圍巖應(yīng)力場分布測試裝置及方法
【專利摘要】一種圍巖應(yīng)力場分布測試裝置及方法，適用于煤礦井下對(duì)工作面巷道圍巖/煤巖應(yīng)力變化監(jiān)測使用。包括圍巖應(yīng)力場分布測試裝置，測試時(shí)在圍巖體布置鉆孔陣列，把測量光纖安裝在鉆孔中，將測量光纖串聯(lián)接入礦用光纜，與光纖解調(diào)儀相連接，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)從井下至井上的傳輸；光纖解調(diào)儀將光信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及分析處理，根據(jù)布里淵頻移與應(yīng)變的關(guān)系、應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系提供了圍巖應(yīng)力場分布的測量方法。本設(shè)計(jì)采用單端測試，無需形成測試回路，降低了監(jiān)測成本和監(jiān)測難度，解決了目前圍巖應(yīng)力監(jiān)測過程中監(jiān)測點(diǎn)多、監(jiān)測范圍有限、信號(hào)傳輸線敷設(shè)及系統(tǒng)復(fù)雜的問題，有助于促進(jìn)沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)的進(jìn)步。
【專利說明】圍巖應(yīng)力場分布測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測試裝置及方法，尤其適用于一種煤礦井下對(duì)工作面巷道圍巖/煤巖應(yīng)力變化監(jiān)測使用的圍巖應(yīng)力場分布測試裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著我國煤礦開采深度的增加和開采強(qiáng)度的增大，由采掘空間礦壓顯現(xiàn)及其引起的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，如沖擊地壓、頂板垮落、冒頂、巷道變形等情況越來越嚴(yán)重，其發(fā)生頻率和發(fā)生強(qiáng)度均明顯增加，嚴(yán)重威脅我國煤炭資源的安全和高效開采，造成了巨大的損失，嚴(yán)重影響從業(yè)人員的生命安全和礦井生產(chǎn)。受采動(dòng)作用和地質(zhì)構(gòu)造的綜合影響，圍巖應(yīng)力集中是導(dǎo)致煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的直接因素，因此圍巖應(yīng)力的監(jiān)測越來越受到重視，特別是不同區(qū)域、不同時(shí)間段圍巖應(yīng)力場分布、變化規(guī)律，及其與煤巖動(dòng)力災(zāi)害演化的關(guān)系，關(guān)系到能否提前、準(zhǔn)確地預(yù)測煤巖動(dòng)力災(zāi)害。一種新的圍巖應(yīng)力場分布監(jiān)測方法的提出，對(duì)揭示采掘空間圍巖應(yīng)力場時(shí)空分布特征與煤巖動(dòng)力災(zāi)害演化過程的關(guān)系，有效地預(yù)防和降低沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生具有促進(jìn)作用。
[0003]目前，鉆孔應(yīng)力測試技術(shù)是我國目前工程現(xiàn)場測量圍巖應(yīng)力的主要技術(shù)，常見的裝置主要包括振弦式和液壓式應(yīng)力計(jì)兩種:振弦式應(yīng)力計(jì)，由鋼制空心圓筒，一高度拉緊的鋼弦，鋼弦兩端固定在圓筒筒壁上，內(nèi)嵌一電磁線圈，測量時(shí)，將傳感器安裝到需要測量應(yīng)力的煤巖體鉆孔中，并給其施加一預(yù)應(yīng)力，在測量過程中，利用鋼弦振動(dòng)頻率與壓力或拉力成正比的原理，當(dāng)鉆孔周圍煤巖體中應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，引起傳感器內(nèi)部張力的變化，從而帶動(dòng)鋼弦頻率的變化，鋼弦自然振動(dòng)頻率/和外部拉力σ之間存在一定的關(guān)系；液壓應(yīng)力計(jì)或液壓枕，以格魯茲(Glotzi)壓力盒為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，可以在煤巖體深部進(jìn)行測量。