CN216081844U - 新型采场围岩三维应力监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型采场围岩三维应力监测装置。为克服现有技术缺陷，本新型采场围岩三维应力监测装置包括连接管、筒体、活塞、温度补偿光栅、测量光纤光栅和光纤，筒体外圆周上设有两条凹槽，光纤共有2条，分别粘贴固定在一个凹槽内，测量光纤光栅包括9个应变测量光栅，9个应变测量光栅分成两组，5个应变测量光栅顺次刻在一条凹槽内的光纤上，另外4个应变测量光栅顺次刻在另一条凹槽内的光纤上，胶体粘结剂为TP451环氧树脂粘合剂，温度补偿光栅与4个应变测量光栅刻在同一光纤上，温度补偿光栅与TP451环氧树脂粘合剂隔离。本实用新型结构简单，加工方便，安装方便、监测准确，适用于矿井、煤矿围岩的三维应力监测。

Description

新型采场围岩三维应力监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型采场围岩三维应力监测装置。

背景技术

随着煤矿开采规模和强度的逐年加大，冲击地压矿井数量迅猛增加，冲击地压、煤与瓦斯突出、顶板大面积垮落、突水等煤岩动力灾害日益严重，截止到目前全国冲击地压矿井接近两百处，冲击地压具有突发性、波及范围广、强破坏性及复杂性等特点，且冲击类型多种多样、发生条件极为复杂，因此冲击地压研究刻不容缓，亟需提出新理论、新方法、新措施。国外的冲击地压研究主要是在原苏联、波兰和澳大利亚开展，并把一些技术引进中国，如上世纪70年代开始的微震预测冲击地压技术及相关监测设备在1981年引进我国陶庄煤矿。我国在1933年就发生首例冲击地压事故，截止2016年发生过冲击地压的矿井数量达到319个，作为冲击地压矿井众多的国家，冲击地压研究也比较广泛，目前提出了微震监测、钻屑法检测、应力监测、电磁辐射监测、支架压力监测、岩体变形量监测等方法。微震监测技术通过煤岩体微破裂时产生的弹性波的采集和分析，判断煤岩体破裂的时间、空间位置、震级、能量释放等参数，实现对冲击地压的超前预警，是一种冲击地压区域监测方法，山东济宁某矿的微震监测结果表明该方法依靠防冲监控室值班人员手动分析震动波形，识别P波进行能量计算，拾震仪的选择具有人为可操作性，选择参与计算的拾震仪一般为回采工作面附近的，那么定位出来的震源位置基本都在回采巷道区域，且几乎所有事件均发生在采空区上方顶板，工作面前方几乎没有震动事件发生，对于其定位及能量大小的准确性还有待验证；局部监测方法普遍采用KJ743应力在线监测系统对煤层应力值进行实时监测，煤矿专家普遍认为煤矿冲击地压的直接冲击体为煤体，监测重点也放在了煤层，煤层应力监测为一个相对值，且信号不稳定，曲线经常出现突降情况，规律难以琢磨，当压力值超过设定的临界值时认为有冲击危险，此时结合钻屑量检测法对监测点煤层进行检测，事实上即使压力值超过设定临界值时煤粉量也不一定超标而压力值小也不表示煤粉量正常。

煤岩体的开采过程势必会对采场围岩应力造成扰动，导致应力场重新分布，采场出现应力集中。采动应力集中是煤矿的一大特点，也是导致冲击地压发生的根本原因。开采前煤岩体处于三维应力平衡状态，开采活动打破了原有的应力平衡，引起上覆岩层大范围移动甚至断裂，导致采场三维空间中的宏观应力场重新分布，这种应力场的动态演化与发展必然为冲击地压的孕育、发生和发展创造条件；且冲击地压发生前期，煤岩中能量并未释放，内部的应力集中程度却有突然增高的现象。故灾害的发生首先体现在应力状态的变化上，应力变化是预测动力灾害的关键，应力状态的测量是实现动力灾害准确预报的基础。对煤矿开采来说，尤其要关注高地应力状态强烈扰动下的采动应力变化，研究采动应力分布的时空演化规律。而且根据关键层理论，无论是矿震还是冲击地压，其能量来源包括关键层断裂导致重力势能的释放和其控制的岩层断裂释放的弹性应变能；岩层弹性应变能通过向煤层转移使得煤层压缩，当弹性应变能增加到一定程度时将发生煤体冲击。因此，以上说明岩层作为产生冲击地压的源头，对其监测不容忽视，根据这种需求，亟需一种测量时间长、监测频率高、不受电磁干扰、耐腐蚀性较好，能够满足煤岩体三维应力的长期、动态监测装置。

