CN109441426A - 一种钻孔应力定向监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种钻孔应力定向监测装置及方法。装置由应力力数据采集仪，导线，应力传感器，方向控制装置构成。方向控制装置由可分离式圆锥钻头，吹风清灰套管，定向推进注浆管，水平仪，开孔量角器共同组成；通过水平仪和开孔量角器确定应力测试方向，通过方向控制装置保持应力力传感器在推进到钻孔内的过程中方向不发生改变，进而准确测量出煤巷内钻孔应力的方向和大小。结构及方法简单，易于现场操作，能实时监测钻孔应力大小的动态变化，从而实现对钻孔应力的实时测试、评价。

Description

一种钻孔应力定向监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定岩体钻孔应力的装置，特别是一种准确定位钻孔应力计的定向监测装置及方法。

背景技术

在21世纪的时代，浅部煤炭资源进入开采的末段，国内外对矿产的开采逐渐转向深部开采，千米深矿井开始变得十分常见。随着开采深度的不断增加，开采规模的不断加大，地应力的变化规律越来越复杂，尤其在深部采挖过程中会引起应力重分布,对煤矿安全生产产生巨大影响，因此只有准确实时的监测采动动压变化规律，对采场冲击地压进行有效的初期预测和趋势分析，才能更加合理的选择支护形式，保证采掘安全高效的进行。

目前我国的深部开采基础理论研究尚处于发展阶段，专门针对深部资源的基础理论并未完全建立，对深部开采活动的指导不够完善，深部岩石力学以及采矿科学理论的创新发展迫在眉睫。进入深部开采后，地应力水平不断增加，在承受高地应力的同时，大多数巷道要经受极大的回采空间引起的强烈支承应力作用，使受采动影响的巷道围岩应力数倍、甚至近十倍于原岩应力，使得深部围岩出现大变形，同时深部开采也会产生强烈的卸荷作用，对巷道产生强扰动，加大支护难度，因此深部地应力的有效监测对开展深部开采理论具有重大生产意义。目前，钻孔应力计是监测煤层采场应力变化的有效手段，但是由于煤巷中的钻孔是使用长度较短的钻杆钻出，钻孔路径曲折，煤灰较多，而且深部煤层的钻孔受深部高应力强扰动的影响，钻孔在成孔后易形成塌孔。传统的钻孔应力计在向内推送时，无法控制应力传感器的方向，无法准确测出指定方向的钻孔应力。基于此背景，准确的定位钻孔应力计的方向，可以更好的指导支护的设置方式，保证采掘高效安全的进行。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对煤巷中测量钻孔应力存在的实际问题，提出的一种低成本，操作简单，钻孔应力定向监测装置。

技术方案：本发明的钻孔应力定向监测装置，包括应力数据采集仪，导线，应力传感器，吹风清灰定位套管，定向推进注浆管，水平仪，开孔量角器，鼓风机，压力注浆机；应力传感器通过导线与应力数据采集仪相连，首节定向推进注浆管前端与应力传感器尾部刚性连接，方向定位装置由应力传感器，吹风清灰定位套管，定向推进注浆管，水平仪，开孔量角器共同组成。

所述的应力数据采集仪有4个通道，可以同时采集4个传感器的数据，采集的数据可通过USB数据储存器实时储存数据，也可通过标准信号输出接口与已有的KJ煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面。

所述的应力传感器为圆柱形，前端设有尖头便于推送入钻孔，直径为40～50mm，长度为200～300mm；

所述的吹风清灰套管包括PVC管和PVC管两端的快速接头；首节PVC管前端开有通风槽，末节尾部与吹风机相连接；

所述的PVC管外径为55mm，内径为50mm，单节长度为2000mm，首节前端装有可分离式圆锥钻头，便于将套管推送入钻孔；所述的PVC管在满足一定强度的基础上具有一定的柔韧度，能够满足钻孔在走向上的较小曲折变化，同时，PVC管两端安装快速接头便于多根PVC管间的连接；

所述的定向推进注浆管包括PVC管和PVC管两端快速接头；首节PVC管前端与钻孔应力计尾部刚性连接，除末节PVC管，其余PVC管沿管壁设有应力阀值为2MPa的注浆孔，末节PVC管仅设有注浆囊袋且尾部与压力注浆机相连接；

