CN116893027A - 一种多维监测的钻孔应力计及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多维监测的钻孔应力计及其监测方法，属于矿压安全检测技术领域。所述钻孔应力计包括角度传感器、多维应力监测模组和单向液压缸，应力监测模组包括基座及顶升机构，所述基座为两半对称圆柱刚性结构，内置顶升机构，基座表面固定有弹簧钢板，每根弹簧钢板上安装有测力光栅；基座的后端连接单向液压缸推动顶升机构，推动基座空腔内的顶升机构，使传感器直径增大。本发明设计的钻孔应力计的端部设置有角度传感器用于监测传感器方位，能够实现360度的方位检测功能；多维应力监测模组用于监测围岩应力的方向、大小和沿轴向的精细位置，监测数据更加的全面，应用更加准确。

Description

一种多维监测的钻孔应力计及其监测方法

技术领域

本发明涉及矿用安全检测技术领域，具体涉及一种多维监测的钻孔应力计及其监测方法。

背景技术

煤矿日常开采作业中，煤体的开采必然引起岩体应力场的重新分布，新的应力场分布状态对巷道及采场的稳定性有极其重要的影响，特别是对于深部开采矿井，因围岩应力场的高度集中而产生的冲击地压时有发生。冲击地压是矿山井巷和采场周围煤岩体，由于变形能的释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象，本质上是大量弹性能突然释放导致的。冲击地压问题实质上就是煤岩体的应力问题，因此对于冲击地压的监测，“应力”是最为可靠的物理量。钻孔应力计作为矿井巷道围岩应力变化的监测装置在现有技术已有着非常广泛的应用，现有的钻孔应力计基本都是采用液压油枕的结构形式，通过监测地压变化对油枕的压迫监测围岩应力的变化，但现有的应力计在进行监测时，只能获得应力的变化，对于应力的来源方向等无法做到准确监测，对于应力变化带来的可能事故无法做出准确的判断。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明专利设计了一种多维监测的钻孔应力计及其监测方法，以解决现有钻孔应力计在应用中存在的不足，实现多维精准辨别应力变化的目的。

本发明所采用的技术方案是：所述钻孔应力计包括角度传感器、多维应力监测模组和单向液压缸，所述多维应力监测模组包括基座和顶升机构，所述基座的内部为空腔，由两个呈半圆柱型的基座板对接而成，每个基座板上沿轴向固定有多根弹簧钢板，每根弹簧钢板上沿其长度方向设置有测力光栅，所述弹簧钢板的底面与基座板之间留有变形间隙，所述基座的后端连接单向液压缸，所述基座的前端开有导入光纤槽，所述基座的后端开有导出光纤槽，所述角度传感器连接在所述多维应力监测模组的基座的前端面上，所述基座的内部空腔中设置顶升机构，所述顶升机构将基座的两个基座板向外顶起，使其与钻孔壁充分接触，所述单向液压缸的活塞杆连接顶升机构，为其提供顶升力。

进一步的，所述顶升机构包括顶升板和顶升杆，所述顶升板成圆柱形，内部为楔形空腔，沿轴向设置在基座的空腔中，所述顶升板由两片半圆柱型的槽板对接形成，两片槽板分别固定在基座的两个基座板的内腔中，所述槽板的内侧为楔形斜面，所述楔形斜面上沿轴向排列设置有多圈卡槽，所述顶升杆包括楔形块，所述楔形块与顶升板内部的楔形空腔相适配，其前端插入在顶升板的楔形空腔中，所述楔形块的外侧设置有与卡槽相适配的倒齿，所述顶升杆的后端连接单向液压缸，单向液压缸向前推动顶升杆，楔形块被向前顶入到顶升板的楔形空腔中，将两块槽板向外顶起，所述楔形块外侧的倒齿卡合入槽板的卡槽中。