2018年03月06日公开的、公开号为：“CN 207074097 U”的中国实用新型公开了一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统。监测装置，包括：壳体，呈筒体结构，所述壳体为内外双层结构，内层和外层材料的弹性模量为8-15GPa、抗拉强度不小于60MPa；至少六个方向互不相同的光纤光栅，其布设在所述壳体的内层和外层之间，所述光纤光栅的栅区长度为2-4mm。通过对壳体结构的双层设计、对壳体材料的限定、以及对光纤光栅的栅区长度的选择，不仅实现了对围岩三维扰动应力场的长期准确监测，而且大大提高了光纤光栅的成活率，使得利用光纤光栅测量围岩三维扰动应力的监测装置可以实现产业化生产，在世界范围内填补了该领域一直存在的技术空白。

但是该技术仍存在以下待改进的地方：1.每个光纤光栅分别设置独立的光纤上，再由光纤耦合器耦合后由两根光纤输出，导致整体长度过长，不利于安装；

2.光纤耦合器耦合光信号时，产生歧变，干扰光纤光栅测量光信号的准确性。

3.每个光纤光栅所在光纤都需要安装在壳体内层的单独凹槽内，加工不便。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是如何克服现有技术的上述缺陷，提供一种新型采场围岩三维应力监测装置。

为解决上述技术问题，本新型采场围岩三维应力监测装置，包括连接管、筒体、活塞、温度补偿光栅、测量光纤光栅和光纤，所述筒体后端连接在所述连接管上，活塞前部外圆周上和连接管外圆周上分别设有环槽，二者的环槽内分别套有前堵胶密封圈和后堵胶密封圈，所述活塞呈圆柱形，其上设有一个出胶通道，该出胶通道与活塞的轴心线重合或平行，该出胶通道入口位于活塞后端面上，前堵胶密封圈内侧的活塞上设有多个出胶孔，上述出胶孔均与所述出胶通道前端相通，所述测量光纤光栅附着在筒体外圆周上，所述筒体内贮有胶体粘结剂，所述活塞后端就插入所述筒体的前端口内，二者之间密封，安装时，所述活塞前端直接或间接抵在配用钻孔底部岩体上，所述活塞后部压入所述筒体内，筒体内的胶体粘结剂经出胶通道和出胶孔挤出，填充入前、后堵胶密封圈之间的筒体、活塞与配用钻孔内壁之间的空隙，使筒体与配用钻孔内壁的岩体结合成一体，其特征在于：所述筒体外圆周上设有两条凹槽，所述光纤共有2条，分别粘贴固定在一个凹槽内，所述测量光纤光栅包括9个应变测量光栅，9个应变测量光栅分成两组，其中5个应变测量光栅顺次刻在一条凹槽内的光纤上，另外4个应变测量光栅顺次刻在另一条凹槽内的光纤上，所述胶体粘结剂为TP451环氧树脂粘合剂，所述温度补偿光栅与4个应变测量光栅一同刻在另一光纤上，所述温度补偿光栅与TP451环氧树脂粘合剂隔离。

使用前，先在围岩的相应位置钻适当孔径和深度的钻孔，然后用压缩空气对钻孔进行吹扫，吹去粉尘。然后，将TP451环氧树脂粘合剂置入本新型采场围岩三维应力监测装置的筒体内，然后安装所述活塞，将本新型采场围岩三维应力监测装置插入配用钻孔内，并使所述活塞前端直接或间接抵在配用钻孔底部岩体上，然后继续施压，利用活塞将TP451环氧树脂粘合剂经出胶通道和出胶孔挤出，待阻力明显加大时，停止。此时，TP451环氧树脂粘合剂已充分填充入前、后堵胶密封圈之间、筒体、活塞与配用钻孔内壁之间的空隙，使筒体与配用钻孔内壁的岩体结合成一体。TP451环氧树脂粘合剂凝固后，形成类似“CN207074097 U”所述的壳体外层结构。然后将光纤连接配用的光纤光栅解调仪，即可监测该处围岩三维应力变化了。

