单孔煤岩体定向应力分布与变形一体监测装置及监测方法与流程

本发明属于矿山采动应力、煤岩体变形监测领域，具体涉及一种可回收的单孔煤岩体定向应力分布与变形一体监测装置。

背景技术：

随着我国煤矿开采深度的增加，采场周边围岩由采动应力引起的煤岩失稳现象日益严重，采动空间围岩应力也愈发复杂。工作面采动破坏了原岩应力的平衡状态，周边围岩变形移动、应力重新分布。采场和回采巷道围岩的稳定性主要取决于围岩强度、应力状况及支护与围岩变形的相互作用关系，其中围岩应力状况是决定其围岩稳定性的主要因素，围岩变形是围岩稳定性的重要指标。因此，采场及巷道围岩应力与变形监测是解决受采动影响的巷道矿压控制、预留煤柱宽度设计和巷道维护等重大技术问题的决策依据。同时，采动围岩变形、应力分布实时监测研究，有助于揭示采动空间围岩变形与应力分布及演化规律，为准确预防煤岩动力灾害提供技术支持。

随着采动的影响，煤岩体内出现卸压区域、应力集中区域，同一轴线不同位置、方向的应力大小各不相同，市场中现有的钻孔应力监测设备如36-2钻孔变形计、unsw空心包体应变计及yz系列液压枕等装置侧重于单点应力监测，这些设备的缺点是：1、多钻孔监测应力分布方案不可避免地会对煤岩体造成较大的扰动；2、无法对煤岩体单条轴线多点围岩定向应力分布、围岩变形进行同步监测；3、不同钻孔不同深度放置传感器监测煤岩体内应力、变形的方法，难以确保不同钻孔保持安装方位、钻孔角度一致；发明专利“多点煤岩体应力实时监测装置及方法”(专利号：cn104132761b)通过高压油管将胶囊串联并送入钻孔，该方式监测单元相对位置固定不仅不能实现定向应力、位移一体监测，而且会因岩体变形过大损坏装置或监测单元脱离设计监测位置影响数据准确性。因此，迫切需要一种单孔多点围岩定向应力、变形一体化实时监测装置，从而更加适合工程应用。

技术实现要素：

为了克服现有钻孔应力监测设备针对采动应力、煤岩体变形监测适应性、一致性差以及监测成本高、设备不可回收等问题，本发明提供一种可回收的单孔煤岩体定向应力分布与变形一体监测装置。

本发明同时提供利用这种监测装置对岩体定向应力分布与变形进行监测的方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种单孔煤岩体定向应力分布与变形一体监测装置，它包括多个串联的胶囊压力传感器、一个多通道压力监测仪、一个多通道位移监测仪和一套注液装置；所述的胶囊压力传感器结构是：包括一个外壳，外壳的上下面为胶囊状的弹性面，从而形成一个胶囊状的壳体；在外壳的左右两端四角处设有导轨槽，通过导轨槽将胶囊传感器卡在钻孔轨道上；在外壳内设置有两位三通电磁阀，两位三通电磁阀由控制电路控制，控制电路由液体压力传感器、电压放大器和控制开关电连接组成；每个胶囊压力传感器的控制电路通过电缆分别连接在多通道压力监测仪一个通道上；所述的两位三通电磁阀上设有上下通液口和侧通液口，上下通液口分别作为出液口和进液口，侧通液口与外壳内腔相通，各个胶囊压力传感器的进液口和出液口通过液压软管依次串联成通路后，再与设在钻孔外的注液装置连接；在外壳的一个侧面上固定有钢丝绳固定栓，每个胶囊压力传感器的钢丝绳分别连接在多通道位移监测仪的一个通道上；所述的多通道压力监测仪通过监控分站将数据传送至远程监控中心；所述的多通道位移监测仪由多个拉线式位移传感器组成，并通过监控分站将数据传送至远程监控中心；所述的注液装置在工作过程中需保持液压稳定。

