CN112127870A - 主动承压式钻孔应变监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主动承压式钻孔应变监测装置及监测方法，其中，监测装置包括加压组件，所述加压组件包括油囊及与其连接的油管，所述油管外接加压油泵，所述油囊上设置有与钻孔适配的弹性受力单元，高压液体经所述油管注入所述油囊内使其膨胀变形时所述弹性受力单元与钻孔内壁紧密接触，所述弹性受力单元上设置有应变片，所述应变片通过引线外接采集仪。其目的在于提供一种结构简单、成本低、操作简便且能与孔壁快速耦合、灵敏度高、能够响应高频动载的主动承压式钻孔应变监测装置及利用其的监测方法。
Description
技术领域
本发明涉及适用于特殊目的的用来测量诸如由冲击产生的力、功、机械功率或转矩的装置，特别是涉及以采用流体为特征的用于计量固体的变形的计量设备，具体涉及一种主动承压式钻孔应变监测装置及监测方法。
背景技术
煤矿采掘活动引起原岩应力的重新分布，形成采动应力，当采动应力超过围岩结构自身的承载力时，易引发冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿动力灾害。根据应力作用时间的不同可分为动载和静载，冲击地压往往是动静载共同作用的结果，因此对动静应力的有效、可靠、连续监测具有重要意义。
目前地应力监测的主要手段有水力压裂、套芯应力解除、钻孔应力监测法等，其中水力压裂、套芯应力解除等方法常用于原始地应力的监测，不能实时连续监测。在冲击地压矿井应用最广泛的是钻孔应力监测法，该方法操作简单、能够实现相对地应力的连续监测。但是，目前钻孔应力计为油囊膨胀式，油囊内液体压力通过较长的油管(一般10-20m)传递到孔外的传感器，油压传递过程存在“管道效应”，即，进行流体动态监测时，引压管尺寸对动态测量精度影响很大，会降低动压监测灵敏度，通常动态压力传感器都是齐平结构，直接与液体接触，油囊式应力计采用十几米的油管传导压力，不适合进行动载荷监测。在静载荷或速度变化较慢的载荷监测时，该效应不显著，可以忽略。但在受到冲击性动载荷作用时，“管道效应”会使传感器监测灵敏度降低，甚至无法监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便且能与孔壁快速耦合、灵敏度高、能够响应高频动载的主动承压式钻孔应变监测装置。
本发明主动承压式钻孔应变监测装置，包括加压组件，所述加压组件包括油囊及与其连接的油管，所述油管外接加压油泵，所述油囊上设置有与钻孔适配的弹性受力单元，高压液体经所述油管注入所述油囊内使其膨胀变形时所述弹性受力单元与钻孔内壁紧密接触，所述弹性受力单元上设置有应变片，所述应变片通过引线外接采集仪。
本发明主动承压式钻孔应变监测装置，其中所述弹性受力单元包括上单元、下单元，所述上单元、下单元均呈半圆柱状且上下对称布置在所述油囊上，所述应变片设于所述上单元上。
本发明主动承压式钻孔应变监测装置，其中所述下单元上固连用于连接安装杆的定位销。
本发明主动承压式钻孔应变监测装置，其中所述油管通过快插母头外接操作阀组，所述操作阀组与所述加压油泵连接并控制高压液体注入所述油囊内。
本发明主动承压式钻孔应变监测装置，其中所述操作阀组包括三通阀，所述三通阀上设置有快插公头、针型阀和油泵接头，所述快插公头与快插母头连接，所述油泵接头与加压油泵连接。
本发明还提供了一种利用上述主动承压式钻孔应变监测装置的钻孔应变监测方法，包括如下步骤：
S1：使用钻机在煤岩体中施工设计深度的钻孔；
S2：将所述弹性受力单元与油囊组成的探头推送至钻孔孔底，推送的同时将盘卷着的油管沿着缠绕方向展开伸直；
S3：将所述油管、操作阀组、加压油泵连接，通过所述加压油泵中将高压液体注入所述油囊使其膨胀变形并使所述弹性受力单元与钻孔内壁紧密接触，同时使油囊保持一定的初始压力；
S4：将所述应变片通过引线与采集仪连接，当采动应力变化时，引起钻孔孔径发生变化，并作用于所述弹性受力单元上，所述应变片将应变信号经过桥式电路和放大电路传输至采集仪，所述采集仪通过转换电路将应变值转化为采动应力变化值进行显示和传输。
上述监测方法的步骤S2中，推送所述探头前，先将安装杆的首节杆体的端部与所述定位销卡紧，再在该首节杆体上逐节连接其余杆体，通过安装杆将所述探头推送至钻孔孔底。
上述监测方法中，所述将所述油管、操作阀组、加压油泵连接包括：将所述加压油泵的管路与油泵接头牢固连接，将快插公头与快插母头牢固连接，旋出针型阀使快插公头与油泵接头导通。
上述监测方法的步骤S3中，所述弹性受力单元与钻孔内壁紧密接触后，当加压油泵上的压力表达到设计压力后停止打压，当压力表显示设计压力且保持1分钟以上不降低时，拧紧针型阀，将加压油泵卸压取下，此时油囊保持一定的初始压力。
