CN111691920A - 一种煤矿冲击地压应力安全监测系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿冲击地压应力安全监测系统及使用方法，包括水平应力传感器，水平应力传感器通过双向连接阀块连接垂直应力传感器，水平应力传感器和垂直应力传感器分别通过钢管Ⅰ和钢管Ⅱ连接三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ，三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ的另一端连接钻孔应力采集器的通道接口，三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ的进油锁紧锥阀Ⅰ和进油锁紧锥阀Ⅱ分别通过手动油泵出油胶管连接在手动油泵的出油孔上；钻孔应力采集器通过钻孔应力采集器上的天线无线连接压力检测子站，压力检测子站经数据采集分站实时传输至地面监控室。该监测系统反映煤层应力变化敏感度高，冲击显现前及显现过程中应力变化明显，可以为冲击地压危险预测提供准确监测数据，还可及时报警。
Description
技术领域
本发明涉及一种冲击地压应力监测系统，特别涉及一种煤矿冲击地压应力安全监测系统及使用方法。
背景技术
冲击地压是矿山井巷和采场周围煤岩体，在采掘扰动作用下，由于弹性变形能的突然释放而产生剧烈破坏的动力灾害，本质上是大量弹性能突然释放导致的。因此作为保障安全开采的重要手段，对冲击地压的监测预警意义重大。
目前煤矿常用的冲击地压监测预警系统主要包括应力在线监测系统和微震监测系统两大类。这些系统对冲击地压的监测预警发挥了重要作用，但是也存在很多问题。
采动应力是由地下采掘工程引起的原岩应力重新分布的结果。目前对煤岩体采动应力的监测主要采用Φ38mm的液压枕式钻孔应力传感器，应力在线监测系统在实际应用中存在以下问题：
（1）钻孔应力传感器膨胀性能差，能够承受的初始应力（或初承力）较低，一般为3.0～6.0MPa，与煤岩体实际承受应力相差较大；
（2）钻孔应力传感器只能用于Φ42～45mm的小直径钻孔，与煤岩体不能良好耦合，无法准确反映应力变化；
（3）钻孔应力传感器只能接受一个方向的应力，而实际上煤岩体内部应力呈现为垂直和水平两个方向，我国已故著名地质学家李四光就指出：“在构造应力影响的地壳上层的一定厚度内，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”，国外哈斯特（N.Hast）在斯堪的纳维亚半岛对地应力的测量也表明，最大水平主应力一般为垂直应力的1～2倍,即F1max=1～2F2max。
因而现有的钻孔应力计反映煤层应力变化敏感度低，冲击显现前及显现过程中应力变化不明显，无法为冲击地压危险预测提供准确监测数据。
如何准确测得煤岩体的应力大小，主要取决于煤岩体的变形能力，传感器与煤岩体是否良好耦合。如果在钻孔后、安装好传感器前，煤岩体已经快速变形并达到平衡，或者钻孔周围煤岩体变形能力很小，则传感器与煤岩体不能良好耦合，就无法比较准确地反映真实地应力的大小。因此开发膨胀变形能力大，初承力大或承受膨胀能力大，能够监测比初承力小的压力传感器是非常必要的。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种煤矿冲击地压应力安全监测系统及使用方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，包括水平应力传感器，所述水平应力传感器通过双向连接阀块连接垂直应力传感器，所述水平应力传感器和垂直应力传感器分别通过钢管Ⅰ和钢管Ⅱ连接三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ，三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ的另一端分别连接钻孔应力采集器的水平和垂直应力通道接口，所述三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ的进油锁紧锥阀Ⅰ和进油锁紧锥阀Ⅱ分别通过手动油泵出油胶管连接在手动油泵的出油孔上；所述钻孔应力采集器通过钻孔应力采集器上的天线无线连接压力检测子站，压力检测子站经数据采集分站实时传输至地面监控室。