如此设计，1. 减少了光纤数量，整体长度有所缩短，便于在狭窄的井下安装。2.省略了光纤耦合器，避免了光信号的歧变，提高了测量准确性。

3.只需要在筒体外圆周上按照设计要求，加工两条凹槽，可以通过车削加工，也可以通过3D打印成型，然后将两条光纤分别嵌入相应的凹槽内，并胶粘固定，最后在相应位置刻上相应的光栅即可，加工方便。

作为优化，所述凹槽横截面呈半圆形，其宽度为1mm。如此设计，便于安装、固定光纤。

作为优化，筒体弹性模量为200GPa，壁厚2mm，所述TP451环氧树脂粘合剂挤出，凝固后，在筒体外形成的胶体粘结剂层的弹性模量为8-15GPa，厚0.5cm。如此设计，便于TP451环氧树脂粘合剂在配用钻孔孔壁与筒体及活塞之间流动。

作为优化，其还包括短管，该短管通过锥管与所述筒体后端相连，所述温度补偿光栅就设置在短管上，所述连接管套在锥管上，借以隔离所述温度补偿光栅与TP451环氧树脂粘合剂。如此设计，安装方便。

作为优化，所述筒体前端开有多个均匀分布的定位孔，所述活塞后部的相应位置上形在多个定位盲孔，上述定位盲孔与定位孔一一对应，并分别插入铅质定位销，活塞挤压TP451环氧树脂粘合剂时，所述铅质定位销可被挤断。如此设计，便于组装。

本新型采场围岩三维应力监测装置具有结构简单，加工方便，安装方便、监测准确的优点，适用于矿井、煤矿围岩的三维应力监测。

附图说明

下面结合附图对本新型采场围岩三维应力监测装置作进一步说明：

图1是本新型采场围岩三维应力监测装置的结构示意图；

图2是本新型采场围岩三维应力监测装置中的筒体的展开结构示意图；

图3是使用本新型采场围岩三维应力监测装置所得各光栅波长变化图。

图中：1为连接管、2为筒体、3为活塞、4为温度补偿光栅、5为光纤、6为前堵胶密封圈、7为后堵胶密封圈、8为出胶通道、9为出胶孔、10为配用钻孔、11为凹槽、12为短管、13为锥管、14为铅质定位销、15为岩体。

A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4均为应变测量光栅。

具体实施方式

实施方式一：如图1-2所示，本新型采场围岩三维应力监测装置包括连接管1、筒体2、活塞3、温度补偿光栅4、测量光纤光栅和光纤5，所述筒体2后端连接在所述连接管1上，活塞3前部外圆周上和连接管1外圆周上分别设有环槽，二者的环槽内分别套有前堵胶密封圈6和后堵胶密封圈7，所述活塞3主体呈圆柱形，其上设有一个出胶通道8，该出胶通道8与活塞3的轴心线重合或平行，该出胶通道8入口位于活塞3后端面上，前堵胶密封圈6内侧的活塞3上设有多个出胶孔9，上述出胶孔9均与所述出胶通道8前端相通，所述测量光纤光栅附着在筒体2外圆周上，所述筒体2内贮有胶体粘结剂，所述活塞3后端就插入所述筒体2的前端口内，二者之间密封，安装时，所述活塞3前端直接或间接抵在配用钻孔10底部岩体15上，所述活塞3后部压入所述筒体2内，筒体2内的胶体粘结剂经出胶通道8和出胶孔9挤出，填充入前、后堵胶密封圈6、7之间的筒体2、活塞3与配用钻孔10内壁之间的空隙，使筒体2与配用钻孔10内壁的岩体15结合成一体，其特征在于：所述筒体2外圆周上设有两条凹槽11，所述光纤5共有2条，分别粘贴固定在一个凹槽11内，所述测量光纤光栅包括9个应变测量光栅，9个应变测量光栅分成两组，其中5个应变测量光栅A1、A2、A3、A4、A5，顺次刻在一条凹槽11内的光纤5上，另外4个应变测量光栅B1、B2、B3、B4顺次刻在另一条凹槽11内的光纤5上，所述胶体粘结剂为TP451环氧树脂粘合剂，所述温度补偿光栅4与4个应变测量光栅B1、B2、B3、B4一同刻在另一光纤上，所述温度补偿光栅4与TP451环氧树脂粘合剂隔离。