所述的PVC管管直径为32mm，壁厚为3mm，单节长度为2000mm；每节PVC管上的红色标识线与钻孔应力计监测方向相对应，节节相连成一条直线后，推进钻孔应力计沿着吹风清灰套管管内到达指定位置；所述的PVC管和PVC管两端快速接头应具有一定的刚度和抗扭强度，能够满足在推送钻孔应力计的过程中不发生扭转；

所述的开孔量角器为钻有与定向推进注浆管尾部直径大小相匹配的圆孔的金属量角器，用来量测钻孔应力计所需监测的方向角度。

本发明的钻孔应力定向监测装置的测试方法，包括如下步骤：

a.选择钻孔地点，施工本煤层钻孔；

b.将吹风清灰套管逐节连接尾部连接吹风机推入钻孔中到达预定位置，防止因为煤层力学性质较差导致堵塞钻孔；

c.将每节定向推进注浆管上的红色标识线与钻孔应力计监测方向相对应，使其节节相连成一条直线后，推进钻孔应力计沿着吹风清灰套管管内到达指定位置；

d.通过水平仪和开孔量角器的量测，旋转推进注浆管尾端红色标识线到指定角度，使应力传感器上的应力感应区处在规定的方向；

e.逐节抽出吹风套管，套管顶部的可分离式圆锥钻头在吹风套管抽出时与套管分离

f.待吹风套管全部抽出后，注浆机连接定向推进注浆管对钻孔全段进行注浆直至钻孔应力计出现读数，且读数处于稳定不再发生明显变化时即停止注浆；

g.将数据采集仪与各管线相连接后将应力数据采集仪清零，之后采集应力数据仪上的数据实时监测煤层应力状态，选择相应的支护形式。

其优点在于：

(1)通过测试方向控制装置，克服了传统应力传感器无法控制应力测试方向的弊端，进而更加有效的指导煤巷支护实践；

(2)装有可分离式圆锥钻头的吹风清灰套管的使用，对孔壁有一定的支撑作用，有效的阻止了钻孔后因煤层的力学性质较差引起的钻孔的垮塌；

(3)通过沿着吹风清灰套管内部将钻孔应力计推进到预定位置后，并通过定向推进注浆管注浆填满煤壁与钻孔应力计应变片之间的空隙，降低了在推进过程中应变计外壳与应变片之间的空隙被较大煤块阻塞使得钻孔应力计失效的可能性。

(4)数据采集仪采用4通道，节约了采集仪个数，降低了装置的制造成本；

(5)数据采集仪可以通过USB接口实时储存数据和通过标准信号输出接口与KJ煤矿安全监测系统相连，使工作人员能够在井上即可监测钻孔应力，当数据传输出现故障时，可以调用USB实时储存的数据，不至出现监测盲区；

(6)结构简单，制造成本低，操作方便，可靠性高。

附图说明

图1是本发明钻孔应力定向监测装置的平面结构示意图。

图2是本发明钻孔应力定向监测装置的轴向剖面结构示意图。

图3为图1中前端设有吹风口的吹风清灰套管首节的主视图。

图4为图1中定向推进注浆管的主视图。

图5为图1中末节装有注浆囊袋的定向推进注浆管的主视图。

图6为图1中可分离式圆锥钻头。

图1中，1、可分离式圆锥钻头；2、吹风清灰套管；3、应力传感器；4、定向推进注浆管；5、导线；6、鼓风机；7、注浆机；8、应力数据采集仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个具体实例进行进一步描述：

实施例1：该测试装置，包括1、可分离式圆锥钻头；2、吹风清灰套管；3、应力传感器；4、定向推进注浆管；5、导线；6、鼓风机；7、注浆机；8、应力数据采集仪。应力传感器3通过导线5与应力数据采集仪8相连，方向控制装置由由应力传感器3，吹风清灰定位套管2，定向推进注浆管4，水平仪，开孔量角器共同组成。