进一步地，所述水平应力传感器包括油囊Ⅰ，油囊Ⅰ的两侧分别设置左包裹体Ⅰ和右包裹体Ⅱ。
进一步地，所述垂直应力传感器包括油囊Ⅱ，油囊Ⅱ的两侧分别设置上包裹体Ⅰ和下包裹体Ⅰ。
进一步地，所述钢管Ⅰ的一端焊接在双向连接阀块上，与水平应力传感器的油囊Ⅰ连通，所述钢管Ⅱ的一端焊接在垂直应力传感器的油囊Ⅱ进油口处。
进一步地，所述钢管Ⅰ和钢管Ⅱ的另一端分别焊接母接头，然后通过U形销连接在三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ上。
进一步地，所述手动油泵包括手动油泵手柄和出油锁紧手轮。
进一步地，所述钻孔应力采集器包括A/D转换电路，所述A/D转换电路连接单片机，单片机连接报警显示模块、无线数传模块、数值显示模块。
本发明还提供了一种煤矿冲击地压应力安全监测系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：制定监测方案，根据煤矿地质条件和工作面设计参数，确定监测位置和钻孔的深度，根据钻孔深度确定钢管Ⅰ和钢管Ⅱ的长度L；
步骤二：使用煤岩钻头在所需监测巷道的煤壁上钻出钻孔；
步骤三：用推送杆将垂直应力传感器和水平应力传感器送至所需安装深度，然后按下、抬起手动油泵手柄，使水平应力传感器的油囊Ⅰ膨胀顶起左包裹体Ⅰ和右包裹体Ⅰ，使之与煤层充分接触、耦合，打好后锁紧对应三通阀Ⅰ的进油锁紧锥阀Ⅰ；
步骤四：解下手动油泵出油胶管，将手动油泵出油胶管通过相应的三通阀Ⅱ与钻孔应力采集器连接的垂直应力传感器连通，再给垂直应力传感器打压，按下、抬起手动油泵手柄，使垂直应力传感器的油囊Ⅱ膨胀顶起上包裹体Ⅰ和下包裹体Ⅰ与煤层充分接触、耦合，打好后锁紧对应三通阀Ⅱ的进油锁紧锥阀Ⅱ；
步骤五：松开手动油泵的出油锁紧手轮，这时油囊Ⅰ和油囊Ⅱ封闭；
步骤六：钻孔应力采集器采集油囊Ⅰ和油囊Ⅱ内部液压油传出的变化压力，钻孔应力采集器将水平、垂直应力变化量转换成电信号，经A/D转换电路转换后，在数值显示模块显示，同时可通过钻孔应力采集器上的天线无线传输至压力检测子站，再经数据采集分站、TCP/ⅠP以太环网实时传输至地面监控室。
优选的，所述步骤一中钢管Ⅰ和钢管Ⅱ的长度L为L+2m。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）该监测系统反映煤层应力变化敏感度高，冲击显现前及显现过程中应力变化明显，可以为冲击地压危险预测提供准确监测数据；
（2）通过地面监控平台，能够查询、记录监测数据及数据变化曲线并在大屏幕上实时显示，当超过监测预警值时还可及时报警，安全可靠；
（3）本发明为冲击地压安全监测——应力在线监测系统，提供了有效的技术手段，可以为准确判断冲击地压的发生提供预警、监测数据，是高采深矿井安全生产的可靠保证，为煤矿工人的生命安全撑起了一片蓝天；
（4）本发明采用Φ60mm钻孔应力传感器，受力面积是Φ38mm的2.3倍，能够承受的初承力大，与煤岩体实际承受应力接近；
（5）Φ60mm钻孔应力传感器，可以用于Φ65mm的钻孔，膨胀性能好，与煤岩体能够良好耦合，可以准确反映煤层应力变化；
（6）Φ60mm钻孔应力传感器由两个相互垂直布置的应力传感器通过双向连接阀块连接而成，可以监测煤岩体内部的水平应力F1和垂直应力F2；
（7）本发明包裹体的制作采用高分子材料应用车削加工，加工方便、价格适中，易于大规模生产。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明冲击地压应力安全监测系统应用图；