进一步的，所述单向液压缸与基座的连接端设置有环形凹槽，相对应的构成基座的两个基座板的后侧端分别设置有半圆环形的卡板，两基座板后侧端的卡板分别插入在单向液压缸的环形凹槽中，并且卡板与凹槽有限连接长度大于基座板的顶升位移距离，基座板被顶升后，卡板不会从凹槽中脱出。

进一步的，所述角度传感器包括外壳及其内部的敏感元件，所述外壳包括锥形的盖板、筒体和底板，所述盖板连接在筒体的顶端，所述底板连接在筒体的底端，所述底板上开有光缆走线孔，所述底板与基座的其中一个基座板的前端面连接固定，所述光缆走线孔与基座上的导入光纤槽相对应，所述敏感元件连接在筒体中。

进一步的，所述敏感元件包括一根测温度光栅和位于同一平面呈固定角度设置的两道弹性梁，两道弹性梁的一端共同连接在一重物上，另一端分别通过托板固定在筒体上，弹性梁上沿长度方向粘贴有测角度光栅，所述筒体上对应两道测角度光栅分别开有引线孔，两根测角度光栅端部的引线分别从筒体上的两引线孔处穿出，分别穿过底板上的光缆走线孔和基座板上的导入光纤槽引入基座。

进一步的，所述多维应力监测模组的外侧包覆有柔性护套，所述柔性护套的两端分别与角度传感器的底板和单向液压缸连接，所述单向液压缸的缸体表面沿轴向设置有四道通槽，四道通槽中分别设置有薄壁管，所述多维应力监测模组和角度传感器的的信号线缆位于柔性护套中，并分别穿过基座后端的导出光纤槽从四道薄壁管中穿过。

进一步的，所述多维应力监测模组的每个基座板上连接有4根弹簧钢板，4根弹簧钢板的厚度渐变，弹簧钢板的表面沿中轴线刻槽，测力光栅作为传感器元件粘贴于槽内，4根弹簧钢板的两端分别通过螺钉固定在基座板上，并沿周向均匀排布。

进一步的，所述基座的内部沿轴向分隔设置有两段顶升板，所述顶升杆包括两个楔形块，两个楔形块之间通过连接杆进行连接。两个楔形块分别插入在两段顶升板的楔形空腔中。

本发明提供的如上所述的多维监测的钻孔应力计的监测方法包括传感器的方位监测过程和应力大小、位置监测过程，所述传感器的方位监测过程由角度传感器实现，角度传感器中的重物在重力的作用下始终朝向地心处，重物因重力的作用引其敏感元件的两道弹性梁的弯曲变形，从而引起弹性梁上粘接的测角度光栅弯曲，检测波长飘移，由材料力学分析可知，此时，粘贴于梁上的测角度光栅上任意一点处的应力δ为：

A为弹性梁的截面积，M为力矩，m为重物的质量，g为重力加速度，θ为方位角。

由此得到测角度光栅上任意一点处的应变量ε与方位角的关系表达式为：

E为弹性模量，d为梁的厚度；

而两测角度光栅的波长漂移Δλ与应变量的关系式为：

其中，K_ε为常数，λ为光栅中心波长；

由此可以得到测角度光栅波长漂移与方位角关系式为：

其中，P_e为光纤有效弹光系数，为一常数；

同理推导，可得到另外一根梁上的测角度光栅的波长漂移与方位角的关系为：

其中，为两根测角度光栅的初始角度差。

进一步的，所述应力大小、位置的监测过程为：当力F作用在两端固定的弹簧钢板某位置时，梁长为l，h(x)为位置x处钢板的厚度，由于弹簧钢板为渐变厚度梁，因此其为位置x的函数，其对应的应力σ为：