为了避免煤岩体变形较大对设备造成损毁，要求液压软管和电缆的长度大于安装长度。

利用上述监测装置对煤岩体定向应力分布与变形进行监测的方法步骤如下：

第一步：根据监测方案，确定监测区域、钻孔位置、钻孔深度、监测位置、监测应力方向以及监测点数，打钻至预定深度，然后在钻孔内安装导轨；

第二步：将各个胶囊压力传感器依次串联，串联时，要求液压软管的长度大于预设的监测点间距；按照打钻方向为前方，将各个胶囊压力传感器从前到后依次编号；

第三步：将串联的胶囊压力传感器沿导轨推入钻孔至最深处，通过每个胶囊压力传感器外露钢丝绳长度判定其在钻孔中的位置，通过抽拉钢丝绳调节胶囊压力传感器位置，使得每一个监测点都安放有胶囊压力传感器；然后将每个胶囊压力传感器的钢丝绳与孔外的多通道位移监测仪连接，每个胶囊压力传感器的控制电路与孔外的多通道压力监测仪连接；液压软管与孔外的注液装置连接；

第四步：打开所有两位三通电磁阀侧通液口，通过注液装置向液压软管内注液，液体通过开启的两位三通电磁阀侧通液口流向各个胶囊压力传感器内腔，当所有胶囊压力传感器内腔灌满液体且液压达到稳定时，关闭所有两位三通电磁阀侧通液口，此时的液压为设定压力；

第五步：当围岩发生变形时，对胶囊压力传感器胶囊状弹性面进行挤压，胶囊压力传感器内的液体压力传感器感应煤岩体应力，由多通道压力监测仪实时采集各液体压力传感器感应到的压力；当某一个编号的胶囊压力传感器内腔液体压力达到胶囊压力传感器外壳能承受的压力上限值时，打开该胶囊压力传感器中两位三通电磁阀的侧通液口，此时的上限值为本次的监测值，监测值减去设定压力值极为此次监测到的煤岩体应力变化值；待液体回流到注浆装置液压恢复至设定压力值时，再次关闭该胶囊压力传感器的侧通液口，继续监测煤岩体应力，以此类推，直到监测煤岩体应力不再变化为止；将多次监测到的煤岩体应力变化值求和，即为该胶囊压力传感器对应的监测点煤岩体应力总的变化值；

上述多次监测的目的是，防止液压过大造成胶囊压力传感器胶囊面破坏。

第六步：待所有监测点监测结束，打开所有两位三通电磁阀侧通液口，胶囊压力传感器内腔液体回收至注液装置，胶囊压力传感器随钢丝绳移出钻孔，完成回收。

本发明的有益效果如下：

1、由于本发明的监测装置是将多个胶囊压力传感器串联，且每个胶囊压力传感器的液压压力传感器和钢丝绳分别连接在多通道压力监测仪和多通道位移监测仪的一个通道上，保证每个胶囊压力传感器都可以独立工作，从而使得一套监测装置可以对煤岩体单条轴线多点围岩定向应力分布、围岩变形多点实时同步监测。

2、本发明根据监测需要可将多个胶囊压力传感器通过液压软管、电缆串联使用，减少了钻孔数量，通过一个钻孔便可实现多点监测，避免了多钻孔对煤岩体造成较大的扰动，提高了探测效率，且胶囊压力感应器与煤岩主动耦合性好，探测可靠度高。

3、本发明监测装置监测完毕后打开所有三通阀侧通液口，胶囊压力传感器内液体回收至注液装置，通过拖拽钢丝绳将胶囊压力传感器沿导轨移出钻孔，实现回收再利用。

附图说明

图1为本发明监测装置实施例示意图。

图2为本发明监测装置中孔底位置胶囊压力传感器的结构示意图。

图3为胶囊压力传感器俯视图的剖面图。

图4为胶囊压力传感器主视图的剖面图。

图中：1-注液装置、2-多通道压力监测仪、3-多通道位移监测仪、4-胶囊压力传感器、5-液压软管、6-电缆、7-钢丝绳、8-导轨槽、9-固定栓、10-液压软管接口、11-胶囊状弹性面、12-外壳、13-钻孔导轨、14-螺纹孔、15-电缆接口、16-电压放大器、17-控制开关、18-液体压力传感器、19-两位三通电磁阀，20-煤岩体。

