CN110967130B - 弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程技术领域，公开了弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置及其监测方法，包括可倾斜或者水平插设于地层孔道内的测量杆，测量杆由刚性制得；测量杆的外壁沿长度方向套设有气囊，气囊的两个端头与测量杆接触处密封连接，气囊上设置有充放气口；气囊的内壁安装有多个压电膜片，压电膜片沿气囊的长度方向设置，每个压电膜片的表面均通过导线分别连接至电荷量监测装置，每个电荷监测装置的输出端均连接至计算机。本发明通过将带有气囊和压电膜片的测量杆插入孔道内，然后对气囊进行充气使气囊与孔道内壁接触，通过压电膜片对弱岩爆冲压地层的垂向应力进行实时监测，监测数据准确度高；同时还可在垂向应力超过上限阈值时进行报警。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置及其监测方法。
背景技术
岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象，即在隧洞开挖后，发生的一种带有爆裂声响的岩层开裂，岩片或岩块沿一定方向弹射出或坠落下来。根据发生的规模和剧烈程度岩爆可分为：弱岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和剧烈岩爆。岩爆是深井、矿山、隧道面临的主要安全隐患之一。
现有的对弱岩爆冲压地层的垂向应力监测是采用锚杆进行监测，具体监测过程为观察锚杆在地层中的变形量，然后进行大致的估算弱岩爆冲压地层的垂向应力。这种监测方式精准度差，还不能对弱岩爆冲压地层的垂向应力进行实时监测。
发明内容
基于以上问题，本发明提供弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置及其监测方法，通过将带有气囊和压电膜片的测量杆沿与水平方向呈0-15°的夹角插入孔道内，然后对气囊进行充气使气囊与孔道内壁接触，通过压电膜片对弱岩爆冲压地层的垂向应力进行实时监测，监测数据准确度高。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，包括可倾斜或者水平插设于地层孔道内的测量杆，测量杆由刚性材料制得；测量杆的外壁沿长度方向套设有气囊，气囊的两个端头与测量杆接触处密封连接，气囊上设置有充放气口；气囊的内壁安装有多个压电膜片，压电膜片沿气囊的长度方向设置，每个压电膜片的表面均通过导线分别连接至电荷量监测装置，每个电荷监测装置的输出端均连接至计算机。
进一步地，压电膜片固定于刚性框架内，刚性框架与气囊内壁固定连接，压电膜片与充气后的气囊内部相接触；压电膜片与所述刚性框架之间绝缘连接。
进一步地，气囊内壁沿长度方向设置有两列压电膜片，两列压电膜片对向设置于气囊内壁。
进一步地，测量杆的长度为10-50米，压电膜片在气囊的内壁沿长度方向间隔1-2米布置一个。
进一步地，计算机内还设置有超限报警装置，每个电荷量监测装置均与超限报警装置电性连接，超限报警装置包括控制电路板和蜂鸣报警器，控制电路板用于设置上限阈值并在垂向应力值超过上限阈值时向蜂鸣报警器发出报警控制信号。
进一步地，气囊的外壁可拆卸套设有保护套管。
为解决上述技术问题，本发明还提供了弱岩爆冲压地层垂向应力监测方法，该方法基于弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，包括如下步骤：
S1：根据设计要求，在弱岩爆冲压地层需要进行垂向应力监测的位置进行钻孔，孔道与水平方向之间的夹角为0-15°；
S2：将带有气囊及压电膜片的测量杆插入孔内，然后用气泵通过充放气口对气囊进行充气，使气囊的外壁与孔道内壁接触；
S3：启动电荷量监测装置，开始间隔读取各个电荷量监测装置监测到的对应的压电膜片的电荷量值，并传输至计算机中进行记录，记录的数据包括电荷量值及其相应的监测时刻；
S4：通过计算各个电荷监测装置监测到对应压电膜片的电荷量值，根据计算公式F＝Q/d·cosα，计算出监测时刻各个压电膜片对应测量位置的垂向应力值；其中F为测量点的监测时刻的垂向应力值，Q为监测时刻监测点对应的压电膜片上产生的电荷量，d为压电膜片的压电系数，α为孔道与水平方向之间的夹角。
进一步地，步骤S1中相邻两个孔道之间的水平间隔为1-2米。
进一步地，步骤S2中测量杆在插入孔道内之前预先将测量杆连同气囊一起插入保护套管内，并在对气囊进行充气前拔出保护套管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本本发明通过将带有气囊和压电膜片的测量杆沿与水平方向呈0-15°的夹角插入孔道内，然后对气囊进行充气使气囊与孔道内壁接触，通过压电膜片对弱岩爆冲压地层的垂向应力进行实时监测，监测数据准确度高；同时还可在垂向应力超过上限阈值时进行报警。
附图说明
