CN109029235A - 一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器及监测使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，包括保护机构、膨胀机构和变形测量机构，保护机构包第一壳体和套在第一壳体外的第二壳体；膨胀机构包括探杆、套管和传动组件，探杆穿过第二壳体的一端并且与第二壳体另一端的内端壁相连，套管位于第一壳体内并且套在探杆上，套管上连有拉杆，拉杆穿过第二壳体；变形测量机构包括外部测杆、应变测杆和测量基座，套管通过传动组件与测量基座相连，应变测杆的一端与测量基座相连，应变测杆的另一端与外部测杆相连，应变测杆上连有应变片，本发明还公开了上述机械膨胀式孔壁变形传感器的监测使用方法，该变形传感器结构简单新颖，测量使用方便，成本低。

Description

一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器及监测使用方法

技术领域

本发明涉及矿山压力监测领域，具体涉及一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器及监测使用方法。

背景技术

在煤矿开采中，巷道两帮煤体内部应力是矿压监测的重要内容，对煤体应力集中程度的分析评价、冲击地压等动力灾害的预警具有重要的意义。现阶段，煤矿一般采用钻孔应力计监测煤岩体内部应力，直接监测数据为煤体对钻孔应力计的荷载。对于相对较完整的煤体，在围岩局部应力作用下煤体可对钻孔应力计产生较大的荷载作用，监测数据较准确。当巷道煤体较破碎时，钻孔附近破碎煤体内部应力相对较低，对钻孔应力计的荷载相对较小，监测数据变化很小或几乎无变化，无法准确评价巷道帮部煤体应力大小。相比于应力，破碎煤体中钻孔孔壁变形较大，更容易监测，而钻孔变形与煤体内部应力具有直接相关性，因此，可通过监测煤体变形反演煤体应力。“一种岩土地质体钻孔变形测试装置及其测试方法”(申请号CN201710841566.0)公开了一种钻孔变形测试装置，可对钻孔孔壁多个方向的变形进行监测，但在裂隙较多的煤体中，定位螺丝易插入裂隙中，所测变形无数据变化或存在较大误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，该传感器结构简单，测量使用方便，成本低。

本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：

一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，包括保护机构、膨胀机构和变形测量机构，保护机构包第一壳体和套在第一壳体外的第二壳体，第一壳体上开设有第一通孔，第二壳体上开设有第二通孔；

膨胀机构包括探杆、套管和传动组件，探杆穿过第二壳体的一端并且与第二壳体另一端的内端壁相连，套管位于第一壳体内并且套在探杆上，套管上连有拉杆，拉杆穿过第二壳体，传动组件穿过第一通孔；

变形测量机构包括外部测杆、应变测杆和测量基座，应变测杆和测量基座位于第二壳体和第一壳体之间，套管通过传动组件与测量基座相连，应变测杆的一端与测量基座相连，应变测杆的另一端与外部测杆相连，应变测杆上连有应变片。

优选的，所述套管呈圆管状，传动组件包括第一传动连杆、第二传动连杆和第一滚轴，第一滚轴有多个并且均布在第一通孔内。

优选的，所述套管呈棱台状，传动组件包括第三传动连杆、第二滚轴和第三滚轴，第二滚轴有多个并且均布在第一通孔内。

优选的，所述第一传动连杆位于第一壳体内，第二传动连杆穿过第一通孔并且与第一滚轴相接；第一传动连杆的一端通过转轴与套管的外壁转动连接，第一传动连杆的另一端与第二传动连杆的一端转动连接，第二传动连杆的另一端与测量基座的侧壁固连。

优选的，所述第三传动杆穿过第一通孔并且与第二滚轴相接，第三传动杆的一端连接多个第三滚轴，第三传动杆通过第三滚轴与套管外壁相接，第三传动杆的另一端与测量基座的侧壁固连。

