一种基于包体先行的地应力无线探测装置及方法

本发明涉及地下工程地应力勘测，具体地说是涉及一种基于包体先行的地应力无线探测装置及方法。

背景技术：

1、地应力是引起地下工程如煤矿、金属矿与非金属矿等巷道掘进、硐室开挖过程与维护中围岩变形的根本作用力。确定围岩岩体的力学参数与性质，有助于加强对围岩稳定性的认知，给出安全、经济与高效的支护方法，减少地下工程的人员伤亡与经济损失，是地下工程开展过程中科学决策、安全高效的必要前提。

2、目前，对于地下工程硐室开挖后其围岩岩体地应力的测量，主要采用空心包体应力解除法进行测量，这也是国内外在工程实践中最普遍采用的方法之一，是国际岩石力学学会推荐的方法之一。发明人团队发现，当前的空心包体应力解除法，在实际施工探测过程中仍存在较多问题：1、当前的空心包体应力解除法，其应用的地应力探测装置，其整体为前置的导向部和后置的包体，对应的空心包体应力解除法采用“先钻大孔，再在大孔的末端钻小孔”的探测顺序。这导致向小孔送入包体的过程中，即使推送杆之间有导向轮相连接，但推送杆依然会因其自身重力及其过长的力臂导致推送杆前方的包体无法准确对准小孔，降低探测的效率，甚至损坏包体。2、在一些软岩巷道如围岩性质为泥岩的岩巷，采用空心包体应力解除法施工，先钻的大孔往往会因为其岩性软弱而塌孔，导致后续的包体无法送入孔底，需要重新钻孔施工，工作强度较高，也降低了工作效率。3、一般的空心包体应力解除法推荐的钻孔深度达8-12m，在送入包体后，需大力推送包体以便包体溢胶从而达到与其周围岩体固结的目的。但在实际施工过程中，包体是否完全溢胶不得而知，完全依靠现场测量人员的经验，是非常不准确的。单个包体价格较高，若包体未完全溢胶，经济损失与工作量损失较大。4、采用空心包体应力解除法进行解除的过程中，包体后方电缆需穿过空心钻杆，从钻机末端的水尾处引出，再与采集仪连接记录解除的实时数据。但是在实际施工中，每个矿井之间水尾规格不尽相同，也不一定有符合地应力要求的三通水尾(钻杆、水、包体线缆三通)，测量人员自备的三通水尾往往无法在各个矿井通用，需另行加工变径构件以匹配，徒增工作量，也降低了工作效率。5、同样是在空心包体应力解除的过程中，包体尾部的电缆通过三通引出，但解除过程中，钻机依旧在工作，极大概率出现钻机尾部钻杆将包体线缆绞死的情况，直接导致测量数据无法正常记录，带来了极大的经济损失。6、空心包体应力解除过程中，采集仪需要与包体线缆进行连接，由于是点对点的连接，因此需要连接16甚至32根线，需耗费较大的人力、物力。7、空心包体测量后无法复用，额外增加了经济负担。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于包体先行的地应力无线探测装置及方法，以简化探测操作，降低探测作业施工强度，提高探测效率，降低经济成本投入。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

3、一种基于包体先行的地应力无线探测装置，包括包体发射部、包体溢胶前部、包体溢胶后部、转接部和推送杆；

4、所述包体发射部内置有第一电控单元，所述第一控制单元设置有第一控制器及与其信号连接的应变片、三维定向模块、存储模块和第一无线通讯模块；

5、所述包体溢胶前部的前端开设有溢胶孔，所述包体溢胶前部的后端设置为挤胶柱塞，所述包体溢胶前部的内部设置有导胶管，所述导胶管的一端位于挤胶柱塞的末端，所述导胶管的另一端连通所述溢胶孔；