其中，b为钢板宽度；

对应的应变量ε(x)为：

因此弹簧钢板上不同位置的应变量ε即为位置x的函数；

由光纤光栅传感波长与应变量的关系式，可以得到，

式中，Δλ_B为波长差，λ_B为初始波长值，P_e为光纤有效弹光系数，为一常数，这样就可以获得与位置相关的传感器波长漂移关系曲线。

相对于现有技术，本发明专利设计的一种多维监测的钻孔应力计及其监测方法的进步之处在于：首先，本发明的钻孔应力计前端固定设置了角度传感器，通过角度传感器监测的方位角确定了多维应力传感模组的方位；再者，本发明的多维应力传感模组设置了多根沿周向均匀排布的弹簧钢板设置光栅，弹簧钢板采用渐变厚度设计，由此可以监测应力发生的位置，并结合角度传感器的监测结果拟合应力的方位，检测数据更加的准确、全面；还有，多维应力监测模组的基座由两个基座板对接而成，并设置了顶升机构，保证应用时可以使基座上的传感器能够与钻孔壁充分接触，顶升机构的楔形块外侧设置倒齿，在顶升到位后不会发生后退，维持基座的位置稳定，保证检测数据的真实可靠。

附图说明

图1是多维监测的钻孔应力计的结构示意图。

图2是多维监测的钻孔应力计去柔性护套的示意图。

图3是多维监测的钻孔应力计的剖面示意图。

图4是基座板的结构示意图。

图5是顶升杆的结构示意图。

图中，1角度传感器、2多维应力监测模组、3单向液压缸、4柔性护套、5基座、6顶升板、7顶升杆、8薄壁管、11盖板、12筒体、13底板、14弹性梁、15托板、16引线孔、17重物、18光缆走线孔、51基座板、52弹簧钢板、53卡板、54导入光纤槽、55导出光纤槽、31环形凹槽、32-U型卡接头、33通槽、61槽板、62卡槽、71楔形块、72连接杆、73倒齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分的实施例，而不是全部。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。

如图1至图5所示，本发明专利设计了一种多维监测的钻孔应力计的一种实施例，本实施例中钻孔应力计包括角度传感器1、多维应力监测模组2和单向液压缸3，多维应力监测模组2包括基座5和顶升机构，基座5的后端连接单向液压缸3，角度传感器1连接在基座5的前端面上。基座5的内部为空腔，中间的外径小、两端的外径大，两端为连接座，成正八边形，每一边上都开有螺钉孔。基座5由两个呈半圆柱型的基座板51对接而成，每个基座板51上沿轴向固定有4根弹簧钢板52，弹簧钢板52的两端通过螺钉连接固定在两侧连接座的螺钉孔中。每根弹簧钢板52上沿其长度方向设置有测力光栅，弹簧钢板52的底面与基座板51之间留有变形间隙。弹簧钢板52的厚度渐变，弹簧钢板52的表面沿中轴线刻槽，测力光栅作为传感器元件粘贴于槽内。基座板51的前端部沿轴向开有多道导入光纤槽54，后端部沿轴向开有多道导出光纤槽55。

基座5的内部空腔中设置顶升机构，顶升机构将基座5的两个基座板51向外顶起，使其能够与钻孔壁充分接触，单向液压缸3的活塞杆连接顶升机构，为其提供顶升动力。顶升机构包括两段顶升板6和顶升杆7，顶升板6成圆柱形，内部为楔形空腔，两段顶升板6沿轴向分隔设置在基座5内部的空腔中。顶升板6由两片半圆柱型的槽板61对接形成，两片槽板61分别固定在基座的两个基座板51的内腔中并与之连接固定，避免使用时发生相对偏转。槽板61的内侧为楔形斜面，两片槽板61对合后形成楔形空腔。槽板61内侧的楔形斜面上沿轴向排列设置有多圈卡槽62。顶升杆7包括两个楔形块71，楔形块71与顶升板6内部的楔形空腔相适配，两个楔形块71之间通过连接杆72进行连接，两个楔形块71分别插入在两段顶升板6的楔形空腔中。楔形块71的上下两侧面分别设置有与卡槽62相适配的倒齿73，顶升杆7的后端的楔形块71连接单向液压缸3的活塞杆，单向液压缸3向前推动顶升杆，两个楔形块71被向前分别顶入到两段顶升板6的楔形空腔中，将两段顶升板6的两块槽板61分别向外顶起，从而将两个基座板51向外顶起，实现多维应力监测模组2的外径涨大，与钻孔壁充分接触，插入后楔形块71外侧的倒齿73卡合入槽板61的卡槽62中，完成定位，避免顶升杆71后退，以维持多维应力监测模组2的涨开状态。