該應(yīng)力計(jì)由兩半焊接而成，中心有一淺槽，槽內(nèi)裝有油水匯合液體，槽端部有一薄膜。測量時(shí)，鉆孔周圍應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，引起槽內(nèi)液體壓力變化，在將液體壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或者頻率信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測和記錄。
[0004]雖然目前國內(nèi)外在礦山圍巖應(yīng)力監(jiān)測領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，但現(xiàn)有的圍巖應(yīng)力監(jiān)測普遍具有以下缺點(diǎn):1、目前的圍巖應(yīng)力監(jiān)測為點(diǎn)式監(jiān)測或者多點(diǎn)組合監(jiān)測；2、受現(xiàn)場條件的限制，監(jiān)測點(diǎn)密度低，無法形成網(wǎng)格式的全覆蓋監(jiān)測；3、鉆孔應(yīng)力計(jì)的埋設(shè)位置、初始?jí)毫χ档脑O(shè)置、與沒掩體剛度的耦合效果等均會(huì)影響到圍巖應(yīng)力的測試精度、分布及變化規(guī)律的分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種受現(xiàn)場影響小，監(jiān)測點(diǎn)密度高，可以形成網(wǎng)格式檢測，精度高的圍巖應(yīng)力場分布測試裝置及方法。
[0006]技術(shù)內(nèi)容:為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的圍巖應(yīng)力場分布測試裝置，它包括柱塞和內(nèi)置有膠結(jié)劑的腔體，腔體的腔壁上設(shè)有出膠口，柱塞的底部設(shè)有插入腔體的活動(dòng)塞，腔體的上方與柱塞之間連接有保險(xiǎn)鐵絲，腔體底部設(shè)有前端尾端光纖固定圓盤，前端尾端光纖固定圓盤上設(shè)有U型固定凹槽，固定凹槽內(nèi)穿入有測量光纖，測量光纖的兩個(gè)端頭均設(shè)有光纖連接頭，測量光纖尾端設(shè)有尾端光纖固定圓盤，所述測量光纖的兩個(gè)端頭分別從尾端光纖固定圓盤上的兩個(gè)光纖緊固閥孔中穿出，并通過光纖緊固閥拉緊固定，尾端光纖固定圓盤上設(shè)有注漿孔，注漿孔上設(shè)有注漿孔封孔片。
[0007]一種圍巖應(yīng)力場分布測試方法，其步驟如下:
a.使用鉆孔機(jī)在工作面巷道圍巖壁中垂直巷道壁方向鉆孔，所述鉆孔為水平孔；鉆孔頂端為導(dǎo)向用的喇叭形，鉆孔喇叭形頂端上開有用于光纖錨固的小孔；
b.先將測量光纖固定于前端尾端光纖固定圓盤中，再將測試裝置推入鉆孔頂端的小孔內(nèi)，使測試裝置頂端的柱塞在壓力的作用下扯斷從其內(nèi)穿入的保險(xiǎn)鐵絲，并推動(dòng)活動(dòng)塞壓入腔體內(nèi)，腔體中的膠結(jié)劑受到擠壓通過出膠口排入測試裝置與鉆孔壁之間的縫隙中，等待膠結(jié)劑固化后，將鉆孔內(nèi)的兩根測量光纖穿過尾端光纖固定圓盤上光纖緊固閥孔，并通過光纖緊固閥施加同樣大小的預(yù)拉力，使測量光纖伸直，同時(shí)使用膨脹螺栓穿過尾端光纖固定圓盤上的光纖緊固閥孔，將尾端光纖固定圓盤與鉆孔外的煤巖壁錨固在一起，之后通過尾端光纖固定圓盤上的注漿孔向鉆孔內(nèi)注漿，待漿體充滿整個(gè)鉆孔后撥動(dòng)注漿孔封孔片封住注漿孔并等待漿液凝固；
c.在待測試區(qū)域內(nèi)重復(fù)上述步 驟形成鉆孔陣列，鉆孔陣列水平相鄰鉆孔間隔為8~20m，并將各鉆孔中的測量光纖尾端的光纖連接頭串聯(lián)后接入礦用光纜，再將礦用光纜接入BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀；
