专利名称：煤岩体地应力连续测试装置及方法
技术领域：
本发明涉及监测煤岩体地应力大小与煤岩体地应力随采动和顶板活动的变化规律，属矿 山地应力监测技术领域。
背景技术：
地应力是指地下煤岩层受到的应力，主要包括由上覆岩层自重引起的自重应力和由地质构
造作用引起的构造应力。自重应力o;^^Z， y为上覆煤岩层比重，z为垂直深度。
在煤炭等资源井下开采过程中，开采活动破坏了煤岩原始应力平衡状态，引起采动空间周 围的应力重新分布。因此，采掘空间周围煤岩体的应力也包括采动应力。在采场和回采巷道周 围，由于围岩应力的作用促使围岩发生变形、移动和破坏，可能出现顶板冒落与来压、顶底板 移近、支架受载下縮、折损等矿压现象，也可能出现煤与瓦斯突出、突水、冲击地压等动力现 象。
地应力大小是煤矿开采、支护及顶板控制(含冲击矿压)、煤与瓦斯突出等灾害预防的基 础参数，测试及评估煤岩体应力是矿压观测的主要内容，是解决受采动影响的巷道矿压控制、 开采程序设计、巷道位置合理选择与维护、冲击地压和煤与瓦斯突出预测和防治、承压水上煤 体安全开采等重大技术问题的决策依据。
地应力测试是一项非常复杂的工程。目前，工程中检测应力的传感器种类繁多，适用范围 较广，但真正适合煤矿井下生产条件，在构造作用区或受采动影响区可以实时监测煤岩体应力 及其变化的测试装置及测试方法却较少。
在工程实践中，岩体应力状态测试方法或装置主要有孔底应变法、36-2钻孔变形计(申请 号未公开)、小孔径水压致裂地应力测试装置(申请号03257022)、和深孔大地应力检测装 置的伸縮式贴片头(申请号200420111711.8)和钻孔应力计等，其应用特点见表l.
表l应力测试装置应用特点表
专利名称应用特点
孔底应变法通过测定钻孔孔底岩体在应力解除前后不同方向的应变变 化量，计算得到原岩应力。但是，测试过程工序繁多、操作复 杂；在有裂缝的岩层及煤体中无法测试；在受采动影响的煤岩 体中无法测试；不能连续测试。
36-2钻孔变形计通过测定钻孔横截面内原岩应力解除前后孔径变化值来计 算原岩应力。但是，测试过程工序繁多、操作复杂；在有裂缝 的岩层及煤体中无法测试；不能连续测试。
小孔径水压致裂用高压水使岩体致裂，通过测试裂缝产生前后水压的变化 来测试及计算最小主应力的大小及方向。该方法比较直接，可地应力测试装置以直接确定方向。但在煤体、受采动影响的岩体或节理发育的 岩体中，难以应用；不能连续测试；
深孔大地应力检测装置 的伸縮式贴片头深孔大地应力检测装置是在深孔中用伸縮式片头结构传感 器采集地应力值。然而，在矿井恶劣的环境下，安装时很容易 影响到应变片的应变性能，使测试效果可靠度大大降低，且此 装置不能测试地应力的初始值，需要传感器与煤岩体进行良好 耦合。在煤体、受采动影响的岩体或节理发育的岩体中，不能 应用；不能连续测试。
钻孔应力计利用钢弦振动频率与压力或拉力成正比的原理测量应力 的，主要用来测量煤矿预留煤柱应力的变化，或用来测量基坑 岩体或土基础，在开挖前后应力的变化情况。但是，不能实现 传感器初始与煤岩体的完全紧密接触，初始适应能力差，需要 当煤岩体变形后与传感器良好接触，才能测试出应力。
发明内容
技术问题本发明的目的是针对目前原岩地应力测试复杂、要求高，采动应力测试适应 性及及时性差，提供一种能够快速、实时、适应各种受载煤岩体(原始的煤岩体和破碎的煤岩 体)、操作简便的地应力测试方法，该方法的主要测试指标为受载煤岩体的应力。该方法利用 胶囊液压传感器与煤岩体进行良好耦合，能够对矿山或隧道围岩的应力状态进行实时的测试及 显示，并可通过软件查看分析地应力随采动和顶板活动的变化规律。这种测试方法的优点是安 装及操作安全、方便、快捷，对生产影响较小，能够实时监控，费用低。