图2为本发明冲击地压应力安全监测系统组成图；
图3为本发明冲击地压应力安全监测系统水平应力传感器和垂直应力传感器的结构示意图；
图4为本发明冲击地压应力安全监测系统水平应力传感器的局部结构示意图；
图5为本发明冲击地压应力安全监测系统的结构图；
图6为本发明冲击地压应力安全监测系统的原理图。
图中，1、水平应力传感器，2、垂直应力传感器，3、双向连接阀块，4、钢管Ⅰ，5、钢管Ⅱ，6、钻孔应力采集器，7、三通阀Ⅰ，8、三通阀Ⅱ，9、手动油泵出油胶管，10、手动油泵，11、天线，12、巷道，13、煤壁，14、煤层，15、钻孔，1-1、油囊Ⅰ，1-2、左包裹体Ⅰ，1-3、右包裹体Ⅰ，2-1、油囊Ⅱ，2-2、上包裹体Ⅰ，2-3、下包裹体Ⅰ，7-1、进油锁紧锥阀Ⅰ，8-1、进油锁紧锥阀Ⅱ， 10-1、手动油泵手柄，10-2、出油锁紧手轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1、图2、图5、图6所示，一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，包括水平应力传感器1，所述水平应力传感器1通过双向连接阀块3连接垂直应力传感器2，水平应力传感器1和垂直应力传感器2组成钻孔应力传感器，所述水平应力传感器1和垂直应力传感器2分别通过钢管Ⅰ4和钢管Ⅱ 5连接三通阀Ⅰ 7和三通阀Ⅱ 8，三通阀Ⅰ 7和三通阀Ⅱ 8的另一端分别连接钻孔应力采集器6的水平应力通道和垂直应力接口，所述三通阀Ⅰ 7和三通阀Ⅱ 8的进油锁紧锥阀Ⅰ 7-1和进油锁紧锥阀Ⅱ 8-1分别通过手动油泵出油胶管9连接在手动油泵10的出油孔上；所述钻孔应力采集器6通过钻孔应力采集器6上的天线11无线连接压力检测子站，压力检测子站经数据采集分站实时传输至地面监控室。手动油泵10包括手动油泵手柄10-1和出油锁紧手轮10-2，所述钻孔应力采集器6包括A/D转换电路，所述A/D转换电路连接单片机，单片机连接报警显示模块、无线数传模块、数值显示模块。本实施案例中压力检测子站为矿用本安型压力检测子站，地面监控室包括地面监测服务器、UPS。
如图3-4所示，所述水平应力传感器1包括油囊Ⅰ 1-1，油囊Ⅰ 1-1的两侧分别设置左包裹体Ⅰ 1-2和右包裹体Ⅰ 1-3；所述垂直应力传感器2包括油囊Ⅱ 2-1，油囊Ⅱ 2-1的两侧分别设置上包裹体Ⅰ 2-2和下包裹体Ⅰ 2-3；所述钢管Ⅰ 4的一端焊接在双向连接阀块3上，与水平应力传感器1的油囊Ⅰ 1-1连通，所述钢管Ⅱ 5的一端焊接在垂直应力传感器2的油囊Ⅱ 2-1进油口处；所述钢管Ⅰ 4和钢管Ⅱ 5的另一端分别焊接KJ10母接头，使用KJ系列接头可以实现快速连接，便于拆卸，使用方便；然后通过U形销连接在三通阀Ⅰ 7和三通阀Ⅱ8上。本实施案例中，手动油泵出油胶管9只有一根，一端安装在进油锁紧锥阀Ⅰ7-1上，另一端安装在手动油泵10的出油孔上，当在该位置使用完毕后，将其拆下，一端安装在三通阀Ⅱ8上，另一端安装在手动油泵10的出油孔上。水平应力传感器1和垂直应力传感器2组成的钻孔应力传感器采用直径为Φ60mm的钻孔应力传感器，初承力大为原来Φ38mm的的钻孔应力传感器的2.3倍，可以与Φ65mm的钻孔有效耦合；水平应力传感器1垂直布置以承受水平应力F1，垂直应力传感器2水平布置以承受垂直应力F2，水平应力传感器1和垂直应力传感器2由双向连接阀块3连接，两个应力传感器相互垂直连接布置。油囊Ⅰ 1-1和油囊Ⅱ 2-1包括油囊片和油囊封油口，油囊片采用优质冷轧薄钢板利用冲压模具轧制成型，塑性变形能力良好；两片油囊片用专用夹具夹持，采用自动焊接机、自动变位、惰性气体保护焊接而成，油囊焊接质量高，没有气孔、夹渣，质量可靠；油囊封油口采用钢球密封，螺栓紧固，可以快速排放油囊中的气体，使得压力测量更加方便、准确、可靠。