所述的方向定位装置，包括吹风清灰套管2，定向推进注浆管4，水平仪，开孔量角器；在吹风清灰套管顶端2到达钻孔应力计所需位置时，将每节定向推进注浆管上的红色标识线与钻孔应力计监测方向相对应，使其节节相连成一条直线后，推进钻孔应力计沿着吹风清灰套管管内到达指定位置，再通过水平仪和开孔量角器调整所需角度，使应力传感器3上的应力感应区处在规定的方向，逐接抽出吹风清灰套管2，套管顶部的可分离式圆锥钻头1在吹风清灰套管3抽出时与套管分离，使应力传感器3上的应力感应区处在规定的方向；

所述的应力传感器3为圆柱形，前端设有尖头便于推送入钻孔，直径为40～50mm，长度为200～300 mm；

所述的应力数据采集仪8有4个通道，可以同时采集4个传感器的数据，采集的数据可通过USB数据储存器实时储存数据，也可通过标准信号输出接口与已有的KJ煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面。

本发明的钻孔应力监测方法，包括如下步骤：

a.选择钻孔地点，施工本煤层钻孔；

b.将吹风清灰套管2逐节连接尾部连接鼓风机6推入钻孔中到达预定位置，防止因煤层力学性质较差导致堵塞钻孔；

c.将每节定向推进注浆管4上的红色标识线与钻孔应力计监测方向相对应，使其节节相连成一条直线后，推进钻孔应力计沿着吹风清灰套管2管内到达指定位置；

d.通过水平仪和开孔量角器的量测，旋转定向推进注浆管4尾端红色标识线到指定角度，使应力传感器3上的应力感应区处在规定的方向；

e.逐节抽出吹风清灰套管2，套管顶部的可分离式圆锥钻头1在吹风清灰套管抽出时与套管分离

f.待吹风清灰套管2全部抽出后，注浆机7连接定向推进注浆管4尾端对钻孔全段进行注浆直至应力传感器3出现读数，且读数处于稳定不再发生明显变化时即停止注浆；

g.将应力数据数据采集仪8与各管线相连接后将应力数据采集仪8清零，之后采集应力数据仪上的数据实时监测煤层应力状态，选择相应的支护形式。

本发明的钻孔应力测试装置，主要包括应力数据采集仪8，导线5，应力传感器2，方向定位装置。压力数据采集仪8有4个通道，可以同时采集4个传感器的数据，采集的数据可通过USB数据储存器实时储存数据，也可通过标准信号输出接口与已有的KJ煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面。导线5的长度应大于测试深度。应力传感器3为圆柱形，直径为40～50mm，长度为200～300mm前端设有尖头方便沿着吹风清灰套管2推送到达指定位置，。方向定位装置包括吹风清灰套管2，定向推进注浆管 4，水平仪，开孔量角器。所述的吹风清灰套管2的PVC管在满足具有一定强度的基础上应具有一定的柔韧度，能够满足钻孔在走向上点的较小曲折变化，同时PVC管两端安装快速接头便于多根PVC管的连接；所述的定向推进注浆管4的PVC管应具有一定的刚度和抗扭强度，同时PVC管两端安装快速接头便于多根PVC管的连接，接头连接处也应具有一定的刚度和抗扭强度，能够满足在推送钻孔应力计的过程中不发生扭转。

本发明的钻孔应力测试方法，首先，在本煤层中施工30m的钻孔应力测试孔，同时将可分离式圆锥钻头1 与吹风清灰套管2首节端部连接，在本煤层钻孔施工完成后，将端部装有可分离式圆锥钻头1的吹风清灰套管2向钻孔内推进，在遇到钻孔内较多煤灰堆积时，连接鼓风机6将孔内煤灰吹出继续推进，逐节连接吹风清灰套管2推进到达指定位置，将应力传感器3尾部与首节定向推进注浆管4首节顶部刚性连接后，将每节定向推进注浆管4上的红色标识线与钻孔应力计监测方向相对应，利用快速接头节节相连共15节连成一条直线后，推进应力传感器3沿着吹风清灰套管2管内到达指定位置，再通过水平仪和开孔量角器调整所需角度，使应力传感器上的应力感应区处在规定的方向，之后抵住定向推进注浆管4尾部，逐接抽出吹风套管2，套管顶部的可分离式圆锥钻头1在吹风清灰套管2抽出时与套管分离，待吹风清灰套管2 全部抽出后，注浆机连接定向推进注浆管对钻孔全段进行注浆直至钻孔应力计出现读数，且读数处于稳定不再发生巨大变化即停止注浆并将应力数据采集仪清零，最后，将数据采集仪8与各管线连接起来，记下钻孔应力计出厂编号，初始读数以及安装深度。