技术方案胶囊压力感应器送入被测钻孔的指定位置，通过增大胶囊的油压，传感器可 与煤岩壁紧密接触。由于胶囊具有膨胀性和收縮性，能够与煤岩体进行自适应耦合。当地应力 发生变化时，电子数显液压传感器将显示压力数据及其变化情况；电子数显液压传感器也可与 现有的煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面监测主机中，进而传输到各终端计 算机中。
本发明的煤岩体地应力连续测试装置包括地应力传感器、数据采集仪和高压油泵，其特征 在于地应力传感器包括前置胶囊压力感应器、高压油管、三通、电子数显液压传感器、阀门 和快换接头;前置胶囊压力感应器和高压油管顺序串联连接后通过三通与电子数显液压传感器 相接，该三通的另一端通过阀门与高压油泵相接，连接处均用快换接头连接；数据采集仪包括 A/D转换电路、CPU处理器、数据存储器、程序存储器、显示器、RS232通讯电路、标准信号输 出电路、操作键盘和电源；电子数显液压传感器与A/D转换电路、CPU处理器串联连接，数据存 储器、程序存储器、显示器、RS232通讯电路、标准信号输出电路、操作键盘分别接CPU处理器。
使用如权利要求l所述的煤岩体地应力连续测试装置的测试方法为
a. 在需要测定地应力的地点向煤岩体内部打钻孔，钻孔深度应达到测试所需位置；
b. 将地应力传感器的前置胶囊压力感应器送入被测钻孔的指定位置；
c. 将地应力传感器与数据采集仪连接，并打开数据采集仪的电源；
d. 打开阀门，由高压油泵向前置胶囊压力感应器、高压油管注入液体，当电子数显液压
传感器的显示压力趋于稳定时，停止注液，关闭阀门，卸下高压油泵；
e .液压传感器与现有的煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面监测主机中，进而传输到各终端计算机中；
f. 按下数据采集仪的开始键，开始实时采集数据，同时进行显示和存储，其可以反映出 地应力随采动和顶板活动的变化规律；
g. 通过标准信号输出接口与已有的KJ煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地 面，实现24小时不间断监测数据采集仪也可通过电话线与地面MODEM和计算机连接并通讯；
h. 测试结束后，首先关闭数据采集仪电源，打开阀门放油，然后从钻孔中抽出胶囊压力 感应器；
i. 将数据采集仪带到地面，与计算机连接，用RS232通讯电路进行通讯，并通过软件查看 分析地应力随采动和顶板活动的变化规律。
地应力连续测试装置由地应力传感器、数据采集仪和高压油泵组成。可实现传感器与煤岩 体主动耦合、连续测试、数据实时采集、数据远距离显示、数据自动存储、通过软件查看分析 地应力随采动和顶板活动的变化规律、本质安全防爆等功能。
胶囊压力感应器的主要技术指标
1) 承受压力自由状态下不小于40Mpa，受限情况下不小于60MPa;
2) 尺寸外径d)39 100土2mm,全长L,110 400土2mm,感应部分L长70~320mm;
3) 膨胀系数不小于60%—80%:
4) 适应孔径- 42tnm 105mm;
5) 灵敏度0.5%F*S,可适应不同煤层及地质条件；
6) 测试要求选定需要进行监测的区域，确定测点，向测点打钻孔，钻孔深度应超过测 试所需位置，孔径为42mm 105mm，以便于测试装置与煤(岩)壁紧密接触；
电子数显液压传感器或压力传感器的主要技术指标
1) 防爆型式Exdl腿;
2) 防护等级IP65;
3) 灵敏度0. 5%F*S;
4) 记录方式数据采集仪连续采集数据，也可实现数据实时输出、中心计算机自动存储；
5) 量程0 60MPa
6) 输出方式测试结果以4 20mA或l 5V信号方式输出；
7) 电源12VDC,可由监测系统供电；
8) 测试要求加载压力不能超过量程的120%:
9) 液压传感器也可直接与KJ煤矿监测系统分站连接，进行通讯和数据显示。