一种煤矿冲击地压应力安全监测系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：制定监测方案，根据煤矿地质条件和工作面设计参数，确定监测位置和钻孔15的深度，根据钻孔15深度确定钢管Ⅰ 4和钢管Ⅱ 5的长度L+2m；
步骤二：使用煤岩钻头在所需监测巷道12的煤壁13上钻出钻孔15；
步骤三：用推送杆将水平应力传感器1和垂直应力传感器2送至所需安装深度，先给水平应力传感器1打压，初始应力5MPa，然后按下、抬起手动油泵手柄10-1，使水平应力传感器1的油囊Ⅰ 1-1膨胀顶起左包裹体Ⅰ 1-2和右包裹体Ⅰ 1-3，使之与煤层14充分接触、耦合，打好后锁紧对应三通阀Ⅰ 7的进油锁紧锥阀Ⅰ 7-1；
步骤四：解下手动油泵出油胶管9，将手动油泵出油胶管9通过相应的三通阀Ⅱ 8与钻孔应力采集器6连接的垂直应力通道连通，再给垂直应力传感器2打压，初始应力5MPa，按下、抬起手动油泵手柄10-1，使垂直应力传感器2的油囊Ⅱ 2-1膨胀顶起上包裹体Ⅰ 2-2和下包裹体Ⅰ 2-3与煤层14充分接触、耦合，打好后锁紧对应三通阀Ⅱ 8的进油锁紧锥阀Ⅱ8-1；
步骤五：松开手动油泵10的出油锁紧手轮10-2，这时油囊Ⅰ 1-1和油囊Ⅱ 2-1封闭，油囊的弹性模量小于包裹体，包裹体的弹性模量大于煤层14；当钻孔15发生形变后，煤层14挤压左包裹体Ⅰ 1-2、右包裹体Ⅰ 1-3、上包裹体Ⅰ 2-2和下包裹体Ⅰ 2-3，包裹体将煤层14的压力传递给油囊Ⅰ 1-1和油囊Ⅱ 2-1，使其发生形变，油囊Ⅰ 1-1和油囊Ⅱ 2-1再经油囊内部液压油将变化的压力传递给双向钻孔应力采集器6 ；
步骤六：钻孔应力采集器6采集油囊Ⅰ 1-1和油囊Ⅱ 2-1内部液压油传出的变化压力，将水平、垂直应力变化量转换成电信号，经A/D转换电路转换后，在数值显示模块的数码管上实时显示，同时钻孔应力监测数据可通过无线网络传输技术，由钻孔应力采集器6上的天线11无线传输至压力检测子站，再经数据采集分站、TCP/ⅠP以太环网实时传输至地面监控室。通过地面监控平台，能够查询、记录监测数据及数据变化曲线并在大屏幕上实时显示，当超过监测预警值时还可及时报警，安全可靠。
本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，不能理解为对发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，其特征在于：包括水平应力传感器（1），所述水平应力传感器（1）通过双向连接阀块（3）连接垂直应力传感器（2），所述水平应力传感器（1）和垂直应力传感器（2）分别通过钢管Ⅰ（4）和钢管Ⅱ（5）连接三通阀Ⅰ（7）和三通阀Ⅱ（8），三通阀Ⅰ（7）和三通阀Ⅱ（8）的另一端连接钻孔应力采集器（6）的水平和垂直应力通道接口，所述三通阀Ⅰ（7）和三通阀Ⅱ（8）的进油锁紧锥阀Ⅰ（7-1）和进油锁紧锥阀Ⅱ（8-1）分别通过手动油泵出油胶管（9）连接在手动油泵（10）的出油孔上；所述钻孔应力采集器（6）通过钻孔应力采集器（6）上的天线（11）无线连接压力检测子站，压力检测子站经数据采集分站实时传输至地面监控室。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，其特征在于：所述水平应力传感器（1）包括油囊Ⅰ（1-1），油囊Ⅰ（1-1）的两侧分别设置左包裹体Ⅰ（1-2）和右包裹体Ⅰ（1-3）。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，其特征在于：所述垂直应力传感器（2）包括油囊Ⅱ（2-1），油囊Ⅱ（2-1）的两侧分别设置上包裹体Ⅰ（2-2）和下包裹体Ⅰ（2-3）。
