、超声波发射探头、弹簧板一、弹簧板二、超声波发射探头限位筒、弹簧、出胶孔、密封胶圈、环氧树脂筒、动态应变传感器、超声波接收探头、探头安装支架一、探头安装支架二、抽取式超声波接收探头限位筒和动态采集仪，导向头位于该监测仪前端，导向头通过金属杆与超声波发射探头限位筒焊接，超声波发射探头通过弹簧板一与探头安装支架一连接，超声波发射探头限位筒后端通过弹簧与温度自补偿应变传感器骨架焊接，温度自补偿应变传感器骨架前端设置一圈出胶孔，温度自补偿应变传感器骨架前端和后端各设置有密封胶圈，温度自补偿应变传感器骨架中部外包环氧树脂筒，环氧树脂筒外部贴有动态应变传感器；温度自补偿应变传感器骨架后端与探头安装支架二焊接，超声波接收探头通过弹簧板二与探头安装支架二焊接，超声波接收探头外设置有抽取式超声波接收探头限位筒，探头安装支架二尾部连接动态采集仪，动态采集仪包括原位数字化动态采集集成电路板与蓄电池。
其中，超声波发射探头与弹簧板一整体压缩限制于超声波发射探头限位筒内。
超声波接收探头与弹簧板二整体压缩限制于抽取式超声波接收探头限位筒内。
超声波发射探头、超声波接收探头与工作面的接触方式皆为干耦合，该监测仪在同一轴向上，布置有两组超声波发射探头和超声波接收探头。
该监测仪预留wifi、蓝牙、甚低频透地通讯无线传输接口，数据采集和充电采用无线或有线方式，预留有多种无线连接模式和无线充电接口，可实现由测点到控制室的数据实时传输。
监测仪采用动态应变的实时温度自补偿技术，将应变-岩石作为一体的温度平衡系统进行出厂标定，采用温度自补偿应变传感器监测与采集板路温度标定结果，进行硬件-算法的双温度修正，在动态应变监测中，通过标定参数实时修正测量数据，消除长期监测中的温度影响。
采用该岩体能量流动监测仪进行岩体能量监测包括：
该岩体能量流动监测仪工作时，在巷道、隧道或边坡岩壁上钻孔，把该岩体能量流动监测仪安装在钻孔内。通过推进，由于超声波发射探头限位筒后端弹簧压缩，使得导向头与超声波发射探头限位筒整体向后缩进，此时超声波发射探头从超声波发射探头限位筒前端弹出紧贴岩壁，同时通过推进注胶，使岩体能量流动监测仪动态应变传感器和孔壁紧密胶结，接着取出抽取式超声波接收探头限位筒，此时超声波接收探头弹出紧贴岩壁。监测过程中依据波速与力学参数间关系，可推算出动态弹性模量大小，进而结合动态应变数据、动态泊松比，根据应变能理论推算出岩体能量变化。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明在待机状态下无需供电，消除瞬时电流的影响；采用超声波发射探头、超声波接收探头与钻孔岩壁干耦合的接触方式测量岩体波速，从测量方法上有效减小测量数据误差，为岩体能量变化的获得提供了有效的依据。在测量岩体波速中，传统超声波测速装置作为一体的独立设备，整体尺寸大，无法适合钻孔较小的工作空间。本发明经过合理的部件结构设计，超声波发射探头、超声波接收探头得以分别安装在温度自补偿应变传感器骨架前、后侧，在保证岩体波速测量精度的同时，大大减小了设备的整体尺寸。从而使得岩体波速与动态应变测量设备有效一体化、小型化，将岩体能量变化的短期、长期监测工作，实现在小尺寸的工作空间。同时，该岩体能量流动监测仪共有两组超声波发射探头、超声波接收探头装置，进而增加岩体波速测量数据的可靠性。
附图说明
图1为本发明的岩体能量流动监测仪未工作状态下的结构示意图；
图2为本发明的岩体能量流动监测仪工作状态下的结构示意图；
图3为本发明的动态应变传感器安装布置示意图，其中，(a)为布置模型示意图，(b)为布置位置示意图。