优选的，所述外部测杆包括外杆部和内杆部，内杆部垂直连接在外杆部的内端壁上，内杆部穿过第二通孔与应变测杆垂直连接。

优选的，所述应变片为电阻应变片，每个应变测杆连接两个应变片，两个应变片分别粘连在应变测杆的上表面和下表面。

优选的，所述探杆上连接有第一限位环和第二限位环，第一限位环套接在套管上端的探杆上，第二限位环套接在套管下端的探杆上。

本发明的另一目的是提供一种利用上述机械膨胀式孔壁变形传感器的监测方法。

本发明为了实现上述目的，采用的技术方案是：

机械膨胀式孔壁变形传感器的监测方法，具体包括以下步骤：

第一步，首先前推套管，使变形传感器处于最小装填体积；

第二步，用钻杆将变形传感器推入煤体的钻孔的深部，在推动过程中，避免传感器转动，保证有两对外部测杆竖直和水平放置，同时记录每一个测杆的方位角度；

第三步，应变片连接数据采集系统，通过拉杆后拉套管，使变形传感器膨胀，此时观察每一个应变测杆上应变片的数据，当各个应变片都有明显读数后，固定套管；

第四步，实时监测各应变测杆上应变片的数据，根据数据变化分析煤体内部应力增加方位，采用理论公式反演煤体应力相对变化值；

第五步，当某一测点报废后，前推套管，然后取出变形传感器。

本发明的有益效果是：

上述用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，相比于刚性弹性元件直接测量煤体应力，柔性弹性元件对破碎煤体变形的敏感性更大，更易获得精确的煤体变形值，从而反演煤体应力。本发明中的外部测杆可以与钻孔内壁较大面积煤体接触，避免了点接触引起的数据误差。本发明变形传感器，可监测多个不同方位的煤体应变，从而获得更加准确的煤体应力值及应力增加方位，提高煤体应力监测的全面性。上述变形传感器采用了基本的应变测量原理，结构简单，使用方便，成本低。

附图说明

图1是实施例1中的用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器的正视结构剖视示意图。

图2是实施例1中的用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器的俯视结构剖视示意图。

图3是变形测量机构连接结构示意图。

图4是实施例2中的用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器的正视结构剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

结合图1至图4，一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，包括保护机构1、膨胀机构2和变形测量机构3，保护机构1包第一壳体11和套在第一壳体11外的第二壳体12，第一壳体11上开设有第一通孔111，第二壳体12上开设有第二通孔121。

膨胀机构2包括探杆21、套管22和传动组件23，探杆21穿过第二壳体12的一端并且与第二壳体12另一端的内端壁相连。套管22位于第一壳体11内并且套在探杆21上，套管22上连有拉杆24，拉杆24穿过第二壳体12，传动组件23穿过第一通孔111。

变形测量机构3包括外部测杆31、应变测杆32和测量基座33，应变测杆32和测量基座33位于第二壳体12和第一壳体11之间，套管22通过传动组件23与测量基座33相连，应变测杆32的一端与测量基座33相连，应变测杆32的另一端与外部测杆31相连，应变测杆32上连有应变片34。

本发明中，第一壳体11和第二壳体12均呈圆柱状，第一通孔111和第二通孔121均有多个，多个第一通孔111均布在第一壳体11的下部的外壁上，多个第二通孔121均布在第二壳体12的上部外壁上，每个第二通孔121内连接有一个外部测杆31，每个外部测杆31连接一个应变测杆32。

外部测杆31包括外杆部311和内杆部312，内杆部312垂直连接在外杆部311的内端壁上，内杆部312穿过第二通孔121与应变测杆32垂直连接。本发明中的应变片34为电阻应变片，每个应变测杆32连接两个应变片34，两个应变片34分别粘连在应变测杆32的上表面和下表面。

探杆21呈圆杆状，探杆21上连接有第一限位环211和第二限位环212，第一限位环211套接在套管22上端的探杆21上，第二限位环212套接在套管22下端的探杆21上。

对于套管22和传动组件23相连接的结构，有不同的结构实施例。

实施例1，当套管22呈圆管状时。传动组件23包括第一传动连杆41、第二传动连杆42和第一滚轴43，第一滚轴43有多个并且均布在第一通孔111内。第一传动连杆41位于第一壳体11内，第二传动连杆42穿过第一通孔111并且与第一滚轴43相接。第一传动连杆41的一端通过转轴与套管22的外壁转动连接，第一传动连杆41的另一端与第二传动连杆42的一端转动连接，第二传动连杆42的另一端与测量基座33的侧壁固连。

实施例2，当套管22呈棱台状时。传动组件23包括第三传动连杆51、第二滚轴52和第三滚轴53，第二滚轴52有多个并且均布在第一通孔111内。第三传动杆51穿过第一通孔111并且与第二滚轴52相接，第三传动杆51的一端的端壁上连接多个第三滚轴53，第三传动杆51通过第三滚轴53与套管22外壁相接，第三传动杆51的另一端与测量基座33的侧壁固连。