a代表上通液口，b代表下通液口，c代表侧通液口。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

如图1-4所示，本发明的监测装置，包括多个串联的胶囊压力传感器4、一个多通道压力监测仪2、一个多通道位移监测仪3和一套注液装置1；所述的胶囊压力传感器4结构见图2：包括一个外壳12，实施例中外壳12的左右面为敞口状，外壳12的上下面为胶囊弹性面11，从而形成一个含胶囊状弹性面壳体；在外壳的左右两端四角处设有导轨槽8，通过导轨槽8将胶囊压力传感器4卡在钻孔的轨道13上；在外壳12内设置有两位三通电磁阀19，两位三通电磁阀19由控制电路控制，控制电路由液体压力传感器18、电压放大器16和控制开关17电连接组成；每个胶囊压力传感器4的控制电路通过电缆6分别连接在多通道压力监测仪2的一个通道上；所述的两位三通电磁阀19上设有上、下通液口和侧通液口a、b和c，上通液口a和下通液口b分别作为出液口和进液口，侧通液口c与外壳12内腔相通，各个胶囊压力传感器4的进液口和出液口通过液压软管5依次串联成通路后，再与设在钻孔外的注液装置1连接；在外壳12的一个侧面上设有固定栓9，钢丝绳7系在固定栓9上，每个胶囊压力传感器4的钢丝绳7分别连接在多通道位移监测仪3的一个通道上。

为了方便液压软管5和电缆6的安装，提高整体安装的美观性，在胶囊压力传感器4的前后端面设有一个液压软管接口10和多个电缆接口15，通过液压软管接口10将各个胶囊压力传感器4的液压软管5连接；通过电缆接口15使得每一个控制电路的电缆6穿过其后部的所有胶囊压力传感器4内腔连接在多通道压力监测仪2的一个通道上。

利用上述监测装置对煤岩体定向应力分布与变形进行监测的方法步骤如下：

第一步：根据监测方案，确定监测区域、钻孔位置、钻孔深度、监测位置以及监测点数打钻至预定深度，然后在钻孔内安装导轨13，安装导轨13时，可以通过螺纹孔14逐节安装；

第二步：将各个胶囊压力传感器4依次连接，串联时，要求液压软管5的长度大于预设的监测点间距；按照打钻方向为前方，将各个胶囊压力传感器4从前到后依次编号；

第三步：将串联的胶囊压力传感器4沿导轨13推入钻孔至最深处，通过每个胶囊压力传感器4外露钢丝绳7长度判定其在钻孔中的位置，通过抽拉钢丝绳7调节胶囊压力传感器4位置，使得每一个监测点都安放有胶囊压力传感器4；然后将每个胶囊压力传感器4的钢丝绳7与孔外的多通道位移监测仪3连接，每个胶囊压力传感器4的控制电路与孔外的多通道压力监测仪2连接；液压软管5与孔外的注液装置1连接；

第四步：打开所有两位三通电磁阀19侧通液口c，通过注液装置1向液压软管5内注液，液体通过开启的两位三通电磁阀19侧通液口c流向各个胶囊压力传感器4内腔，当所有胶囊压力传感器4内腔灌满液体且液压达到稳定时，关闭所有两位三通电磁阀19侧通液口c，此时的液压为设定压力；

第五步：当围岩发生变形时，对胶囊压力传感器4胶囊状弹性面进行挤压，胶囊压力传感器4内的液体压力传感器18感应煤岩体应力，由多通道压力监测仪2实时采集各胶囊内液体压力传感器18感应到的压力；当发现某一个编号的胶囊压力传感器4内腔液体压力达到胶囊压力传感器4外壳12能承受的压力上限值时，打开该胶囊压力感应器4中两位三通电磁阀19的侧通液口c，此时的上限值为本次的监测值，监测值减去设定压力极为此次监测到的煤岩体20的应力变化值；

待液体回流到注浆装置1液压恢复至设定压力时，再次关闭该胶囊压力传感器4的侧通液口c，继续监测煤岩体应力，以此类推，直到监测煤岩体应力不再变化为止；将多次监测到的煤岩体应力变化值求和，即为该胶囊压力感应器4对应的监测点煤岩体应力总的变化值；

上述多次监测的目的是防止液压过大造成胶囊压力传感器4的胶囊面破坏。

第五步：待所有监测点监测结束，打开所有两位三通电磁阀19侧通液口c，胶囊压力传感器4内腔液体回收至注液装置1，胶囊压力传感器4随钢丝绳7移出钻孔，完成回收。