9个应变测量光栅分布在筒体2的不同方位角上，相互间隔45°，其中A4和B2方位角为45°，A5方位角为90°，B3方位角为135°，B4方位角为180°，A2方位角为225°，A1方位角为270°，A3和B1方位角为315°。

所述凹槽11横截面呈半圆形，其宽度为1mm。筒体2弹性模量为200GPa，壁厚2mm，所述TP451环氧树脂粘合剂挤出，凝固后，在筒体2外形成的胶体粘结剂层的弹性模量为8-15GPa，厚0.5cm。

本新型采场围岩三维应力监测装置还包括短管12，该短管12通过锥管13与所述筒体2后端相连，所述温度补偿光栅4就设置在短管12上，所述连接管1套在锥管13上，借以隔离所述温度补偿光栅4与TP451环氧树脂粘合剂。

所述筒体2前端开有多个均匀分布的定位孔，所述活塞3后部的相应位置上形在多个定位盲孔，上述定位盲孔与定位孔一一对应，并分别插入铅质定位销14，活塞3挤压TP451环氧树脂粘合剂时，所述铅质定位销14可被挤断。所述筒体2和活塞3均由3D打印成型。

图3为本新型采场围岩三维应力监测装置测得各个光栅波长变化图。

Claims (4)

1.一种新型采场围岩三维应力监测装置，包括连接管、筒体、活塞、温度补偿光栅、测量光纤光栅和光纤，所述筒体后端连接在所述连接管上，活塞前部外圆周上和连接管外圆周上分别设有环槽，二者的环槽内分别套有前堵胶密封圈和后堵胶密封圈，所述活塞呈圆柱形，其上设有一个出胶通道，该出胶通道与活塞的轴心线重合或平行，该出胶通道入口位于活塞后端面上，前堵胶密封圈内侧的活塞上设有多个出胶孔，上述出胶孔均与所述出胶通道前端相通，所述测量光纤光栅附着在筒体外圆周上，所述筒体内贮有胶体粘结剂，所述活塞后端就插入所述筒体的前端口内，二者之间密封，安装时，所述活塞前端直接或间接抵在配用钻孔底部岩体上，所述活塞后部压入所述筒体内，筒体内的胶体粘结剂经出胶通道和出胶孔挤出，填充入前、后堵胶密封圈之间的筒体、活塞与配用钻孔内壁之间的空隙，使筒体与配用钻孔内壁的岩体结合成一体，其特征在于：所述筒体外圆周上设有两条凹槽，所述光纤共有2条，分别粘贴固定在一个凹槽内，所述测量光纤光栅包括9个应变测量光栅，9个应变测量光栅分成两组，其中5个应变测量光栅顺次刻在一条凹槽内的光纤上，另外4个应变测量光栅顺次刻在另一条凹槽内的光纤上，所述胶体粘结剂为TP451环氧树脂粘合剂，所述温度补偿光栅与4个应变测量光栅一同刻在另一光纤上，所述温度补偿光栅与TP451环氧树脂粘合剂隔离。

2.根据权利要求1所述的新型采场围岩三维应力监测装置，其特征在于：所述凹槽横截面呈半圆形，其宽度为1mm。

3.根据权利要求1-2任一所述的新型采场围岩三维应力监测装置，其特征在于：其还包括短管，该短管通过锥管与所述筒体后端相连，所述温度补偿光栅就设置在短管上，所述连接管套在锥管上，借以隔离所述温度补偿光栅与TP451环氧树脂粘合剂。

4.根据权利要求3所述的新型采场围岩三维应力监测装置，其特征在于：所述筒体前端开有多个均匀分布的定位孔，所述活塞后部的相应位置上形在多个定位盲孔，上述定位盲孔与定位孔一一对应，并分别插入铅质定位销，活塞挤压TP451环氧树脂粘合剂时，所述铅质定位销可被挤断。

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