其中：1-导向头；2-金属杆；3-超声波发射探头；4-弹簧板一；5-超声波发射探头限位筒；6-弹簧；7-出胶孔；8-密封胶圈；9-环氧树脂筒；10-动态应变传感器；11-超声波接收探头；12-探头安装支架一；13-抽取式超声波接收探头限位筒；14-动态采集仪；15-弹簧板二；16-探头安装支架二。
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，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种岩体能量流动监测仪。
如图1、图2所示，该岩体能量流动监测仪头部为导向头1，导向头1后端通过金属杆2与超声波发射探头限位筒5焊接，超声波发射探头3通过弹簧板一4与探头安装支架一12连接。超声波发射探头3与弹簧板一4整体压缩限制于超声波发射探头限位筒5内。超声波发射探头限位筒5后端通过弹簧6与圆柱状温度自补偿应变传感器骨架焊接。温度自补偿应变传感器骨架前端设置一圈出胶孔7，且前、后端各设置有密封胶圈8，温度自补偿应变传感器骨架中部外包环氧树脂筒9，环氧树脂筒9外部贴有动态应变传感器10。温度自补偿应变传感器骨架后端与探头安装支架二16焊接，超声波接收探头11通过弹簧板二15与探头安装支架二16连接。超声波接收探头11外设置有抽取式超声波接收探头限位筒13，超声波接收探头11与弹簧板二15整体压缩限制于抽取式超声波接收探头限位筒13内。探头安装支架二16尾部连接动态采集仪14。
如图3所示，动态应变传感器10即为高精度自补偿应变传感器，高精度自补偿应变传感器环向间隔120°布置在1.5mm厚的环氧树脂筒9壁上。
岩体能量监测时，高精度自补偿应变传感器，温度标定在岩体能量流动监测仪出厂时测试完成。测量不同时刻的动态应变及岩体波速变化，配合相关理论分析可得到岩体能量变化情况，岩体能量流动监测仪在非解除状态下可进行岩体能量监测，读数方式可选择人工手动测量和自动采集传输两种模式，具体步骤为：
1.钻进直径为42mm的小孔，钻进深度达到监测点位置；
2.释放超声波发射探头、超声波接收探头，将岩体能量流动监测仪与岩壁粘结，并接入电源(若采用人工手动采集方式，则不需接入电源)；
3.设置采集间隔，采集开始时间。(若为人工采集，则无需此步骤)；
4.依据现场测量的岩体波速数据，先推算出岩体的动态弹性模量，进而结合动态应变数据，根据应变能公式推算得到实时岩体能量变化。
超声波发射探头、超声波接收探头采用干耦合接触探头，在测量岩体波速前，不需在岩体与探头之间添加耦合剂，从测量方法上减小测量误差，效果显著，同时减少了工作步骤，操作便捷，节省工作时间。超声波发射探头、超声波接收探头分别布置在温度自补偿应变传感器骨架前、后侧。同侧探头，在垂直探头安装支架轴线的平面上对称布置两个，所以该岩体能量流动监测仪共有两组超声波发射探头、超声波接收探头装置，进而增加岩体波速测试数据的可靠性。原位数字化动态采集集成电路板，采用数字电路集成技术在设备腔体内完成信号的数字化转换，消除其他测量方法中长导线的测量误差，同时可实现采集数据的储存、传输。原位数字化动态采集集成电路板，提供人工断电续采和自动连续采集两种采集模式，连续工作、定时工作、微待机工作和待机工作四种工作模式，可一次安装实现钻孔孔壁三维应变及岩体波速的短期、长期监测。
在具体应用过程中，具体过程如下：
1.钻进直径为42mm的小孔，钻进深度达到监测点位置；