高压油管的主要技术指标-
1) 材料内含多层金属网的高强阻燃塑料，或不锈钢管；
2) 承受压力0 60.0MPa;
3) 长度L3为0 50m，根据现场要求而定；
4) 油管内径变形小于0.5%。。 数据采集仪的主要技术指标
1) 通道数8通道，可采集l-8路数据；
2) 输入数据型式4 20mA, 1~5V或200-1000Hz信号，可选；
3) 输出连接方式可通过RS232接口到计算机连接，也可通过电话线、CAN总线或光纤与KJ煤矿安全监测系统连接。
地应力连续测试方法主要包含以下指标
1) 胶囊压力感应器与煤岩体耦合方式自适应耦合；
2) 数据接收方式实时采集数据。胶囊压力感应器放置在钻孔中不受作业场所中自然环 境、工作机械及工作人员的干扰。
3) 数据处理方式实时处理、实时显示、实时输出。
有益效果煤岩体地应力连续测试装置及方法实现了对原岩或破碎煤岩体地应力进行连 续、实时测试。本发明与现行的煤岩体应力测试技术相比操作更快捷、简便，压力感应器与 煤岩体主动耦合性好，大大减少了测试工作量，基本不受人工等外界干扰，原岩体中和破碎的 煤岩体中均可进行连续测试，可反映采动和顶板活动引进的应力变化。也可广泛应用于矿山、 土木、水利、道路、隧道和地下工程的地应力测试和围岩稳定性分析等。
图l是本发明煤岩体地应力连续测试传感器结构示意图。其中包括胶囊压力感应器l、 高压油路管2、三通3、电子数显液压传感器4、阀门5、快换接头6和高压油泵7。
图2是本发明数据采集仪的示意图。其中有A/D转换电路8、 CPU处理器9、数据存储器IO、 程序存储器ll、显示器12、电源16、 RS232通讯电路13、标准信号输出电路14、高压油路和键 盘15。
图3是本发明煤岩体地应力连续测试装置及测试方法观测仪器布置示意图。 图4是本发明煤岩体地应力连续测试方法流程图。
图5是本发明在某矿23130掘进巷道780米左邦8米深处测得的煤体应力实测结果。 图6是本发明在某矿23070回采工作面上顺槽前方50米煤体内8米深处测得的煤体应力 及受采动影响变化曲线。
具体实施例方式
本发明主要由地应力传感器、数据采集仪和高压油泵三部分组成，下面分别予以说明。 (1) 地应力传感器
地应力传感器由前置胶囊压力感应器1、高压油管2、三通3、电子数显液压传感器4、 阀门5和快换接头6组成；胶囊压力感应器1直径(t)39 100mm,全长L,110 400mm,感应部 分L2长70 320nun;高压油路管2长度L为0~50m,根据现场要求而定；电子数显液压传感器 4可与现有的煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面监测主机中，进而传输到各 终端计算机中；阀门5为截止阀。
a. 胶囊压力感应器1采用高压膨胀胶管，工作温度为-40'C +100°C，不受湿度影响， 胶囊压力感应器1直径(J)39 100國，全长L,110 400mm，感应部分U长70~320mm。
b. 高压油管2采用内含多层金属网的高强阻燃塑料管，能够承受压力为60MPa，高压油 路管2长度L3为0 50m，根据现场要求而定。
c. 电子数显液压传感器4可以以4 20mA电流信号或1 5V电压信号方式实时输出压力 信息，灵敏度达到0.5%F*S。电子数显液压传感器4防爆型式ExdlIBT4;防护等级IP65 完全可以满足矿井安全需要。电子数显液压传感器4可与现有的煤矿安全监测系统分站17连接，将数据实时传输到地面监测主机中，进而传输到各终端计算机中。
(2) 数据采集仪
数据采集仪主要组成有A/D转换电路8、 CPU处理器9、数据存储器IO、程序存储器ll、 显示器12、 RS232通讯电路13、标准信号输出电路14。
a. CPU处理器9本发明的中央处理单元选用MCS-96系列的80C196KB单片机。