单向液压缸3的缸体前端与基座5的连接处设置有环形凹槽31，相对应的构成基座5的两个基座板51的后侧端分别向内设置有半圆环形的卡板53，两基座板51后侧端的卡板53分别插入在单向液压缸3的环形凹槽31中，并且卡板53与环形凹槽31的有限连接长度大于基座板51的顶升位移距离，即基座板51在被顶升后，卡板53始终保持不会从环形凹槽31中脱出。单向液压缸3的缸体后端连接有U型卡接头32，方便对接液压油管。另外，在缸体的外侧面上沿轴向开有4道通槽33，4道通槽33中分别设置有薄壁管8。

角度传感器1包括外壳及其内部的敏感元件，外壳包括锥形的盖板11、筒体12和底板13，盖板11连接在筒体12的顶端，底板13连接在筒体12的底端，底板13与基座5的其中一个基座板51的前端面连接固定，底板13上开有两道光缆走线孔18，光缆走线孔18与基座板5上的导入光纤槽52对合，敏感元件连接在筒体12中。敏感元件包括一根侧温度光栅和位于同一平面呈固定角度设置的两道弹性梁14，两道弹性梁14的一端共同连接在一重物17上，另一端分别通过托板15固定在筒体上，弹性梁14上沿长度方向粘贴测角度光栅。筒体12上对应两道测角度光栅分别开有贯穿的引线孔16，两根测角度光栅端部的引线分别从筒体12上的两引线孔16处穿出，并分别穿过底板13上的光缆走线孔18和基座板上的导入光纤槽54引入基座5。

多维应力监测模组2的外侧包覆有柔性护套4，柔性护套4的两端分别与角度传感器1的底板13和单向液压缸3的缸体连接，多维应力监测模组和角度传感器的的信号线缆均被包覆于柔性护套4中，沿轴向向后延伸，并分别穿过基座5后端的导出光纤槽55从四道薄壁管8中穿过。

本发明提供的多维监测的钻孔应力计使用时，先在巷道等需要监测处打5-10米深的钻孔，将钻孔应力计插入其中，到达监测位置后启动液压泵，由单向液压缸将顶升杆向前推送进顶升板中，使构成基座的两基座板发生相对移动，顶紧钻孔壁，基座板的顶升程度由液压油缸提供的压力进行控制。接通信号线路后便可进行监测，钻孔应力计的监测过程包括传感器的方位监测过程和钻孔的围岩应力的大小、位置监测过程，其中，传感器的方位监测过程由角度传感器实现，由于钻孔应力计在放入钻后，其方位会随钻孔的打孔角度发生变化，而此时，角度传感器中的重物在重力的作用下始终朝向地心处，重物因重力的作用引其敏感元件的两道弹性梁发生弯曲变形，带来倾角的变化，从而引起弹性梁上粘接的测角度光栅发生弯曲，其检测波长发生飘移，通过检测波长飘移量我们便可计算获得测角度光栅的弯曲角度，从而推导出整个传感器的方位。由材料力学分析可知，此时，粘贴于梁上的测角度光栅上任意一点处的应力δ为：

