一种伞型深孔三向应力及位移综合测试装置的制作方法

本发明涉及工程勘察勘测技术领域，具体涉及一种伞型深孔三向应力及位移综合测试装置。

背景技术：

矿产资源地下开采、水利水电、公路隧道及地基基础等岩土体工程中，应力和围岩位移的及时监测分析，是防止工程体围岩大变形、损伤破坏，实施安全高效生产的有效方法。这是因为矿山井下开采及其他岩体工程的施工都将引起原岩应力场发生改变并形成新的应力状态，在其周围一定范围内的岩石体内产生影响区域、发生岩层移位，若此类岩石位移不能及时有效的控制，积累到一定程度后就会引发工程安全事故。特别是，我国煤矿开采转入千米以深深部开采后，巷道围岩应力水平迅速增高、矿压显现异常，围岩破坏情况剧烈，支护控制困难。据不完全统计，在底板不支护的深部开采巷道中，顶底板移进量的2/3～3/4都是由底鼓引起的，底鼓造成的巷道维修量占到巷道总维修量的50％左右。煤岩体的应力状态直接关系到巷道的变形、破坏，乃至煤岩体的冲击危险性,其中的垂直应力是影响巷道两帮内挤的主要因素，水平应力则是造成顶板冒落和底鼓的主要原因。因此，有效控制巷道围岩变形破坏的关键问题就是确定造成巷道围岩变形破坏的主控应力状态以及它们在煤炭回采过程中的应力、位移变化情况，找出问题的主要成因，进而有的放矢地采区控制措施。然而，由于岩体介质本身属性非常复杂，加之深部地质条件和应力环境很难完全了解，无法从理论上进行准确的计算分析或者通过室内实验测试与数值模拟。因此，十分有必要对巷道底板主受力层的应力大小及方向进行实测，并通过连续监测生产过程中底板岩层的应力和位移变化规律，明确底鼓的类型和主要影响因素，进而开展有针对性的防治措施。此外，随国内外水利水电、公路隧道及地基基础等岩体工程施工规模和作业深度的不断加大，其同样面临着各种硐室、巷道、基坑等变形大、破坏严重等问题，给工程施工进度、后续维护及作业人员安全造成极大影响，甚至引发严重的安全生产事故。基于此，研究一种方便快捷、费用低廉、精度较高的深孔应力及位移综合测试装置，具有非常重要的现实意义和广阔的市场前景。

目前，国内外在钻孔应力监测技术方面进行了大量研究，也取得丰硕的成果，先后提出了压力枕法、钻孔变形法、钻孔应变法、空心包体应变计法、水压致裂法等。然而，现有技术条件下的传感器要么结构过于复杂、操作不方便、可重复利用性差，要么只能测试单一方向的应力，而且操作难度大、误差比较高。此外，钻孔应力计和位移计一般都是相互独立的，功能单一，且不能在一个孔中分别同时进行多组测量。其中的钻孔应力测量一般是将应力计安装于深盲孔内，并需要保证其传感器敏感方向垂直于水平面以正确测量被测压力。但由于待测应力的方向是未知的，故应力测试时很难将应力传感器敏感方向定向，而且仅能测量某一方向的应力大小。发明专利“钻孔应力传感器及其钻孔应力监测方法”(申请号：200910103038.0)公布了一种由金属筒、应变片、混凝土填芯等的钻孔应力传感器及其使用方法，通过多个传感器联合使用可以实现一孔多点测量，但其仅能测量钻孔半径方向的应力变化情况，无法获取所测应力的准确方向也不能测量钻孔轴向的应力，而且使用过程采用混凝土进行填芯，故该传感器不能进行回收和重复利用，成本较高，同时存在无法测量位移的变化等功能。虽然发明专利“矿用钻孔矢量应力传感器”(申请号：201110334090.4)公布了一种包括外壳、芯体及其集成电路模块、平衡梁传感器和测力螺母的传感器，可以测量钻孔三个方向应力矢量，但由于其平衡梁长度固定，无法方便地适用于不同孔径的钻孔，而且不能同时测出孔壁围岩的位移变化情况，测试功能比较单一。

岩体的深部位移是煤矿巷道、隧道开挖和地基基础处理过程中工程技术人员非常关心的问题。目前，工程现场常用的多点位移计安装后不同测量基点靠颜色来识别。测量时，先记下测点长度，当发生位移后，再用钢卷尺测量出产生位移后的长度，两次测量值相减，得出位移值。由于工作环境的光线较弱各测点识别难度较大而且错误率较高，测量过程使用钢卷尺测量起来非常不方便，尤其是在光线较弱的环境下以及测量地点比较崎岖，使用钢卷尺测量位移，误差较大，功能也比较单一。