2.现场配制固化胶体，并灌入岩体能量流动监测仪的温度自补偿应变传感器的空腔中。以专业安装设备进行安装，控制安装速度、推进力大小、岩体能量流动监测仪在孔内的方位，使得超声波发射探头弹出，控制胶体挤出的推进距离。最后，取出抽取式超声波接收探头限位筒，使得超声波接收探头弹出。安装后，以手持终端设置采集待机时间和采集间隔。观察孔内工作指示灯亮起则表示岩体能量流动监测仪工作正常；
3.安装后，胶体凝固24小时(25°条件下24小时，若温度低于10°凝固时间需要48小时)；
4.将岩体能量流动监测仪电源接入现场电路保证长期供电，停电后蓄电池工作时间大于1周，若采用人工手动采集方式，则不需接入电源；
5.设置采集间隔，采集开始时间。采用蓝牙或者有线方式将采集数据接入孔口终端，并通过光纤接入井下环网(若为人工采集，则无需此步骤)；
6.根据实时监测的岩体波速值，依据波速与力学参数之间关系，推算出动态弹性模量，进而结合动态应变数据、动态泊松比，依据应变能相关理论推算出实时岩体能量变化。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种岩体能量流动监测仪，其特征在于：包括导向头(1)、金属杆(2)、超声波发射探头(3)、弹簧板一(4)、弹簧板二(15)、超声波发射探头限位筒(5)、弹簧(6)、出胶孔(7)、密封胶圈(8)、环氧树脂筒(9)、动态应变传感器(10)、超声波接收探头(11)、探头安装支架一(12)、探头安装支架二(16)、抽取式超声波接收探头限位筒(13)和动态采集仪(14)，导向头(1)位于该监测仪前端，导向头(1)通过金属杆(2)与超声波发射探头限位筒(5)焊接，超声波发射探头(3)通过弹簧板一(4)与探头安装支架一(12)连接，超声波发射探头限位筒(5)后端通过弹簧(6)与温度自补偿应变传感器骨架焊接，温度自补偿应变传感器骨架前端设置一圈出胶孔(7)，温度自补偿应变传感器骨架前端和后端各设置有密封胶圈(8)，温度自补偿应变传感器骨架中部外包环氧树脂筒(9)，环氧树脂筒(9)外部贴有动态应变传感器(10)；温度自补偿应变传感器骨架后端与探头安装支架二(16)焊接，超声波接收探头(11)通过弹簧板二(15)与探头安装支架二(16)焊接，超声波接收探头(11)外设置有抽取式超声波接收探头限位筒(13)，探头安装支架二(16)尾部连接动态采集仪(14)。
2.根据权利要求1所述的岩体能量流动监测仪，其特征在于：所述超声波发射探头(3)与弹簧板一(4)整体压缩限制于超声波发射探头限位筒(5)内。
3.根据权利要求1所述的岩体能量流动监测仪，其特征在于：所述超声波接收探头(11)与弹簧板二(15)整体压缩限制于抽取式超声波接收探头限位筒(13)内。
4.根据权利要求1所述的岩体能量流动监测仪，其特征在于：所述超声波发射探头(3)、超声波接收探头(11)与工作面的接触方式皆为干耦合，该监测仪在同一轴向上，布置有两组超声波发射探头(3)和超声波接收探头(11)。
5.根据权利要求1所述的岩体能量流动监测仪，其特征在于：该监测仪预留wifi、蓝牙、甚低频透地通讯无线传输接口，数据采集和充电采用无线或有线方式。
6.根据权利要求1所述的岩体能量流动监测仪，其特征在于：该监测仪采用动态应变的实时温度自补偿技术，将应变-岩石作为一体的温度平衡系统进行出厂标定，采用温度自补偿应变传感器监测与采集板路温度标定结果，进行硬件-算法的双温度修正，在动态应变监测中，通过标定参数实时修正测量数据，消除长期监测中的温度影响。
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