A为弹性梁的截面积，M为力矩，m为重物的质量，g为重力加速度，θ为方位角。

由此得到测角度光栅上任意一点处的应变量ε与方位角的关系表达式为：

E为弹性模量，d为梁的厚度；

而两测角度光栅的波长漂移Δλ与应变量的关系式为：

其中，K_ε为常数，λ为光栅中心波长；

由此可以得到测角度光栅波长漂移与方位角关系式为：

其中，P_e为为光纤有效弹光系数，为一常数；

同理推导，可得到另外一根梁上的测角度光栅的波长漂移与方位角的关系为：

其中，为两根测角度光栅的初始角度差。

对于钻孔的围岩应力的大小、位置的监测由多维应力监测模组2实现，具体过程为：当力F作用在两端固定的弹簧钢板梁的某位置时，梁长为l，h(x)为位置x处钢板的厚度，由于弹簧钢板为渐变厚度梁，因此其为位置x的函数，其对应的应力σ为：

其中，b为钢板宽度；

对应的应变量ε(x)为：

因此弹簧钢板上不同位置的应变量ε即为位置x的函数；

由光纤光栅传感波长与应变量的关系式，可以得到，

式中，Δλ_B为波长差，λ_B为初始波长，P_e为光纤有效弹光系数，为一常数，这样就可以获得与位置相关的传感器波长漂移关系曲线，在获得应力大小的同时，获得应力发生的位置。结合角度传感器所检测到的传感器的方位，拟合得出应力的来源方向。

上述内容仅为本发明创造的较佳实施例而已，不能以此限定本发明创造的实施范围，即凡是依本发明创造权利要求及发明创造说明内容所做出的简单的等效变化与修饰，皆仍属于本发明创造涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述钻孔应力计包括角度传感器、多维应力监测模组和单向液压缸，所述多维应力监测模组包括基座和顶升机构，所述基座的内部为空腔，由两个呈半圆柱型的基座板对接而成，每个基座板上沿轴向固定有多根弹簧钢板，每根弹簧钢板上沿其长度方向设置有测力光栅，所述弹簧钢板的底面与基座板之间留有变形间隙，所述基座的后端连接单向液压缸，所述基座的前端开有导入光纤槽，所述基座的后端开有导出光纤槽，所述角度传感器连接在所述多维应力监测模组的基座的前端面上，所述基座的内部空腔中设置顶升机构，所述顶升机构将基座的两个基座板向外顶起，使其与钻孔壁充分接触，所述单向液压缸的活塞杆连接顶升机构，为其提供顶升力。

2.根据权利要求1所述的一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述顶升机构包括顶升板和顶升杆，所述顶升板成圆柱形，内部为楔形空腔，沿轴向设置在基座的空腔中，所述顶升板由两片半圆柱型的槽板对接形成，两片槽板分别固定在基座的两个基座板的内腔中，所述槽板的内侧为楔形斜面，所述楔形斜面上沿轴向排列设置有多圈卡槽，所述顶升杆包括楔形块，所述楔形块与顶升板内部的楔形空腔相适配，其前端插入在顶升板的楔形空腔中，所述楔形块的外侧设置有与卡槽相适配的倒齿，所述顶升杆的后端连接单向液压缸，单向液压缸向前推动顶升杆，楔形块被向前顶入到顶升板的楔形空腔中，将两块槽板向外顶起，所述楔形块外侧的倒齿卡合入槽板的卡槽中。

3.根据权利要求2所述的一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述单向液压缸与基座的连接端设置有环形凹槽，相对应的构成基座的两个基座板的后侧端分别设置有半圆环形的卡板，两基座板后侧端的卡板分别插入在单向液压缸的环形凹槽中，并且卡板与凹槽有限连接长度大于基座板的顶升位移距离，基座板被顶升后，卡板不会从凹槽中脱出。

4.根据权利要求3所述的一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述角度传感器包括外壳及其内部的敏感元件，所述外壳包括锥形的盖板、筒体和底板，所述盖板连接在筒体的顶端，所述底板连接在筒体的底端，所述底板上开有光缆走线孔，所述底板与基座的其中一个基座板的前端面连接固定，所述光缆走线孔与基座上的导入光纤槽相对应，所述敏感元件连接在筒体中。

