一种用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置，涉及到地质、矿产能源及岩土工程勘察勘测【技术领域】。包括定向器、自动爬行系统、胶体储存及挤出机构、应变花固定与粘贴机构和对自动爬行系统进行控制的线控操作器；定向器、自动爬行及控制系统、胶体储存及挤出机构和应变花固定与粘贴机构依次相连。本发明可以实现孔壁应力解除法测试地应力过程中各组应变片安装到位及粘贴功能，有效解决了传统空心包体法测量地应力时应变计安装过程复杂、成功率较低、测试深度受安装导杆长度限制等问题，扩展了孔壁应力解除法测量地应力的适用范围、提高了测试效率，而且具有测试成本低廉、携带方便、现场作业简单方便等优点。
【专利说明】一种用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩体工程物理力学试验领域，具体涉及是一种用于地应力测量的的自 行可变径应变花粘贴装置。
【背景技术】
[0002] 地应力是引起矿山、水利水电、土木建筑、铁路、公路和各种地下岩土开挖工程变 形和破坏的根本作用力，是地壳表层地质力学状态最基础的原始数据，早已被公认为确定 工程岩体力学属性、进行围岩稳定分析、岩土工程开挖设计和决策必不可少的原始资料。特 别是随着地下工程深度的不断增加，应力水平迅速增高、巷道围岩应力分布及矿压显现异 常，巷道围岩破坏情况变得十分剧烈，支护更加困难。因此，只有掌握了工程所处的岩体地 应力条件，才能选取适当的开采技术以及施工方法，进而确定巷道、硐室和采场的最佳断面 形状、尺寸、支护形式和相关结构参数，从而保证工程长期稳定和安全高效运营。
[0003] 目前，钻孔孔壁应力解除法是国内外最普遍采用的且发展较为成熟的地应力测量 方法之一，较其他测试方法具有一次测试即可获取全应力状态、布点少、费用低、成功率较 高等优点。钻孔孔壁应力解除法就是在岩壁上打孔，然后将地应力测试应变计安装在孔内， 待应变计与岩壁之间的粘接剂固结后利用取芯钻头套取应变计周边的岩芯，同时对应变计 的应变恢复情况进行检测、分析和计算，进而获得某一测点的三维应力状态。
[0004] 传统的"钻孔孔壁应力解除法"，大多采用空心包体应变计，通过专用安装导杆和 定位装置将空心包体应变计经由大孔安装到与其同心的小孔中，并利用环氧树脂系胶结剂 将空心包体应变计与周围岩石胶结在一起。鉴于传统的安装工具多采用金属杆件，且直径 固定，只能靠人力推送在孔内滑动，而且应变计前端还有一个空心包体柱塞，当测试孔内部 不光滑或有部分塌孔现象时，很容易导致胶体过早挤出，而导致安装装置无法准确地将空 心包体应变计送入孔内并适时地将胶体挤出完成应变计的成功安装，大大影响了地应力测 试效率和测试效果，同时囿于安装杆件及装置的实际条件，测孔深度一般不超过15m，因此 只能在巷道附近或岩层浅层进行测试。另一方面，现有商业化的空心包体应变计费用较贵， 导致测试成本偏高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于地应力测量的自行 可变径应变花粘贴装置，适用于在地下洞室或矿山巷道里进行较深测孔的岩体三维地应力 测量。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置，包括定向器、自动爬行系统、 胶体储存及挤出机构、应变花固定与粘贴机构和对自动爬行系统进行控制的线控操作器； 所述定向器、自动爬行系统、胶体储存及挤出机构和应变花固定与粘贴机构依次相连；
[0008] 所述自动爬行系统包括保护外壳以及两个分别设置在保护外壳前、后端的可调支 撑臂伸缩机构，保护外壳内设置有具有防爆功能的12V蓄电池、防爆直流电机、电机控制模 块和双向动力输出的变速及换向器；所述线控操作器与自动爬行系统中的电机控制模块相 连接，实现装置的自动前进、停止和后退的功能；
[0009] 所述胶体储存及挤出机构包括前端盖、固定环、一次性注射器、导轨滑套、导轨滑 杆、固定板、后端盖和橡胶软管；其中的前端盖设置有外螺纹并与前端应变花固定及粘贴机 构相连接；后端盖与导轨滑杆固接在一起，为一次性注射器提供滑动导向，其后端盖设置有 内螺纹并与后方的自动爬行系相连接；
[0010] 所述应变花固定及粘贴机构包括内筒、挡圈、内筒后端盖及前端导盖，所述前端导 盖的前端为锥形结构，其中的内筒上设有应变片粘贴位置指示槽，内筒后端盖的上方设置 有用于固定采集信号电缆的电缆卡，内筒后端盖的下方设置有可穿过橡胶软管用于注胶的 注胶孔，所述内筒的表面还套设有橡胶膜并通过挡圈进行固定。
