CN108426663B - 一种矩形钻孔应力监测装置及监测方法 - Google Patents

一种矩形钻孔应力监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种矩形钻孔应力监测装置及监测方法，所述监测装置包括矩形钻头、钻杆和矩形钻孔应力监测计。所述矩形钻头包括外部框架，所述外部框架内设有正向切刀、斜向切刀和中心导向切刀。所述矩形钻孔应力监测计包括上盖板、下盖板、应力传感器、数字显示仪。所述监测方法包括预打导向钻孔、打矩形钻孔、安装矩形钻孔应力监测计进行监测。本发明所述监测装置能够有效克服传统钻孔应力计测试方向模糊、测试数值不精确的缺点，该装置可精确测量包括垂直方向、水平方向在内的任意角度围岩应力数值，为现场矿压灾害预测预报提供更可靠的数据。该套装置及实施方法将为我国煤矿围岩应力监测提供更可靠的保障。

Description

一种矩形钻孔应力监测装置及监测方法
技术领域
本发明属于煤矿开采矿山压力监测领域，具体涉及一种矩形钻孔应力监测装置及监测方法。
背景技术
根据中国工程院研究，预计到2030年，煤炭占我国一次能源消费比重仍在50%以上。煤炭作为我国的主体能源，在国民经济中占有重要的战略地位，未来几十年内，以煤炭为主的能源结构将难以改变。随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采逐渐向深部扩展，而在深部煤矿开采过程中，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害发生的频率逐渐增加，对煤矿安全生产提出新的挑战。应力是引起围岩和支护结构体变形破坏、产生矿井动力灾害的根本作用力，在所有煤矿冲击等动力灾害的预测预报中，应力监测是最有效的预警方法之一。因此，可靠、及时的应力监测预警对保障矿井安全生产具有重要意义。在现今的煤矿生产中，主要采用圆柱形钻孔应力计进行煤岩体应力监测，圆柱形钻孔应力计存在以下缺点和不足：
1、圆柱形钻孔应力计在圆形钻孔中容易发生任意方向转动，难以确定所测应力方向。
2、圆柱形钻孔应力计各个方向难以同时与钻孔孔壁紧密接触，钻孔应力计受力不均，使得应力测量结果存在较大误差。
3、圆柱形钻孔应力计均是一孔一点，当需要验证同一地点测量结果时，需要在同一地点安装多个钻孔应力计，钻孔利用率低。
发明内容
为了克服现有钻孔应力计在煤岩体应力监测中的缺陷，本发明的目的是提供了一种矩形钻孔应力监测装置及监测方法，所述监测装置具有测量精度高、操作方便、钻孔利用率高等优点。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
本发明提供了一种矩形钻孔应力监测装置，所述应力监测装置包括矩形钻头、钻杆和矩形钻孔应力监测计；所述矩形钻头包括外部框架，所述外部框架内设有正向切刀、斜向切刀和中心导向切刀，所述中心导向切刀的中间部位设有与钻杆连接的连接螺孔；所述矩形钻孔应力监测计包括上盖板、下盖板、应力传感器和数字显示仪，所述上盖板下部与下盖板上部对应的位置设有安装应力传感器的安装槽，所述应力传感器与数字显示仪之间通过连接线连接。
进一步的：所述外部框架内设有4-8个正向切刀，2-4个斜向切刀。
进一步的：所述矩形钻头外部框架为闭合框架，外部框架的长度为120-140 mm，宽度为50-70 mm。
进一步的：所述矩形钻头正向切刀与外部框架两短边平行，每个正向切刀纵切面呈梯形。
进一步的：所述矩形钻头斜向切刀连接外部框架的两对角点，每个斜向切刀的切面呈矩形。
进一步的：所述矩形钻头中心导向切刀与外部框架两长边中点位置连接，其切面形状为矩形。
进一步的：所述矩形钻头连接螺孔位于中心导向切刀、斜向切刀相交位置。
进一步的：所述矩形钻孔应力监测计上盖板上侧边为斜边。
进一步的：所述上盖板和下盖板通过连接合页连接在一起。
本发明还提供了利用所述的矩形钻孔应力测试装置的监测方法，所述监测方法包括以下步骤：
(1) 预打导向钻孔：在拟安装矩形钻孔应力监测计的围岩中的拟定位置采用钻杆打导向钻孔至预定深度；
(2) 打矩形钻孔：采用钻杆将矩形钻头连接至冲击式钻机，进行矩形钻孔的开挖，每钻进30-50 cm来回抽推钻头一次，推出破岩产生的岩屑，直至钻孔开挖至预定深度；