综上，截止目前能够方便地实现自动变径、一孔多点测量三向应力和围岩位移且能够重复利用的综合测试装置，暂未在市面上发现具体的销售产品，也没有查到相关的文献报道。本发明的目的是提供一种伞型可变径深孔多点测量的三向应力和位移综合测试装置，它解决现有钻孔应力计和位移计相互独立、功能单一、钻孔适应性差、灵敏度不高等问题，并只以提供该装置的硬件结构为目的。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种伞型深孔三向应力及位移综合测试装置，用于解决现有钻孔应力计和位移计相互独立、功能单一、钻孔适应性差、灵敏度不高等问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种伞型深孔三向应力及位移综合测试装置，包括位移传感器、手动压力泵、测试导杆、信号采集仪、伞型测试机构；所述伞型测试机构包括上臂安装盖、测试上臂、压力盒安装仓、测试下臂、下臂安装滑环、环形油缸、油缸安装座、连接螺杆和应变片粘贴器；所述位移传感器通过传感器安装板设置在所述测试导杆的端头上，所述测试导杆设置在测孔内，所述伞型测试机构穿设在所述测试导杆上，所述测试导杆上还设有位移测试钢丝，所述手动压力泵通过高压软管与所述伞型测试机构相连，所述信号采集仪通过信号线缆分别与所述伞型测试机构和位移传感器相连，所述压力盒安装仓中装设有压力盒，所述应变片粘贴器装设有应变片，所述环形油缸设置在所述油缸安装座上，所述环形油缸与所述下臂安装滑环相连，所述测试下臂一端通过螺栓与所述下臂安装滑环相连、另外一端通过螺栓与所述测试上臂的中心位置相连，所述测试上臂一端与所述上臂安装盖相连、另外一端与所述应变片粘贴器或压力盒安装仓相连。

优选的，所述伞型深孔三向应力及位移综合测试装置还包括定向小凸台，所述定向小凸台设在所述伞型测试机构的上臂安装盖及油缸安装座上。

优选的，所述手动压力泵通过高压软管与所述环形油缸相连。

优选的，所述位移传感器是线性电位器式位移传感器，其通过电位器元件将伞型测试机构随岩层发生的机械位移转换成与之成线性电阻或电压输出，并被信号采集仪采集并解析成位移数字。

优选的，所述手动压力泵通过高压软管向伞型测试机构的环形油缸里注入液压油，迫使伞型测试机构的几个测试爪子紧密贴合到孔壁岩层上。

优选的，所述手动压力泵相连的高压软管上还配有止回阀，用于在实验测试过程中阻止液压油的回流，确保测试压力盒及应变片始终贴合在孔壁岩石上。

优选的，所述测试导杆是由内接头螺纹连接的分段圆形钢管组成，所述分段圆形钢管的单根长度为1.5m。

优选的，所述分段圆形钢管上沿轴线方向设有一条宽度是5mm的直通两端的槽。

优选的，所述上臂安装盖、下臂安装滑环及油缸安装座之间通过连接螺杆相连。

(三)有益效果

本发明提供了一种伞型深孔三向应力及位移综合测试装置，本发明可以在一个深孔内不同深度处同时测试多个位置的三向应力大小及其受人为工程影响的测点应力变化情况和位移情况，为岩体工程施工、巷道及硐室维护等提供重要依据。该发明装置，有效解决了传统应力测量和位移测量相互独立，难于在同一钻孔中多点实施，且费时、费力、费用高等问题。本发明不仅实现了一孔多点三向应力及位移测量，而且能够连续测量实现动态评价功能，此外该装置具有可回收重复利用等特点，具有测试成本低廉、携带方便、现场作业简单方便、数据采集自动化等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的结构示意图；