上述监测方法中，所述油囊保持一定的初始压力后，将所述安装杆的首节杆体与定位销分离，并逐节拆卸其余杆体，直至将安装杆从钻孔内完全取出。
本发明主动承压式钻孔应变监测装置及监测方法至少具有以下有益效果：
1、结构简单，成本低，能够通过油囊主动对弹性受力单元进行加压，使其与孔壁快速接触，操作简便，适用于变化较快的采动应力监测；
2、弹性受力单元与孔壁直接作用，通过应变片监测反应作用力的大小，避免了油压传递时的“管道效应”，比现有应力计采用油压传递更灵敏，并且能够实现对冲击性动载应力的监测。
总之，本发明克服了现有充液膨胀枕式钻孔应力计监测精度低、高频动载响应差的问题，具有主动承压与孔壁快速耦合、灵敏度高、能够响应高频动载等优点。
下面结合附图对本发明的主动承压式钻孔应变监测装置及监测方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明主动承压式钻孔应变监测装置的结构示意图；
图2a为本发明主动承压式钻孔应变监测装置中弹性受力单元的上单元的主视图；
图2b为图2a的A-A剖面图；
图3a为本发明主动承压式钻孔应变监测装置中弹性受力单元的下单元的主视图；
图3b为图3a的B-B剖面图；
图4a为本发明主动承压式钻孔应变监测装置中加压组件的主视图；
图4b为图4a的C-C剖面图；
图5a为本发明主动承压式钻孔应变监测装置中操作阀组的结构示意图；
图5b为本发明主动承压式钻孔应变监测装置中操作阀组的又一结构示意图；
图5c为图5a的D-D剖面图。
具体实施方式
如图1至图5c所示，本发明主动承压式钻孔应变监测装置包括弹性受力单元100、加压组件200，弹性受力单元100包括上单元1、下单元2，上单元1、下单元2均呈半圆柱状，以便与钻孔适配。优选的，上单元1、下单元2轴向两端均开设凹槽16且每一端的上下两个凹槽16对接形成圆形，设置凹槽16用铁丝捆扎，在油囊9膨胀前将上单元1、下单元2及油囊9三部分临时固定，防止脱落。加压组件200包括油囊9及焊接在其尾部的油管4，油管4外接加压油泵。上单元1、下单元2以平面相对的方式上下对称地布置在油囊9上形成应变计的探头。通过加压油泵为油囊9内注入高压液体使其膨胀变形，进而使位于油囊9上的上单元1、下单元2与钻孔内壁紧密接触。上单元1的平面的中部开设有方槽14及与其连通的线槽15，方槽14内设置有应变片8，该应变片8的引线5通过线槽15引出后接入采集仪7，应变片8随着上单元1的受力产生变形，其电阻值随之发生变化并将该信号通过引线5输出。
油管4通过快插母头6外接操作阀组300，操作阀组300使加压油泵中的高压液体持续注入油囊9，卸除加压油泵后油囊9仍保持一定的初始压力。操作阀组300包括三通阀13，三通阀13上开设有相互垂直的螺纹孔a131、螺纹孔b132，针型阀11、快插公头10分别通过螺纹孔a131、螺纹孔b132与三通阀13螺纹密封连接，快插公头10用于与快插母头6连接且二者连接处设置密封圈避免漏液泄压。针型阀11旋入三通阀13内时，针型阀11的螺纹连接部111将快插公头10内部的通道a101的入口封堵。为方便与加压油泵连接，三通阀13上还设有一与针型阀11同轴的油泵接头12，针型阀11旋入三通阀13内时其针尖部插入油泵接头12内部的通道b121内将该通道b121的入口封堵。油泵接头12与加压油泵的管路的连接处也设置密封圈防止漏液泄压。
利用上述监测装置进行钻孔应变监测，包括如下步骤：
S1：使用钻机在煤岩体中施工设计深度的钻孔，本实施例选用安装有φ42钻头的钻机，实际作业中也可选用其它钻机，此处不一一列举；
S2：下单元2上固连定位销3，定位销3两侧向外伸出形成支杆31，方便与安装杆(图中未示出)的首节杆体卡接，将弹性受力单元100与油囊9组成的探头推送至钻孔孔底前，先将安装杆的首节杆体的端部与定位销3的支杆31卡紧，再在该首节杆体上逐节连接其余杆体，通过安装杆将探头推送至钻孔孔底，同时通过安装杆调整探头的安装角度使其处于水平或垂直状态，推送上述探头的同时将盘卷着的油管4沿着缠绕方向展开伸直。上述安装杆可选用现有常见的由若干节杆体首尾依次连接而成的安装杆，故此处不赘述其结构及用法。
S3：将加压油泵的管路与油泵接头12牢固连接，将快插公头10与快插母头6牢固连接，从三通阀13中旋出针型阀11，使快插公头10与油泵接头12导通，通过加压油泵中将高压液体注入油囊9，油囊9受高压液体作用获得一个初撑力发生膨胀变形，使弹性受力单元100与钻孔内壁紧密接触，当加压油泵上的压力表达到设计压力后停止打压，当压力表显示设计压力且保持1分钟以上不降低时，将针型阀11旋入三通阀13内并拧紧，将加压油泵卸压取下，此时油囊9保持一定的初始压力；接着转动安装杆使首节杆体与定位销3分离，并逐节拆卸其余杆体，直至将安装杆从钻孔内完全取出。