6、所述包体溢胶后部的前端设置为筒体，所述筒体内充填有胶液；

7、所述包体发射部连接所述包体溢胶前部的前端，所述挤胶柱塞连接于所述筒体内部，所述挤胶柱塞滑动配合所述筒体，所述转接部的前端可拆卸连接所述包体溢胶后部的后端，所述转接部的后端连接若干节所述推送杆。

8、优选的，所述挤胶柱塞的末端设置有触发头；

9、所述包体溢胶后部内置有第二电控单元，所述第二电控单元设置有第二控制器及与其信号连接的第二无线通讯模块，所述筒体的底端设置有与第二控制器信号连接的触发开关；

10、所述挤胶柱塞的末端移动至所述筒体的底端时，所述触发头触发所述触发开关，以向所述第二控制器传递触发信号。

11、优选的，还包括信号响应终端，所述信号响应终端无线连接所述第二无线通讯模块；

12、第二控制器将触发信号经第二无线通讯模块传递至信号响应终端，所述信号响应终端发出响应信号。

13、优选的，所述挤胶柱塞连接于所述筒体内部初始状态时，所述挤胶柱塞与所述筒体之间经限位件连接；在外力作用下，所述挤胶柱塞沿着所述筒体滑动时，所述限位件断开。

14、优选的，所述挤胶柱塞的末端设置有第一限位孔，所述筒体的上端设置有第二限位孔，所述第一限位孔与所述第二限位孔之间连接有限位丝。

15、优选的，所述挤胶柱塞的外壁沿着伸展方向设置有若干个导向棱条，所述筒体内壁沿着伸展方向设置与所述导向棱条匹配的导向槽，所述导向棱条滑动配合所述导向槽。

16、优选的，所述转接部的前端设置为插接杆，所述包体溢胶后部的后端开设有插接孔，所述插接杆连接于所述插接孔内部。

17、优选的，至少一节所述推送杆内置有第三电控单元，所述第三电控单元设置有第三控制器及与其信号连接的第三无线通讯模块。

18、优选的，所述包体发射部可拆卸连接所述包体溢胶前部的前端。

19、一种基于包体先行的地应力无线探测方法，应用上述的基于包体先行的地应力无线探测装置，包括如下步骤：

20、步骤1、利用钻机向围岩施工第一钻孔；

21、步骤2、在推送杆的推送下，探测装置布置于第一钻孔的底部；

22、步骤3、推送杆继续向第一钻孔内推送，以使挤胶柱塞沿着筒体滑动，胶液从溢胶孔溢出粘结包体和第一钻孔内壁，直至信号响应终端发出响应信号，将推送杆及转接部退出第一钻孔；

23、步骤4、在经过设定时间后，外置的第四电控单元无线连接第一无线通讯模块，第四电控单元激活第一控制器读取应变片的应变数据、三维定向模块的三维坐标数据并存储至存储模块；

24、步骤5、利用钻机向围岩施工第二钻孔，第二钻孔的孔径大于第一钻孔的孔径，将发射部、包体溢胶前部及包体溢胶后部处解除，并将发射部、包体溢胶前部及包体溢胶后部随岩芯取出；

25、步骤6、读取存储模块中的应变数据及三维坐标数据。

26、本发明的有益技术效果是：

27、本发明的基于包体先行的地应力无线探测装置，应用于地应力无线探测方法，探测装置的包体(包体发射部、包体溢胶前部及包体溢胶后部)前置，在将包体送入时只需要先钻一个内径不变的钻孔，可以方便地将包体送入钻孔的底部，提高了探测效率，避免损坏包体；在钻完一个钻孔后，即可将包体送入孔底，不需要在钻孔孔底再钻小孔，以尽可能避免钻孔塌孔重新钻孔施工；通过信号响应终端发出响应信号，则可准确地判断胶液完全溢胶；采用无线通讯方式进行控制及数据的传输，不必再进行电缆布线，简化了施工操作；包体的核心部分包体发射部可以重复使用，降低了经济成本投入。