b. 数据存储器10根据设计要求，本系统既能实时把测试的数据通过标准输出接口传输 到地面，也能把测试的数据存储起来，留待以后传输给计算机。所以要求系统中的数据存储器 的容量也应足够大。数据存储器选用容量为512KB的628512芯片。
c. 程序存储器11考虑到本系统主要是测试数据，并不进行复杂的数据处理，所以程序 存储器选用16K字节的27C128已能满足要求。
d. 显示器12显示器选用耗电极低的液晶显示器。为了编程方便和节省程序存储器空间， 以及显示内容丰富，选用每行16个字符共2行的液晶显示器。显示器和主板的连接通过插座 CH2完成。
e. RS232通讯电路13为了确保信号实时准确输出，本发明采用了 RS232通讯电路。
f标准信号输出电路14为了能把测试的数据实时传输给监测系统，系统中设计了输出接 口电路。测试结果信号有两种输出方式， 一种以4 20mA电流信号输出，另一种以1 5V电压 信号输出，以便适应不同的监测系统要求。这两种信号输出形式可适应目前不同的监测系统， 均可通过电缆与监测系统分站进行联接，可以把测试的数据实时的传输给监测中心计算机，进 而输出给监测终端计算机。也可通过电话线直接传输到地面MODEM和计算机中。
(3) 高压油泵7采用了SZB-3型号的手动液压泵。此液压泵具有体积小、重量轻、便与 携带，且在打压60兆帕的压力下，最大手摇力《500iV，完全可以满足现场单人操作。
(4)其它说明
本装置直接使用监测分站提供的DC12 21V电源。
地应力连续测试装置包括地应力传感器(含前置胶囊压力感应器、髙压油管、三通、液压 传感器、阀门和快换接头)、数据采集仪(含A/D转换电路、CPU处理器、数据存储器、程序存 储器、显示器、RS232通讯电路、标准信号输出电路、操作键盘和电源)和高压泵组成。其中 前置胶囊压力感应器和高压油管顺序串联连接后通过三通与电子数显液压传感器相接，该三通 也通过阀门与高压油泵相接，连接处均采用快换接头连接；电子数显液压传感器与数据采集仪 的A/D转换电路、CPU处理器串联连接，数据存储器、程序存储器、显示器、KS232通讯电路、 标准信号输出电路、操作键盘分别接CPU处理器；液压传感器或数据采集仪的标准信号输出电 路可与现有的煤矿安全监测系统分站连接，数据采仪也可通过电话线直接与地面MODEM和计算 机连接。数据采集仪在地面可通过RS232接口与计算机连接并通讯。
地应力连续测试方法为
在需要测定地应力的地点向煤岩体内部打钻孔，钻孔深度应达到测试所需位置；将地应力 传感器的前置胶囊压力感应器送入被测钻孔的指定位置；将地应力传感器与数据采集仪连接， 并打开数据采集仪的电源；打开阀门，由高压油泵向前置胶囊压力感应器、高压油管注入液体 (水、油或乳化液)，当液压传感器的显示压力趋于稳定时，停止注液，关闭阀门，卸下高压 油泵；液压传感器可与现有的煤矿安全监测系统分站直接连接，将数据实时传输到地面监测主 机中，进而传输到各终端计算机中；用数据采集仪采集时，按下数据采集仪的开始键，开始实
7时采集数据，同时进行显示和存储，其可以反映出地应力随采动和顶板活动的变化规律；数据 采集仪可与已有的KJ煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传输到地面，实现24小时不间断 监测；数据采集仪也可通过电话线与地面MODEM和计算机连接并通讯，在计算机中查看地应力 数据大小及其变化；测试结束后，首先关闭数据采集仪电源，打开阀门放油，然后从钻孔中抽 出胶囊压力感应器；可将数据采集仪带到地面，与计算机连接，用RS232通讯电路(13)进行 通讯，并通过软件査看分析地应力随采动和顶板活动的变化规律。
图5是本发明在某矿23130掘进巷道780米左邦8米深处测得的煤体应力实测结果。从图 上可以看出，在传感器安装41小时后与煤岩体进行了良好的耦合，测得23130掘进巷道780 米左邦8米深处的应力为15. OlMPa。