Claims (8)

1.一种钻孔应力定向监测装置，其特征是：该装置包括压力数据采集仪，导线，压力传感器，吹风清灰套管，定向推进注浆管，水平仪，开孔量角器,鼓风机，注浆机；压力传感器通过导线与压力数据采集仪相连，吹风机与吹风清灰套管尾端相连，注浆机与定向推进注浆管尾端相连，定向推进注浆管前端与压力传感器尾部刚性连接固定。

2.根据权利1所述的钻孔应力定向监测装置，其特征是：所述的压力数据采集仪有4个通道，可以同时采集4个传感器的数据，采集的数据可通过USB数据储存器实时储存数据，也可通过标准信号输出接口与已有的KJ煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面。

3.根据权利1所述的钻孔应力定向监测装置，其特征是：所述的压力传感器为圆柱形，前端设有尖头便于推送入钻孔，直径为40～50mm，长度为200～300mm。

4.根据权利1所述的钻孔应力定向监测装置，其特征是：所述的吹风清灰套管为PVC圆管，套管内径为50mm，外径为55mm，单节长度为2000mm，首节套管前端开有通风槽，便于将煤粉吹开且顶部装有可分离式圆锥钻头，便于将套管推送入钻孔，末节套管与吹风机相连。

5.根据权利4所述的钻孔应力定向监测装置，其特征是：所述的PVC管在满足具有一定强度的基础上应具有一定的柔韧度，能够满足钻孔在走向上点的较小曲折变化，同时PVC管两端安装快速接头便于多根PVC管的连接。

6.根据权利1所述的钻孔应力定向监测装置，其特征是：所述的定向推进注浆管为PVC圆管，圆管直径为32mm，壁厚为3mm，单节长度为2000mm，PVC管两端安装快速接头便于多根PVC管的连接，每节定向推进注浆管上的红色标识线与钻孔应力计监测方向相对应，节节相连成一条直线后，推进钻孔应力计沿着吹风清灰套管管内到达指定位置，再通过水平仪和开孔量角器调整所需角度，使应力传感器上的应力感应区处在规定的方向。且沿注浆管管壁设有应力阀值为2MPa的注浆孔，首节注浆管顶部与压力传感器尾部刚性连接，末节注浆管管壁仅设有注浆囊袋，不设注浆孔。

7.根据权利6，所述的钻孔应力定向监测装置，其特征是：所述的PVC管应具有一定的刚度和抗扭强度，同时PVC管两端安装快速接头便于多根PVC管的连接，接头连接处也应具有一定的刚度和抗扭强度，能够满足在推送钻孔应力计的过程中不发生扭转。

8.一种钻孔应力定向监测装置，其特征是：包括如下步骤

a.选择钻孔地点，施工本煤层钻孔；

b.将吹风清灰套管2逐节连接尾部连接鼓风机6推入钻孔中到达预定位置，防止因煤层力学性质较差导致堵塞钻孔；

c.将每节定向推进注浆管4上的红色标识线与钻孔应力计监测方向相对应，使其节节相连成一条直线后，推进钻孔应力计沿着吹风清灰套管2管内到达指定位置；

d.通过水平仪和开孔量角器的量测，旋转定向推进注浆管4尾端红色标识线到指定角度，使应力传感器3上的应力感应区处在规定的方向；

e.逐节抽出吹风清灰套管2，套管顶部的可分离式圆锥钻头1在吹风清灰套管抽出时与套管分离

f.待吹风清灰套管2全部抽出后，注浆机7连接定向推进注浆管4尾端对钻孔全段进行注浆直至应力传感器3出现读数，且读数处于稳定不再发生明显变化时即停止注浆；

g.将应力数据数据采集仪8与各管线相连接后将应力数据采集仪8清零，之后采集应力数据仪上的数据实时监测煤层应力状态，选择相应的支护形式。