5.根据权利要求4所述的一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述敏感元件包括一根测温度光栅和位于同一平面呈固定角度设置的两道弹性梁，两道弹性梁的一端共同连接在一重物上，另一端分别通过托板固定在筒体上，弹性梁上沿长度方向粘贴有测角度光栅，所述筒体上对应两道测角度光栅分别开有引线孔，两根测角度光栅端部的引线分别从筒体上的两引线孔处穿出，分别穿过底板上的光缆走线孔和基座板上的导入光纤槽引入基座。

6.根据权利要求5所述的一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述多维应力监测模组的外侧包覆有柔性护套，所述柔性护套的两端分别与角度传感器的底板和单向液压缸连接，所述单向液压缸的缸体表面沿轴向设置有四道通槽，四道通槽中分别设置有薄壁管，所述多维应力监测模组和角度传感器的的信号线缆位于柔性护套中，并分别穿过基座后端的导出光纤槽从四道薄壁管中穿过。

7.根据权利要求6所述的一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述多维应力监测模组的每个基座板上连接有8根弹簧钢板，8根弹簧钢板的厚度渐变，弹簧钢板的表面沿中轴线刻槽，测力光栅作为传感器元件粘贴于槽内，8根弹簧钢板的两端分别通过螺钉固定在基座板上，并沿周向均匀排布。

8.根据权利要求7所述的一种多维监测的钻孔应力计，其特征在于，所述基座的内部沿轴向分隔设置有两段顶升板，所述顶升杆包括两个楔形块，两个楔形块之间通过连接杆进行连接，两个楔形块分别插入在两段顶升板的楔形空腔中。

9.一种如权利要求8所述的多维监测的钻孔应力计的监测方法，其特征在于，所述监测方法包括传感器的方位监测过程和应力的大小、位置监测过程，所述传感器的方位监测过程由角度传感器实现，角度传感器中的重物在重力的作用下始终朝向地心处，重物因重力的作用拉动敏感元件的两道弹性梁发生弯曲变形，从而引起弹性梁上粘接的测角度光栅检测波长飘移，由材料力学分析可知，此时，粘贴于弹性梁上的测角度光栅上任意一点处的应力δ为：

其中，A为弹性梁的截面积，M为力矩，m为重物的质量，g为重力加速度，θ为方位角；

由此得到测角度光栅上任意一点处的应变量ε与方位角的关系表达式为：

其中，E为弹性模量，d为梁的厚度；

而两测角度光栅的波长漂移Δλ与应变量的关系式为：

其中，K_ε为常数，λ为光栅中心波长；

由此可以得到测角度光栅波长漂移与方位角关系式为：

其中，P_e为光纤有效弹光系数，为一常数；

同理推导，可得到另外一根弹性梁上的测角度光栅的波长漂移与方位角的关系为：

其中，为两根测角度光栅的初始角度差。

10.根据权利要求9所述的一种多维监测的钻孔应力计的监测方法，其特征在于，所述应力的大小、位置的检测方法由多维应力监测模组处的测力光栅传感器实现，其具体过程为：当力F作用在两端固定的弹簧钢板某位置时，弹簧钢板长为l，h(x)为位置x处钢板的厚度，由于弹簧钢板为渐变厚度梁，因此其为位置x的函数，其对应的应力σ为：

其中，b为钢板宽度；

对应的应变量ε(x)为：

因此弹簧钢板上不同位置的应变量ε即为位置x的函数；

由光纤光栅传感波长与应变量的关系式，可以得到，

式中，Δλ_B为光栅波长漂移量与无应变时光栅波长起始值之间的差值，λ_B为光栅无应变时的起始值波长，P_e为光纤有效弹光系数，为一常数，这样就可以获得与位置相关的传感器波长漂移关系曲线。