S4：将应变片8通过引线5与采集仪7连接，采动应力变化时引起钻孔孔径变化并作用于弹性受力单元100上，黏贴在上单元1上的应变片8将应变信号经过桥式电路和放大电路传输至采集仪7，实现对弹性受力单元100受力变化的实时监测，最后采集仪7通过转换电路将应变值转化为采动应力变化值进行显示和传输。实际工作中，桥式电路、放大电路、转换电路可参照现有常规应变测量技术设置，此处不赘述。
本发明通过为油囊9主动加压使弹性受力单元100与钻孔密切接触，通过监测与钻孔孔壁直接接触的弹性受力单元100的应变值来反应采动应力的变化，结构简单，操作便捷，反应灵敏，有利于提高监测工作效率。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种主动承压式钻孔应变监测装置，包括加压组件(200)，所述加压组件(200)包括油囊(9)及与其连接的油管(4)，所述油管(4)外接加压油泵，其特征在于：所述油囊(9)上设置有与钻孔适配的弹性受力单元(100)，高压液体经所述油管(4)注入所述油囊(9)内使其膨胀变形时所述弹性受力单元(100)与钻孔内壁紧密接触，所述弹性受力单元(100)上设置有应变片(8)，所述应变片(8)通过引线(5)外接采集仪(7)。
2.根据权利要求1所述的主动承压式钻孔应变监测装置，其特征在于：所述弹性受力单元(100)包括上单元(1)、下单元(2)，所述上单元(1)、下单元(2)均呈半圆柱状且上下对称布置在所述油囊(9)上，所述应变片(8)设于所述上单元(1)上。
3.根据权利要求2所述的主动承压式钻孔应变监测装置，其特征在于：所述下单元(2)上固连用于连接安装杆的定位销(3)。
4.根据权利要求3所述的主动承压式钻孔应变监测装置，其特征在于：所述油管(4)通过快插母头(6)外接操作阀组(300)，所述操作阀组(300)与所述加压油泵连接并控制高压液体注入所述油囊(9)内。
5.根据权利要求4所述的主动承压式钻孔应变监测装置，其特征在于：所述操作阀组(300)包括三通阀(13)，所述三通阀(13)上设置有快插公头(10)、针型阀(11)和油泵接头(12)，所述快插公头(10)与快插母头(6)连接，所述油泵接头(12)与加压油泵连接。
6.利用权利要求5所述的主动承压式钻孔应变监测装置的钻孔应变监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：使用钻机在煤岩体中施工设计深度的钻孔；
S2：将所述弹性受力单元(100)与油囊(9)组成的探头推送至钻孔孔底，推送的同时将盘卷着的油管(4)沿着缠绕方向展开伸直；
S3：将所述油管(4)、操作阀组(300)、加压油泵连接，通过所述加压油泵中将高压液体注入所述油囊(9)使其膨胀变形并使所述弹性受力单元(100)与钻孔内壁紧密接触，同时使油囊(9)保持一定的初始压力；
S4：将所述应变片(8)通过引线(5)与采集仪(7)连接，当采动应力变化时，引起钻孔孔径发生变化，并作用于所述弹性受力单元(100)上，所述应变片(8)将应变信号经过桥式电路和放大电路传输至采集仪(7)，所述采集仪(7)通过转换电路将应变值转化为采动应力变化值进行显示和传输。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述步骤S2中，推送所述探头前，先将安装杆的首节杆体的端部与所述定位销(3)卡紧，再在该首节杆体上逐节连接其余杆体，通过安装杆将所述探头推送至钻孔孔底。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于：所述将所述油管(4)、操作阀组(300)、加压油泵连接包括：将所述加压油泵的管路与油泵接头(12)牢固连接，将快插公头(10)与快插母头(6)牢固连接，旋出针型阀(11)使快插公头(10)与油泵接头(12)导通。
9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述弹性受力单元(100)与钻孔内壁紧密接触后，当加压油泵上的压力表达到设计压力后停止打压，当压力表显示设计压力且保持1分钟以上不降低时，拧紧针型阀(11)，将加压油泵卸压取下，此时油囊(9)保持一定的初始压力。
10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于：所述油囊(9)保持一定的初始压力后，将所述安装杆的首节杆体与定位销(3)分离，并逐节拆卸其余杆体，直至将安装杆从钻孔内完全取出。
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