一种基于微电容检测的围岩应变检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种适用于煤矿井下的检测装置及方法，尤其是一种基于微电容检测 的围岩应变检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 矿井突水是煤矿五大动力灾害之一，造成的直接与间接经济损失位列煤矿灾难损 失首位。采动围岩应力是地下采掘活动影响下，原有的地应力平衡被打破，并在围岩空间重 新分布后的次生应力。采动发生后，围岩空间重新分布，岩体发生变形。有些具备松散结构 的岩体在重力、围岩应力和地下水的作用下发生形变，导致围岩的破坏。通过检测围岩应变 情况可W为预测突水灾害提供一定的依据。
[0003] 实际应用中，监测煤矿突水、矿压突出、地应力等的方式一般采用钻孔测试法，其 基本原理是在测量点施工钻孔，钻孔深度进入需要测量的地点，将传感器深入钻孔底部并 于孔壁接触后固定完成安装。钻孔测试的传感器原理包括振弦式、液压枕式和应变式，均属 于刚性包体应力计。
[0004]W上该些传感器有一个共同的缺点，那就是，传感器与钻孔壁的禪合程度决定了 测量的准确程度。通常情况下，钻孔施工完成放入传感器初期，钻孔周围岩体保持完整，没 有发生位移或形变，此时，传感器与钻孔壁不能良好接触。只有当钻孔周围岩体在重力、围 岩应力、地下水等的作用下发生形变、移动，甚至破裂，岩体与传感器完全接触之后，传感器 才能较准确的测量出应力值。另外，该些传感器只能检测出单一方向上的应力，不能测量S 维应力情况。
[0005] 因此，有必要研究出一种能够准确检测围岩应变的装置及方法，从而解决现有技 术当中的上述问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对目前钻孔测量围岩应力传感器与钻孔禪合度不够、测量方向 单一等问题，提供一种快速、准确的围岩应变检测装置及方法。该方法利用传感器与钻孔围 岩进行良好禪合，能够对围岩应变进行实时测量，同时测量=维应变情况。该种测试方法的 优点是安装及操作简单、便捷，测量准确，能够实时监控。
[0007] 本发明请求保护一种基于微电容检测的围岩应变检测装置，该装置包括应变传感 器、电容检测模块、数据处理模块，其中：
[000引应变传感器包括上极板、载体、中间介质、下极板；
[0009] 下极板与上极板正对且面积相等，上极板是一个整体，下极板分成n部分；上、下 极板用螺丝固定在载体上，与圆柱形载体完全贴合；载体为中空的圆柱形，由具有较好弹性 的及具有良好抗压性的材料构成；中间介质由压力累注入应变传感器，其中，中间介质具有 较大的相对介电常数；上极板、载体、中间介质、下极板构成n个电容对。
[0010] 电容检测模块，包括电容检测巧片及外围电路，用于检测并计算电容对的电容 值，并发送给数据处理模块；
[0011] 其中，电容对的电容值计算公式为 r1 斑
[0012] C= -- a
[0013] 其中，e是电容极板间介质的介电常数；d代表两平行极板间距离；S代表两平行 极板相对面积；
[0014] 从公式可W看出，平行板电容器的输出电容与极板间距成反比，与极板间正对面 积成正比；
[0015] 数据处理模块，用于根据电容值反馈围岩应变情况。
[0016] 其中，反馈围岩应变情况的具体过程为：对上极板与下极板组成的n个电容对进 行组合，测量其组合电容变化值，得出多个电容与位移、正对面积的方程，通过求解方程组 得出上极板的=维坐标，从而得出=维应变情况。
[0017] 本发明还请求保护一种应用于上述的检测装置中的基于微电容检测的围岩应变 检测方法，包括如下步骤：
[0018] S101，在采动空间岩体中施工一测量钻孔，将应变传感器放入其中；
[0019] S102,应变传感器连接压力累，压力累向应变传感器中注入中间介质，当传感器膨 胀至与钻孔壁良好禪合后，停止注入，卸下压力累；
[0020] S103,打开应变传感器，开始检测围岩应变情况。当围岩内部发生应变时，作用到 应变传感器上，引起传感器上的电容对的电容值变化，通过电容检测模块检测出电容对的 电容改变值，并进行处理，得出围岩应变情况。
[0021] S104,测试结束后，关闭装置电源，打开阀口放掉传感器内部的中间介质，从钻孔 中取出应变传感器。
[0022] 本发明的有益效果为：
[0023] 基于微电容检测的围岩应变检测装置及方法实现了对围岩应变进行实时、多维度 测量。本发明与现有的围岩应变测试技术相比：操作简单，传感器与围岩钻孔禪合性好，可 W连续测量=维应变并进行实时采集处理，可W反映钻孔围岩应变情况，为煤矿井下预测 突水、矿震等地质灾害提供了重要依据。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的围岩应变检测装置的结构示意图；
[0025] 图2为本发明的装置中应变传感器的结构示意图；
[0026] 图3为本发明的装置中中应变传感器的俯视图；
[0027] 图4是传感器放钻孔里的示意图；
[002引图5是传感器与钻孔贴合的示意图；
[0029] 图6为n=12时下极板编号示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，W下实施例只是描述性的，不是限 定性的，不能W此限定本发明的保护范围。
[0031] 技术原理；平行板电容器电容量的计算公式为
[0032]
[0033] 其中，e是电容极板间介质的介电常数；d代表两平行极板间距离；S代表两平行 极板相对面积。
[0034] 从公式可W看出，平行板电容器的输出电容与极板间距成反比，与极板间正对面 积成正比，即当一个正压力作用在平行板电容器上时，平行板电容器极板间距离发生改变， 引起输出电容发生改变；当一个剪切力加载在平行板电容器上时，极板正对面积发生改变， 引起输出电容变化。
[0035] 本发明即利用平行板电容器的该一特征，选择合适的材料作为中间介质，发明一 种基于微电容检测的围岩应变检测装置。当钻孔围岩发生变形时，应力作用在极板上，引起 极板间距离或者极板正对面积发生改变，传感器上布置有许多电容对，通过测量电容对的 电容值变化，进而反演出钻孔围岩应变情况。
[0036] W下通过图1-3对本发明的基于微电容检测的围岩应变检测装置作进一步的介 绍。
[0037] 本发明提供一种基于微电容检测的围岩应变检测装置100,该装置包括应变传感 器101、电容检测模块102、数据处理模块103,其中：
[003引应变传感器101包括上极板1001、载体1004、