[0011] 进一步，所述可调支撑臂伸缩机构在保护外壳前、后端各设置一个，其中每个可调 支撑臂伸缩机构包括一根与保护外壳固定连接的导杆、两个驱动轮支撑臂、两个驱动臂、四 个从动轮支撑臂、一个驱动链轮、两个主动轮、两个从动轮、一个支撑臂滑套、一个压缩弹簧 和一个弹簧固定块；所述的两个主动轮水平方向相对布置，两个从动轮垂直方向相对布置， 两个从动轮与两个主动轮的直径相同且处于同一个圆周线上；所述支撑臂滑套和压缩弹簧 套设于导杆之上，两个驱动轮支撑臂的一端水平方向相对布置并铰接于支撑臂滑套上，另 一端用于支撑主动轮，两个驱动臂的一端水平方向相对布置并铰接于驱动链轮上，另一端 用于支撑主动轮，所述四个从动轮支撑臂的其中两个一端在垂直方向上相对布置并铰接于 支撑臂滑套上且同时与驱动轮支撑臂间隔90°，另两个从动轮支撑臂在垂直方向上以同 样的方式铰接于导杆上，所有从动轮支撑臂的另一端两两铰接用于支撑从动轮；压缩弹簧 的一端与弹簧固定块固定连接，压缩弹簧另一端安装在可以沿导杆滑动的支撑臂滑套上。
[0012] 本发明的有益效果是，利用本装置可直接将多组应变花方便地粘接到不同直径的 地应力测试孔孔壁上，有效克服固定直径安装工具遇到测孔内部不光滑或孔壁坍塌时测试 应变计无法准确安装等问题，还可以有效延长测孔深度，避开人为工程的影响区域，提高原 岩地应力的测试效果；同时，该装置可有效节省空心包体等类似应变计的制作时间，降低以 往类似测试方法的成本费用。本装置采用模块化设计、结构简单、组装和操作方便。本装置 采用可变径式结构，同时采用前后两组可调支撑臂伸缩机构，在遇见前段大直径测孔内部 不光滑或部分塌孔时，可以通过调整合适的装置爬行半径使装置绕过困难孔段，进而保证 后续测试工作的顺利进行。这正是有别于以往的固定半径且仅靠人为推力安装应变计的传 统工具的优点之一。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的结构示意图；
[0014] 图2为图1中自动爬行系统2的结构示意图；
[0015]图3为图1中胶体储存及挤出机构3的结构示意图；
[0016] 图4为图1中应变花固定及粘贴机构4的结构示意图；
[0017] 图5为图4的右侧视图；
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0019] 参见图1-图5,本发明实施例的用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置， 包括定向器1、自动爬行系统2、胶体储存及挤出机构3、应变花固定与粘贴机构4和对自动 爬行系统2进行控制的线控操作器5 ;所述定向器1、自动爬行系统2、胶体储存及挤出机构 3和应变花固定与粘贴机构4依次相连；
[0020] 图2示出了图1中本发明的自动爬行系统2的结构，其中图2的（a)为该自动爬 行系统2的水平投影图，图2的（b)为该自动爬行系统2的正面投影图，该自动爬行系统2 包括保护外壳 2〇9以及两个分别设置在保护外壳209前、后端的可调支撑臂伸缩机构，保护 外壳209内设置有具有防爆功能的12V蓄电池213、防爆直流电机214、电机控制模块215 和双向动力输出的变速及换向器208 ;所述线控操作器5与自动爬行系统2中的电机控制 模块215相连接，实现装置的自动前进、停止和后退的功能；
[0021] 胶体储存及挤出机构3包括前端盖301、固定环302、一次性注射器303、导轨滑套 3〇4、导轨滑杆3〇5、固定板306、后端盖307和橡胶软管308 ;其中的前端盖301设置有外螺 纹并与前端应变花固定及粘贴机构4相连接；后端盖307与导轨滑杆305固接在一起，为一 次性注射器 3〇3提供滑动导向，其后端盖307设置有内螺纹并与后方的自动爬行系统2相 连接，其前端盖301加工有外螺纹与前端的应变花固定及粘贴机构相连接；
[0022] 应变花固定及粘贴机构4包括内筒403、挡圈404、内筒后端盖405及前端导盖 401，前端导盖401的前端为锥形结构，其中的内筒403上设有应变片粘贴位置指示槽402， 内筒后端盖405的上方设置有用于固定采集信号电缆的电缆卡槽406,内筒后端盖405的下 方设置有可穿过橡胶软管308用于注胶的注胶孔407，所述内筒403的表面还套设有橡胶膜 408并通过挡圈404进行固定。