图2是图1中伞型测试机构的主视结构示意图；

图3是图1中伞型测试机构的俯视结构示意图；

图中的标号分别代表：

1-伞型测试机构；2-信号采集仪；3-信号线缆；4-位移传感器；5-传感器安装板；6-测试导杆；7-位移测试钢丝；8-高压软管；9-手动压力泵；10-测孔；101-上臂安装盖；102-测试上臂；103-压力盒安装仓；104-测试下臂；105-下臂安装滑环；106-环形油缸；107-油缸安装座；108-连接螺杆；109-应变片粘贴器；110-定向小凸台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图3所示的一种深孔伞型三向应力及位移综合测试装置，主要由伞型测试机构、位移传感器、手动压力泵、测试导杆、信号采集仪等组成，伞型测试机构是本发明装置的主要组成部分，其主要包括上臂安装盖、测试上臂、压力盒安装仓、测试下臂、下臂安装滑环、环形油缸、油缸安装座、连接螺杆、应变片粘贴器等组成。其主要作用原理是，通过连接螺杆将上臂安装盖、下臂安装滑环及油缸安装座连接成一体，然后整体穿在测试导杆上，当需要测试应力时，利用手动压力泵将高压液压油泵入环形油缸即可将伞型测试臂伸出并紧紧贴近测孔壁岩石。此结构设计的基本思路是，通过环形油缸不伸出同长度来改变四个测臂伸展角度，进而适应不同钻孔孔径的测量需要。其中的，压力盒安装仓共2个，处于相互正交方向的测试臂上，用于安装岩土测试常用传感器之一的压力盒，该压力盒属于成熟产品，主要作用是测试垂直与孔轴平面上两个正交方向的应力大小，通过连续测试即可研究该方向上的应力变化情况。与2个压力盒测试臂相对方向的另两个测试臂上配有应变片粘贴装置，其主要作用是将应变片平行于孔轴方向粘贴到测孔壁岩体上，便于测试与孔轴平行方向的应力大小及其变化情况。将上述四个测臂测试数据综合在一起，通过计算分析即可得出测点附近岩石三向应力大小。本发明装置的位移传感器为目前市面上常用的线性电位器式位移传感器，它通过电位器元件将伞型测试机构随岩层发生的机械位移转换成与之成线性电阻或电压输出，最后被信号采集仪采集并解析成位移数字，有效克服了以往钢卷尺测量位移的不精确性，此外，可以实现长时间的自动采集功能。本发明装置的手动压力泵输市场上常见产品，其用途是通过高压软管向伞型测试机构的环形油缸里注入液压油，迫使伞型测试机构的几个测试爪子紧密贴合到孔壁岩层上去。而且，与其相连的高压软管上还配有止回阀，用于在实验测试过程中阻止液压油的回流，确保测试压力盒及应变片始终贴合在孔壁岩石上。本发明装置的测试导杆为单根长度为1.5m，且用内接头螺纹连接的分段圆形钢管。采用内接头连接的目的，是保证导杆的外表面光滑能够满足伞型测试机构的测试岩层位移时能灵活滑移。此外，为了不同测试臂定向的需要，必须在每根钢管上沿轴线方向切割出一条宽度约5mm直通两端的槽，便于与伞型测试机构各上臂安装盖、下臂安装滑环及油缸安装座上的凸台配合，起到传感器定向的作用，同时又能满足伞型测试机构能够沿导杆上下滑动。

作用原理是，首先分别将2个压力盒装入压力盒安装仓和2个应变片装入应变片粘贴器上，并连接相关测试导线；然后，将伞型测试机构按照特定方向(定向凸台与导杆凹槽配合确定)穿在测试导杆上，通过位移测试钢丝下放到待测深度，然后利用手动压力泵通过高压软管注入高压压力油至伞型测试机构的环形油缸内，迫使其四个方向的测试臂紧紧贴合在待测孔壁上，最后关闭高压软管上的止回阀，连接信号传输线缆至信号采集仪即可进行测试应力测试。其中的，2个压力盒测试与测孔轴线垂直平面上的两个正交方向应力大小，另外两个平行孔轴方向布置的应变片用于测试与孔轴平行方向上的应变大小，进而计算得出孔轴方向的应力大小，将前述两组数据合成分析即可获得一个测点附近三向应力大小。当需要同时测试测点附近岩体位移时，只需将位移测试钢丝的上端与线位移传感器连接拉紧，并将位移传感器的输出线连接至信号采集仪，其主要原理是将位移传感器安装座与测试导杆相连，而测试导杆是深入到孔底的，由于测孔较深，故可近似认为孔底岩层不发生位移，因此，只需测量出测点出岩层与孔底之间的相对位移即可得出测点附近岩层的位移。该方法的主要优点在于，通过传感器将线性位移转换成可自动采集、处理及运算的电信号，并及时保存下来，不仅测试精度高，而且不容易出现人工测量过程中识别测点号困难而导致的可能误差。而且，测点与紧固在孔壁岩层上的应力传感器同时作用，可完成应力和位移的同时、连续作业。如果将多个相同测试装置联合使用，即可实现一孔多点测量的功能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。