4.根据权利要求2或3所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，其特征在于：所述钢管Ⅰ（4）的一端焊接在双向连接阀块（3）上，与水平应力传感器（1）的油囊Ⅰ（1-1）连通，所述钢管Ⅱ（5）的一端焊接在垂直应力传感器（2）的油囊Ⅱ（2-1）进油口处。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，其特征在于：所述钢管Ⅰ（4）和钢管Ⅱ（5）的另一端分别焊接母接头，然后通过U形销连接在三通阀Ⅰ（7）和三通阀Ⅱ（8）上。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，其特征在于：所述手动油泵（10）包括手动油泵手柄（10-1）和出油锁紧手轮（10-2）。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统，其特征在于：所述钻孔应力采集器（6）包括A/D转换电路，所述A/D转换电路连接单片机，单片机连接报警显示模块、无线数传模块、数值显示模块。
8.根据权利要求1—7上述任意一项所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制定监测方案，根据煤矿地质条件和工作面设计参数，确定监测位置和钻孔（15）的深度，根据钻孔（15）深度确定钢管Ⅰ（4）和钢管Ⅱ（5）的长度L；
步骤二：使用煤岩钻头在所需监测巷道（12）的煤壁（13）上钻出钻孔（15）；
步骤三：用推送杆将水平应力传感器（1）和垂直应力传感器（2）送至所需安装深度，然后按下、抬起手动油泵手柄（10-1），使水平应力传感器（1）的油囊Ⅰ（1-1）膨胀顶起左包裹体Ⅰ（1-2）和右包裹体Ⅰ（1-3），使之与煤层（14）充分接触、耦合，打好后锁紧对应三通阀Ⅰ（7）的进油锁紧锥阀Ⅰ（7-1）；
步骤四：解下手动油泵出油胶管（9），将手动油泵出油胶管（9）通过相应的三通阀Ⅱ（8）与钻孔应力采集器（6）连接的垂直应力传感器（2）连通，再给垂直应力传感器（2）打压，按下、抬起手动油泵手柄（10-1），使垂直应力传感器（2）的油囊Ⅱ（2-1）膨胀顶起上包裹体Ⅰ（2-2）和下包裹体Ⅰ（2-3）与煤层（14）充分接触、耦合，打好后锁紧对应三通阀Ⅱ（8）的进油锁紧锥阀Ⅱ（8-1）；
步骤五：松开手动油泵（10）的出油锁紧手轮（10-2），这时油囊承压系统Ⅰ（1-1）和Ⅱ（2-1）封闭；
步骤六：钻孔应力采集器（6）采集油囊Ⅰ（1-1）和油囊Ⅱ（2-1）内部液压油传出的变化压力，钻孔应力采集器（6）将水平、垂直应力变化量转换成电信号，经A/D转换电路转换后，在数值显示模块显示，同时可通过钻孔应力采集器（6）上的天线（11）无线传输至压力检测子站， 再经数据采集分站、TCP/ⅠP以太环网实时传输至地面监控室。
9.根据权利要求8所述的一种煤矿冲击地压应力安全监测系统的使用方法，其特征在于，所述步骤一中钢管Ⅰ（4）和钢管Ⅱ（5）的长度L为L+2m。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113295302A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-24 | 江苏峻峰机电设备有限公司 | 一种单孔双计应力变化监测装置 |
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2020
- 2020-01-13 CN CN202010032792.6A patent/CN111691920A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113295302A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-24 | 江苏峻峰机电设备有限公司 | 一种单孔双计应力变化监测装置 |
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