[0023] 该可调支撑臂伸缩机构在保护外壳209前、后端各设置一个，其中每个可调支撑 臂伸缩机构包括一根与保护外壳209固定连接的导杆212、两个驱动轮支撑臂204、两个驱 动臂206、四个从动轮支撑臂210、一个驱动链轮207、两个主动轮205、两个从动轮211、一 个支撑臂滑套2〇3、一个压缩弹簧202和一个弹簧固定块201 ;所述的两个主动轮205水平 方向相对布置，两个从动轮211垂直方向相对布置，两个从动轮211与两个主动轮205的直 径相同且处于同一个圆周线上；所述支撑臂滑套203和压缩弹簧202套设于导杆212之上， 两个驱动轮支撑臂204的一端水平方向相对布置并铰接于支撑臂滑套203上，另一端用于 支撑主动轮205,两个驱动臂206的一端水平方向相对布置并铰接于驱动链轮207上，另一 端用于支撑主动轮205,所述四个从动轮支撑臂210的其中两个一端在垂直方向上相对布 置并铰接于支撑臂滑套203上且同时与驱动轮支撑臂204间隔90°，另两个从动轮支撑臂 210在垂直方向上以同样的方式铰接于导杆212上，所有从动轮支撑臂210的另一端两两铰 接用于支撑从动轮211 ;压缩弹簧202的一端与弹簧固定块201固定连接，压缩弹簧202另 一端安装在可以沿导杆滑动的支撑臂滑套203上。
[0024] 定向器1属基于重力感应原理的模块化成熟产品，定向器1的主要功能是测定第 一组应变花在近水平钻孔中的位置，更具体地是指第一组应变花中心与测孔轴线中心连线 和铅直方向的夹角，定向器1与自动爬行系统2的导杆212固定连接。
[0025]自动爬行系统2主要功能在于给本装置其他组成部分提供动力，完成装置的前 进、后退和停止动作，以实现本发明产品在地应力测试孔内的自动进入、定位及退出等功 能。
[0026] 胶体储存及挤出机构3的主要功能是暂时存放需要固结各组应变花的环氧树脂 系胶结剂，并在需要的时候能够将其挤出到应变花固定及粘贴机构里。
[0027] 所述的应变花固定及粘贴机构是用以实现前期固定各组应变花及其应变片的相 对位置，待本装置将应变花运送到测试位置后，通过应变花固定及粘贴机构将各组应变花 粘结固定在孔周岩壁上，最后在自动爬行系统的配合下完成本发明装置的安全回收。
[0028] 本发明实施例的用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置使用方法主要包 括组装本装置、应变花预安装、放入测试孔并携带应变花到预定安装位置、挤胶粘贴应变 花、等待胶体固结、装置安全退出等过程。
[0029] 步骤一：组装本装置：本发明装置是模块化设计，各组成部分之间通过螺纹连接， 因此，组装过程非常方便。
[0030] 步骤二：应变片的预粘贴：本发明装置涉及到的应变花固定及粘贴机构的内筒预 留有应变片粘贴指示槽402,用以指示各应变花安装的具体位置及方向，内筒后端盖设有电 缆卡槽406,便于暂时固定电缆端部，防止本装置爬行过程中应变片脱落损坏，前端导盖的 前部设计为锥形，用于装置运行时引导本装置快速进入小口径测试孔，后侧通过插入式设 计与内筒形成配合，在应变片粘贴前阻止压盖滑落和松动。应变片预粘贴的作业过程为：将 一个橡胶膜套到应变花固定及粘贴机构4的内筒403上，并用挡圈404固定，然后根据应变 片粘贴指示槽402的指示将各应变花的每个应变片按顺序逐一用速凝胶体粘贴到指定位 置和指定方向，再将电缆端部卡在电缆卡槽里。粘贴时在内筒上套上一个橡胶膜的作用是 避免应变片与内筒粘在一起，进而影响装置的正常退出和重复利用。
[0031] 步骤三：向本装置的胶体储存及挤出机构里灌入环氧树脂类胶体。所述的胶体储 存及挤出机构3的后端盖307、固定板306、导轨滑杆305用于固定一次性注射器303的活 塞及活塞杆；导轨滑套304和导轨滑杆305为注射器活塞的运行提供导向。橡胶软管308 与注射器的出胶孔相连接，其功能是将注射器内胶体通过其内部流出到应变花固定及粘贴 机构4内。
[0032] 步骤四：组装胶体储存及挤出机构3和应变花固定及粘贴机构4,并将胶体储存及 挤出装置机构3的橡胶软管308穿到应变花固定及粘贴机构4的注胶孔407里。
[0033] 步骤五：将组装完成的本发明装置放入测试孔同时利用本装置的线控操作器5控 制本装置完成自动前进、安装定位、应变花粘贴、装置安全退出等功能。
[0034] 步骤六：连接应变数据采集线到应变仪，进行应力解除，完成地应力现场测试过 程。