图1为实施例1和实施例2中弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置的结构示意图；
图2为实施例1和实施例2中测量杆、气囊以及压电膜片的连接示意图；
图3为实施例1和实施例2中测量杆、气囊以及保护套管的结构示意图；
图4为实施例1和实施例2中压电膜片和刚性框架的连接示意图；
其中：1、测量杆；2、气囊；3、充放气口；4、压电膜片；5、电荷量监测装置；6、计算机；7、超限报警装置；8保护套管；9、刚性框架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
参见图1和图2，弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，包括可倾斜或者水平插设于地层孔道内的测量杆1，测量杆1由刚性材料制得；测量杆1的外壁沿长度方向套设有气囊2，气囊2的两个端头与测量杆1接触处密封连接，气囊2上设置有充放气口3；气囊2的内壁安装有多个压电膜片4，压电膜片4沿气囊2的长度方向设置，每个压电膜片4的表面均通过导线分别连接至电荷量监测装置5，每个电荷监测装置的输出端均连接至计算机6。
在本实施例中，压电膜片4是由具有压电特性的材料制得的，如水晶(石英晶体)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂以及压电陶瓷等，这些材料制得的膜片在受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电膜片4两端表面内出现符号相反的束缚电荷。根据正压电效应，当压电膜片4受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；压电膜片4受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。根据上述原理，测量杆1上的气囊2内壁间隔布置多个压电膜片4，气囊2通过充放气口3充气后外壁与孔道接触，地层的垂向应力产生的应变通过气囊2传递至压电膜片4，可以在弱岩爆冲压地层产生变形过程中测量杆1可以随着地层的变形而变形，实现测量杆1对垂向应力的实时测量。当压电膜片4伸入弱岩爆冲压地层并经固定后，在弱岩爆冲压地层垂向应力作用下，会使得测量杆1上各个压电膜片4产生相应的变形，变形过程中，会在压电膜片4的两个表面上分别产生数量相等且极性相反的电荷，其电荷量的大小与垂向应力有函数关系，通过导线将其中一个表面的电荷导出并利用电荷量监测装置5测量电荷值大小，即可推算出对应的垂向应力大小，实现对岩爆冲压地层主地应力垂向应力的实时监测，且监测数据准确度高。
参见图2和图4，压电膜片4固定于刚性框架9内，刚性框架9与气囊2内壁固定连接，压电膜片4与充气后的气囊2内部相接触。通过将压电膜片4固定在刚性框架9内，使气囊2在充气过程中和充气后都不会对压电膜片4产生拉应力，从而保护压电膜片4在气囊2充气过程中或充气后不会产生形变，保证测量的精确度。刚性框架9可通过粘结剂或者带密封结构的螺栓与气囊2固定连接。本实施例中的刚性框架9采用硬质PVC框架或硬质金属框架，采用硬质金属框架时压电膜片4与硬质金属内壁接触处需进行绝缘处理，在固定压电膜片4前对硬质金属框架内壁涂布绝缘涂层即可。
气囊2内壁沿长度方向设置有两列压电膜片4，两列压电膜片4对向设置于气囊2内壁。气囊2插入孔道内时，使两列压电膜片4分别位于孔道内壁的顶部和底部，可实现测量杆1顶部和底部的垂向应力的测量。
测量杆1的长度为10-50米，压电膜片4在气囊2的内壁沿长度方向间隔1-2米布置一个。可以根据不同的测量深度选择不同长度的测量杆，实现对大范围的岩爆冲压地层主地应力垂向应力多点监测。
计算机6内还设置有超限报警装置7，每个电荷量监测装置5均与超限报警装置7电性连接，超限报警装置7包括控制电路板和蜂鸣报警器，控制电路板用于设置上限阈值并在垂向应力值超过上限阈值时向蜂鸣报警器发出报警控制信号。本实施例根据岩爆冲压地层的岩层结构及其存在的冲击、垮落的风险设定报警上限阈值，当控制电路板接收到其中任意一个电荷量监测装置5监测到的电荷量超过设定的报警上限阈值时，控制电路板即向蜂鸣报警器发出报警控制信号，蜂鸣报警器在接收到报警控制信号时，立即发出报警声，提醒相关人员采取应急措施。
参见图3，气囊2的外壁可拆卸套设有保护套管8，可以在将测量杆1及气囊2插入孔道内时，预先将保护套管8套设于气囊2外壁，可以保护气囊2在插入孔道过程中不会被划伤或者刺破。
实施例2：
参见图1、图2和图3，弱岩爆冲压地层垂向应力监测方法，包括如下步骤：
S1：根据设计要求，在弱岩爆冲压地层需要进行垂向应力监测的位置进行钻孔，孔道与水平方向之间的夹角为0-15°；本实施例中相邻两个孔道之间的水平间隔为1-2米，压电膜片4在气囊2内壁延长度方向每间隔1-2米布置一个，可以建立网格化的多点监测点，能够实现对弱岩爆冲压地层主地应力垂向应力监测区域进行网格化监测。后期还可以通过计算机6对弱岩爆冲压地层主地应力垂向应力监测区域的垂向应力动态发展过程进行建模，便于进行科学分析。本实施例中的测量杆1为中空结构，连接至压电膜片4上表面的导线穿入测量杆1的内腔由测量杆1的端头穿出，与电荷量监测装置5电性连接。