图6是本发明在某矿23070回采工作面上顺槽前方50米煤体内8米深处测得的煤体应力 及受采动影响变化曲线。从图中可以看出，当传感器初始油液压力为5MPa时，90小时后传感 器压力趋于稳定，约130小时后受采动影响，煤体应力增高，220小时时煤岩体应力达到最大 值24. 14MPa,此处煤体采动应力集中系数为1. 6。
权利要求
1、一种煤岩体地应力连续测试装置，包括地应力传感器、数据采集仪和高压油泵，其特征在于地应力传感器包括前置胶囊压力感应器(1)、高压油管(2)、三通(3)、电子数显液压传感器(4)、阀门(5)和快换接头(6)；前置胶囊压力感应器(1)和高压油管(2)顺序串联连接后通过三通(3)与电子数显液压传感器(4)相接，该三通(3)的另一端通过阀门(5)与高压油泵(7)相接，连接处均用快换接头(6)连接；数据采集仪包括A/D转换电路(8)、CPU处理器(9)、数据存储器(10)、程序存储器(11)、显示器(12)、RS232通讯电路(13)、标准信号输出电路(14)、操作键盘(15)和电源(16)；电子数显液压传感器(4)与A/D转换电路(8)、CPU处理器(9)串联连接，数据存储器(10)、程序存储器(11)、显示器(12)、RS232通讯电路(13)、标准信号输出电路(14)、操作键盘(15)分别接CPU处理器(9)。
2、 一种使用如权利要求l所述的煤岩体地应力连续测试装置的测试方法，其特征在于该 方法为a. 在需要测定地应力的地点向煤岩体内部打钻孔，钻孔深度应达到测试所需位置；b. 将地应力传感器的前置胶囊压力感应器(1)送入被测钻孔的指定位置； C.将地应力传感器与数据釆集仪连接，并打开数据采集仪的电源；d.打开阀门(5)，由高压油泵(7)向前置胶囊压力感应器(1)、高压油管(2)注入 液体，当电子数显液压传感器(4)的显示压力趋于稳定时，停止注液，关闭阀门(5)，卸 下高压油泵(7);e .液压传感器(4)与现有的煤矿安全监测系.统分站连接，将数据实时传输到地面监测 主机中，进而传输到各终端计算机中；f. 按下数据采集仪的开始键，开始实时采集数据，同时进行显示和存储，其可以反映 出地应力随采动和顶板活动的变化规律；g. 通过标准信号输出接口 (14)与已有的KJ煤矿安全监测系统分站连接，将数据实时传 输到地面，实现24小时不间断监测；数据采集仪也可通过电话线与地面MODEM和计算机连接 并通讯；h. 测试结束后，首先关闭数据采集仪电源，打开阀门(5)放油，然后从钻孔中抽出胶 囊压力感应器；i. 将数据采集仪带到地面，与计算机连接，用RS232通讯电路(13)进行通讯，并通过软 件查看分析地应力随采动和顶板活动的变化规律。
全文摘要
煤岩体地应力连续测试装置及方法主要用于测试原岩或破碎煤岩体的应力及其变化规律，该装置由地应力传感器、数据采集仪和高压油泵组成，本煤岩体地应力连续测试装置可单独工作，也可与数据采集仪连接工作。地应力传感器由前置胶囊压力感应器(1)、高压油管(2)、三通(3)、电子数显液压传感器(4)、阀门(5)和快换接头(6)组成。在钻孔中布置胶囊压力感应器，通过注入油液使压力感应器与煤岩体良好耦合；测试地应力结果在压力表上直接显示；传感器可与煤矿安全监测系统直接连接，也可由数据采集仪采集数据并进行远距离传输，也可通过电话线与地面MODEM和计算机通讯；在地面计算机软件中查看地应力数据大小及其变化规律。
文档编号G01L1/02GK101514926SQ200910029898
公开日2009年8月26日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者徐文全, 王恩元, 颜丙沂 申请人:中国矿业大学;徐州福安科技有限公司