[0035] 本发明提供的用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置，能够利用本装置自 带的电源提供动力，整个装置不需要人工去推进或拉出，这是有别于目前常规产品的一个 显著特点，同时此装置的使用能够将作业深度有效加大。本发明针对现有的空心包体法测 量地应力过程中的应变计及其安装工具必须在设备设计时固定直径的钻孔里才能使用的 现状，通过自动爬行系统中的前后两个可调支撑臂伸缩机构的调节，可以使该发明装置适 用于不同直径的测试钻孔。
[0036] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1· 一种用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置，其特征在于：包括定向器（1)、 自动爬行系统（2)、胶体储存及挤出机构（3)、应变花固定与粘贴机构（4)和对自动爬行系 统（2)进行控制的线控操作器（ 5);所述定向器（1)、自动爬行系统（幻、胶体储存及挤出机 构（3)和应变花固定与粘贴机构 （4)依次相连； 所述自动爬行系统（2)包括保护外壳（209)以及两个分别设置在保护外壳（209)前、 后端的可调支撑臂伸缩机构，保护外壳（209)内设置有具有防爆功能的12V蓄电池（213)、 防爆直流电机（214)、电机控制模块（215)和双向动力输出的变速及换向器（208);所述线 控操作器（5)与自动爬行系统（2)中的电机控制模块（215)相连接，实现装置的自动前进、 停止和后退的功能； 所述胶体储存及挤出机构（3)包括前端盖（301)、固定环（302)、一次性注射器（303)、 导轨滑套（304)、导轨滑杆（3〇5)、固定板（3〇6)、后端盖（307)和橡胶软管（308);其中的前 立而盖（301)设置有外螺纹并与目ij端应变花固定及粘贴机构（4)相连接；后端盖（307)与导 轨滑杆（305)固接在一起，为一次性注射器（ 3〇3)提供滑动导向，其后端盖（307)设置有内 螺纹并与后方的自动爬行系统（2)相连接； 所述应变花固定及粘贴机构（4)包括内筒（4〇3)、挡圈（404)、内筒后端盖（405)及前 端导盖（401)，所述前端导盖（401)的前端为锥形结构，其中的内筒（403)上设有应变片粘 贴位置指示槽（402)，内筒后端盖（4〇 5)的上方设置有用于固定采集信号电缆的电缆卡槽 (4〇6)，内筒后端盖（405)的下方设置有可穿过橡胶软管（ 3〇8)用于注胶的注胶孔（407)，所 述内筒（403)的表面还套设有橡胶膜（408)并通过挡圈（404)进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种用于地应力测量的自行可变径应变花粘贴装置，其特征 在于：所述可调支撑臂伸缩机构在保护外壳（209)前、后端各设置一个，其中每个可调支撑 臂伸缩机构包括一根与保护外壳（2〇 9)固定连接的导杆（212)、两个驱动轮支撑臂（204)、 两个驱动臂（2〇6)、四个从动轮支撑臂（210)、一个驱动链轮（ 2〇7)、两个主动轮（205)、两个 从动轮（211)、一个支撑臂滑套（2〇3)、一个压缩弹簧（202)和一个弹簧固定块（201);所述 的两个主动轮（2〇 5)水平方向相对布置，两个从动轮（m)垂直方向相对布置，两个从动 轮（211)与两个主动轮（205)的直径相同且处于同一个圆周线上；所述支撑臂滑套（203) 和压缩弹簧（202)套设于导杆（212)之上，两个驱动轮支撑臂（204)的一端水平方向相对 布置并铰接于支撑臂滑套（ 2〇3)上，另一端用于支撑主动轮（205)，两个驱动臂（206)的一 端水平方向相对布置并铰接于驱动链轮（ 2〇7)上，另一端用于支撑主动轮（205)，所述四个 从动轮支撑臂（210)的其中两个一端在垂直方向上相对布置并铰接于支撑臂滑套（203)上 且同时与驱动轮支撑臂（204)间隔 9〇°，另两个从动轮支撑臂（210)在垂直方向上以同样 的方式铰接于导杆（212)上，所有从动轮支撑臂（ 21〇)的另一端两两铰接用于支撑从动轮 (211);压缩弹簧（202)的一端与弹簧固定块（201)固定连接，压缩弹簧（202)另一端安装 在可以沿导杆滑动的支撑臂滑套（2〇3)上。
【文档编号】G01L1/22GK104215364SQ201410336007
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】刘钦节, 杨科, 华心祝 申请人:安徽理工大学