(3) 安装矩形钻孔应力监测计：将矩形钻孔应力监测计放入矩形钻孔，采用钻杆将其推入预定深度；
(4) 监测：读取矩形钻孔应力监测计数字显示仪的初始读数，设定数字显示仪记录间隔，定期采集数字显示仪数据，对比确定相对应力数值。
与现有钻孔应力计相比，本发明的优点和积极效果是：本发明所述应力监测装置包括矩形钻头、钻杆和矩形钻孔应力监测计。在矩形钻孔的操作中，矩形钻孔应力监测计与矩形钻孔吻合，便于确定应力监测方向。在现场生产中，可根据需要打与煤岩层成不同倾角的矩形钻孔，获得不同方向的煤岩体应力数值。在矩形钻孔应力监测计中，上盖板、下盖板与应力传感器平面接触，通过上下盖板传递至应力传感器的力均匀，提高数据测量精度。同时，矩形钻孔应力监测计内可包含3个，甚至多个应力传感器，一套矩形钻孔应力监测计可测得3个，甚至多个应力数值，可有效提高钻孔利用率。
本发明所述装置可有效克服传统钻孔应力计测试应力方向模糊、应力数值不精确、钻孔利用率低的缺点，该装置可精确测量包括与采煤工作面推进方向垂直、平行，或者其他任意角度围岩应力数值，可利用一个钻孔测得多个应力数值，可有效提高钻孔利用率，为现场矿压灾害预测预报提供更可靠的数据。该套装置及实施方法将为我国煤矿围岩应力监测提供更可靠的保障。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为矩形钻头的结构示意图。
图2为图1矩形钻头A-A截面图。
图3为图1矩形钻头B-B截面图。
图4为图1矩形钻头C-C截面图。
图5为图1矩形钻头D-D截面图。
图6为矩形钻孔应力监测计的结构示意图。
图7为矩形钻孔应力监测计的E-E剖面图。
图8为矩形钻孔应力监测计的F-F剖面图。
图9为矩形钻孔打孔及矩形应力计安装示意图。
图10为矩形钻头与钻杆连接示意图。
图11为矩形钻头与钻杆连接G-G截面图。
图中，1、外部框架；2、正向切刀；3、斜向切刀；4、中心导向切刀；5、连接螺孔；6、上盖板；7、下盖板；8、应力传感器；9、数字显示仪；10、连接线；11、连接合页；12、导向钻孔；13、矩形钻孔；14、围岩；15、钻杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
实施例1
本发明所述装置包括矩形钻头、钻杆和矩形钻孔应力监测计。
如图1所示，所述矩形钻头包括外部框架1，所述外部框架内设有固定连接在框架上的正向切刀2、斜向切刀3和中心导向切刀4，所述中心导向切刀的中间部位设有连接螺孔5，连接螺孔5用于与钻杆15连接，借助钻杆的推力将矩形钻头推进。本实施例中所述外部框架内部设有6个正向切刀、2个斜向切刀、1个中心导向切刀和1个连接螺孔。6个正向切刀与外部框架两短边平行，连接外部框架两长边，且正向切刀彼此之间相互平行。
如图2所示，所述矩形钻头的外部框架为闭合的框架，外部框架1的纵向切面中顶部8-10 mm范围内为正梯形，外部框架的长度a为120-140 mm，宽度b为50-70 mm，高度为30-50 mm。每个正向切刀2的纵向切面形状为梯形，纵向切面的下侧为梯形长底边，纵向切面的上侧为梯形短底边，正向切刀与外部框架纵向切面的高度相同。
如图3所示，所述中心导向切刀4与正向切刀2平行，其上下两端分别连接外部框架1两长边的中点位置，其形状为矩形，厚度为10-20 mm，所述中心导向切刀4的纵向切面与外部框架1的纵向切面高度差c为20-40 mm（如图2中c所示）。2个斜向切刀3分别连接外部框架1的两对角点，其形状为矩形，斜向切刀3比正向切刀2低约15-30 mm（如图4高度差d所示）。如图5所示，所述连接螺孔5位于中心导向切刀4、斜向切刀3相交位置，相交位置加固成直径为15-25 mm的圆柱体，圆柱体下部伸出外部框架底端10-20 mm（如图2和3中高度差e所示），连接螺孔位于加固圆柱体内部，其高度为自加固体底端向上约20-30 mm（如图2和3中高度差f所示），该连接螺孔内加工有螺纹，实现矩形钻头与钻杆的连接。
所述矩形钻头外部框架、正向切刀、斜向切刀顶部8-10 mm的部分（如图2中高度差g所示）均由高强度合金加工而成，以满足切削高强度岩石的要求。