S2：将带有气囊2及压电膜片4的测量杆1插入孔内，然后用气泵通过充放气口3对气囊2进行充气，使气囊2的外壁与孔道内壁接触；测量杆1在插入孔道内之前预先将测量杆1连同气囊2一起插入保护套管8内，并在对气囊2进行充气前拔出保护套管8，可以使气囊2在插入孔道过程中不会被划伤或者刺破。
S3：启动电荷量监测装置5，开始间隔读取各个电荷量监测装置5监测到的对应的压电膜片4的电荷量值，并传输至计算机6中进行记录，记录的数据包括电荷量值及其相应的监测时刻；
S4：通过计算各个电荷监测装置监测到对应压电膜片4的电荷量值，根据计算公式F＝Q/d·cosα，计算出监测时刻各个压电膜片4对应测量位置的垂向应力值；其中F为测量点的监测时刻的垂向应力值，Q为监测时刻监测点对应的压电膜片4上产生的电荷量，d为压电膜片4的压电系数，α为孔道与水平方向之间的夹角。
此外，当不再需要进行监测时，将气囊2内的气体放出，然后可以将带有气囊2及压电膜片4的测量杆1回收再利用，节省成本。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，其特征在于：包括可倾斜或者水平插设于地层孔道内的测量杆(1)，所述测量杆(1)由刚性材料制得；所述测量杆(1)的外壁沿长度方向套设有气囊(2)，所述气囊(2)的两个端头与所述测量杆(1)接触处密封连接，所述气囊(2)上设置有充放气口(3)，所述气囊(2)内壁沿长度方向设置有两列压电膜片(4)，两列压电膜片(4)对向设置于气囊(2)内壁；气囊2插入孔道内时，使两列压电膜片(4)分别位于孔道内壁的顶部和底部，所述压电膜片(4)固定于刚性框架(9)内，所述刚性框架(9)与气囊(2)内壁固定连接，所述压电膜片(4)与充气后的气囊(2)内部相接触；所述压电膜片(4)与所述刚性框架(9)之间绝缘连接；每个所述压电膜片(4)的表面均通过导线分别连接至电荷量监测装置(5)，每个所述电荷监测装置的输出端均连接至计算机(6)。
2.根据权利要求1所述的弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，其特征在于：所述测量杆(1)的长度为10-50米，所述压电膜片(4)在所述气囊(2)的内壁沿长度方向间隔1-2米布置一个。
3.根据权利要求1所述的弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，其特征在于：所述计算机(6)内还设置有超限报警装置(7)，每个所述电荷量监测装置(5)均与超限报警装置(7)电性连接，所述超限报警装置(7)包括控制电路板和蜂鸣报警器，所述控制电路板用于设置上限阈值并在垂向应力值超过上限阈值时向蜂鸣报警器发出报警控制信号。
4.根据权利要求1所述的弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，其特征在于：所述气囊(2)的外壁可拆卸套设有保护套管(8)。
5.弱岩爆冲压地层垂向应力监测方法，该方法基于权利要求1-4任意一项所述的弱岩爆冲压地层垂向应力监测装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据设计要求，在弱岩爆冲压地层需要进行垂向应力监测的位置进行钻孔，孔道与水平方向之间的夹角为0-15°；
S2：将带有气囊(2)及压电膜片(4)的测量杆(1)插入孔内，然后用气泵通过充放气口(3)对气囊(2)进行充气，使气囊(2)的外壁与孔道内壁接触；
S3：启动电荷量监测装置(5)，开始间隔读取各个电荷量监测装置(5)监测到的对应的压电膜片(4)的电荷量值，并传输至计算机(6)中进行记录，记录的数据包括电荷量值及其相应的监测时刻；
S4：通过计算各个电荷监测装置监测到对应压电膜片(4)的电荷量值，根据计算公式F=Q/d∙cosα，计算出监测时刻各个压电膜片(4)对应测量位置的垂向应力值；其中F为测量点的监测时刻的垂向应力值，Q为监测时刻监测点对应的压电膜片(4)上产生的电荷量，d为压电膜片(4)的压电系数，α为孔道与水平方向之间的夹角。
6.根据权利要求5所述的弱岩爆冲压地层垂向应力监测方法，其特征在于：步骤S1中相邻两个孔道之间的水平间隔为1-2米。
7.根据权利要求5所述的弱岩爆冲压地层垂向应力监测方法，其特征在于：步骤S2中测量杆(1)在插入孔道内之前预先将测量杆(1)连同气囊(2)一起插入保护套管(8)内，并在对气囊(2)进行充气前拔出保护套管(8)。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测;刘建忠;《山西建筑》;20120531;第38卷(第14期);第166-167页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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