上述用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器的监测使用方法，具体包括以下步骤：

第一步，首先前推套管22，使变形传感器处于最小装填体积；

第二步，用钻杆将变形传感器推入煤体的钻孔的深部。注意在推动过程中，避免传感器转动，保证有两对外部测杆31竖直和水平放置，同时记录每一个测杆的方位角度；

第三步，应变片34连接数据采集系统，通过拉杆24后拉套管22，使变形传感器膨胀，此时观察每一个应变测杆32上应变片34的数据，当各个应变片34都有明显读数后，固定套管22；

第四步，实时监测各应变测杆32上应变片34的数据，根据数据变化分析煤体内部应力增加方位，采用理论公式反演煤体应力相对变化值；

第五步，当某一测点报废后，前推套管22，然后取出变形传感器。

上述用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，相比于刚性弹性元件直接测量煤体应力，柔性弹性元件对破碎煤体变形的敏感性更大，更易获得精确的煤体变形值，从而反演煤体应力。本发明中的外部测杆31可以与钻孔内壁较大面积煤体接触，避免了点接触引起的数据误差。本发明变形传感器，可监测多个不同方位的煤体应变，从而获得更加准确的煤体应力值及应力增加方位，提高煤体应力监测的全面性。上述变形传感器采用了基本的应变测量原理，结构简单，使用方便，成本低。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，包括保护机构、膨胀机构和变形测量机构，保护机构包第一壳体和套在第一壳体外的第二壳体，第一壳体上开设有第一通孔，第二壳体上开设有第二通孔；

膨胀机构包括探杆、套管和传动组件，探杆穿过第二壳体的一端并且与第二壳体另一端的内端壁相连，套管位于第一壳体内并且套在探杆上，套管上连有拉杆，拉杆穿过第二壳体，传动组件穿过第一通孔；

变形测量机构包括外部测杆、应变测杆和测量基座，应变测杆和测量基座位于第二壳体和第一壳体之间，套管通过传动组件与测量基座相连，应变测杆的一端与测量基座相连，应变测杆的另一端与外部测杆相连，应变测杆上连有应变片。

2.根据权利要求1所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，所述套管呈圆管状，传动组件包括第一传动连杆、第二传动连杆和第一滚轴，第一滚轴有多个并且均布在第一通孔内。

3.根据权利要求1所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，所述套管呈棱台状，传动组件包括第三传动连杆、第二滚轴和第三滚轴，第二滚轴有多个并且均布在第一通孔内。

4.根据权利要求2所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，所述第一传动连杆位于第一壳体内，第二传动连杆穿过第一通孔并且与第一滚轴相接；第一传动连杆的一端通过转轴与套管的外壁转动连接，第一传动连杆的另一端与第二传动连杆的一端转动连接，第二传动连杆的另一端与测量基座的侧壁固连。

5.根据权利要求3所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，所述第三传动杆穿过第一通孔并且与第二滚轴相接，第三传动杆的一端连接多个第三滚轴，第三传动杆通过第三滚轴与套管外壁相接，第三传动杆的另一端与测量基座的侧壁固连。

6.根据权利要求1所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，所述外部测杆包括外杆部和内杆部，内杆部垂直连接在外杆部的内端壁上，内杆部穿过第二通孔与应变测杆垂直连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，所述应变片为电阻应变片，每个应变测杆连接两个应变片，两个应变片分别粘连在应变测杆的上表面和下表面。

8.根据权利要求1所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，其特征在于，所述探杆上连接有第一限位环和第二限位环，第一限位环套接在套管上端的探杆上，第二限位环套接在套管下端的探杆上。

9.监测使用方法，其特征在于，采用权利要求4至8所述的一种用于钻孔的机械膨胀式孔壁变形传感器，具体包括以下步骤：

第一步，首先前推套管，使变形传感器处于最小装填体积；

第二步，用钻杆将变形传感器推入煤体的钻孔的深部，在推动过程中，避免传感器转动，保证有两对外部测杆竖直和水平放置，同时记录每一个测杆的方位角度；

第三步，应变片连接数据采集系统，通过拉杆后拉套管，使变形传感器膨胀，此时观察每一个应变测杆上应变片的数据，当各个应变片都有明显读数后，固定套管；

第四步，实时监测各应变测杆上应变片的数据，根据数据变化分析煤体内部应力增加方位，采用理论公式反演煤体应力相对变化值；

第五步，当某一测点报废后，前推套管，然后取出变形传感器。