如图6所示，本发明所述矩形钻孔应力监测计包括上盖板6、下盖板7、应力传感器8、数字显示仪9、连接线10和连接合页11。如图7和8所示，所述矩形钻孔应力监测计上盖板6的上侧边为斜边。所述上盖板6底部与下盖板7顶部的位置加工有放置应力传感器的安装槽，用来安装应力传感器8，应力传感器8通过连接线10与数字显示仪9连接在一起，设置数字显示仪9的数据记录间隔，实现定期记录的目的。矩形钻孔应力监测计上盖板6、下盖板7通过连接合页11连接在一起。
如图9所示，本发明所述装置的使用方法如下：
(1) 在拟安装矩形钻孔应力监测计的围岩14中的拟定位置采用常规钻杆打导向钻孔12至预定深度；
(2) 采用常规钻杆将矩形钻头连接至冲击式钻机，进行矩形钻孔的开挖，每钻进30-50 cm来回抽推钻头一次，推出破岩产生的岩屑，直至钻孔开挖至预定深度；
(3) 将矩形钻孔应力监测计放于矩形钻孔孔口，采用钻杆将其推入预定深度，借助上盖板6和下盖板7对所述应力传感器8产生的挤压，使应力传感器产生初始读数；
(4) 读取矩形钻孔应力监测计数字显示仪初始读数，设定数字显示仪记录间隔，定期采集数字显示仪数据，对比确定相对应力数值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述应力监测装置包括矩形钻头、钻杆和矩形钻孔应力监测计；所述矩形钻头包括外部框架，所述外部框架内设有正向切刀、斜向切刀和中心导向切刀，所述中心导向切刀的中间部位设有与钻杆连接的连接螺孔；所述矩形钻孔应力监测计包括上盖板、下盖板、应力传感器和数字显示仪，所述上盖板下部与下盖板上部对应的位置设有安装应力传感器的安装槽，所述应力传感器与数字显示仪之间通过连接线连接。
2.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述外部框架内设有4-8个正向切刀，2-4个斜向切刀。
3.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述矩形钻头的外部框架为闭合框架，外部框架的长度为120-140 mm，宽度为50-70 mm。
4.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述矩形钻头的正向切刀与外部框架的两短边平行，每个正向切刀的纵切面呈梯形。
5.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述矩形钻头的斜向切刀连接外部框架的两对角点，每个斜向切刀的切面呈矩形。
6.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述矩形钻头的中心导向切刀与外部框架的两长边中点位置连接，其切面形状为矩形。
7.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述矩形钻头的连接螺孔位于中心导向切刀、斜向切刀的相交位置。
8.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述矩形钻孔应力监测计的上盖板的上侧边为斜边。
9.根据权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置，其特征在于：所述上盖板和下盖板通过连接合页连接在一起。
10.利用权利要求1所述的矩形钻孔应力监测装置的监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：
(1) 预打导向钻孔：在拟安装矩形钻孔应力监测计的围岩中的拟定位置采用钻杆打导向钻孔至预定深度；
(2) 打矩形钻孔：采用钻杆将矩形钻头连接至冲击式钻机，进行矩形钻孔的开挖，每钻进30-50 cm来回抽推钻头一次，推出破岩产生的岩屑，直至钻孔开挖至预定深度；
(3) 安装矩形钻孔应力监测计：将矩形钻孔应力监测计放入矩形钻孔，采用钻杆将其推入预定深度；
(4) 监测：读取矩形钻孔应力监测计数字显示仪的初始读数，设定数字显示仪记录间隔，定期采集数字显示仪数据，对比确定相对的应力数值。
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