d.BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀開啟工作，先通過礦用光纜向串聯(lián)起來的測量光纖發(fā)送光信號(hào)，之后接受從測量光纖返回的光信號(hào)，并對(duì)返回的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到測量光纖上返回的光纖布里淵頻移值，通過BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀測量的布里淵頻移值并計(jì)算機(jī)處理得到測量光纖上的應(yīng)變大小，且應(yīng)變數(shù)值與光纖形變幅度成正比；所述解調(diào)儀工作過程為，當(dāng)距離入射端某點(diǎn)處的光纖發(fā)生應(yīng)變和溫度變化時(shí)，返回到BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀中的該點(diǎn)的布里淵頻移變化計(jì)算公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種圍巖應(yīng)力場分布檢測裝置，其特征在于:它包括柱塞(7)和內(nèi)置有膠結(jié)劑的腔體(9 )，腔體(9 )的腔壁上設(shè)有出膠口( 2 )，柱塞(7 )的底部設(shè)有插入腔體(9 )的活動(dòng)塞(8 )，腔體(9)的上方與柱塞(7)之間連接有保險(xiǎn)鐵絲(1)，腔體(9)底部設(shè)有前端尾端光纖固定圓盤(3)，前端尾端光纖固定圓盤(3)上設(shè)有U型固定凹槽，固定凹槽內(nèi)穿入有測量光纖(4)，測量光纖(4)的兩個(gè)端頭均設(shè)有光纖連接頭(6)，測量光纖(4)尾端設(shè)有尾端光纖固定圓盤(5)，所述測量光纖(4)的兩個(gè)端頭分別從尾端光纖固定圓盤(5)上的兩個(gè)光纖緊固閥孔(11)中穿出，并通過光纖緊固閥(10)拉緊固定，尾端光纖固定圓盤(5)上設(shè)有注漿孔(12)，注漿孔(12)上設(shè)有注漿孔封孔片(13)。
2.一種使用權(quán)利要求1所述裝置的圍巖應(yīng)力場分布測試方法，其特征在于步驟如下: a.使用鉆孔機(jī)在工作面巷道圍巖壁中垂直巷道壁方向鉆孔，所述鉆孔為水平孔；鉆孔頂端為導(dǎo)向用的喇叭形，鉆孔喇叭形頂端上開有用于光纖錨固的小孔； b.先將測量光纖(4)固定于前端尾端光纖固定圓盤(3)中，再將測試裝置推入鉆孔頂端的小孔內(nèi)，使測試裝置頂端的柱塞(7)在壓力的作用下扯斷從其內(nèi)穿入的保險(xiǎn)鐵絲(1)，并推動(dòng)活動(dòng)塞(8)壓入腔體(9)內(nèi)，腔體(9)中的膠結(jié)劑受到擠壓通過出膠口(2)排入測試裝置與鉆孔壁之間的縫隙中，等待膠結(jié)劑固化后，將鉆孔內(nèi)的兩根測量光纖(4)穿過尾端光纖固定圓盤(5)上光纖緊固閥孔，并通過光纖緊固閥(10)施加同樣大小的預(yù)拉力，使測量光纖(4)伸直，同時(shí)使用膨脹螺栓穿過尾端光纖固定圓盤(5)上的光纖緊固閥孔(11)，將尾端光纖固定圓盤(5)與鉆孔外的煤巖壁錨固在一起，之后通過尾端光纖固定圓盤(5)上的注漿孔(12)向鉆孔內(nèi)注漿，待漿體充滿整個(gè)鉆孔后撥動(dòng)注漿孔封孔片(13)封住注漿孔(12)并等待漿液凝 固； c.在待測試區(qū)域內(nèi)重復(fù)上述步驟形成鉆孔陣列，鉆孔陣列水平相鄰鉆孔間隔為8~20m，并將各鉆孔中的測量光纖(4)尾端的光纖連接頭(6)串聯(lián)后接入礦用光纜，再將礦用光纜接入BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀； d.BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀開啟工作，先通過礦用光纜向串聯(lián)起來的測量光纖(4)發(fā)送光信號(hào)，之后接受從測量光纖(4)返回的光信號(hào)，并對(duì)返回的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到測量光纖(4)上返回的光纖布里淵頻移值，通過BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀測量的布里淵頻移值并計(jì)算機(jī)處理得到測量光纖(4)上的應(yīng)變大小，且應(yīng)變數(shù)值與光纖形變幅度成正比；所述解調(diào)儀工作過程為，當(dāng)距離入射端某點(diǎn)處的光纖發(fā)生應(yīng)變和溫度變化時(shí)，返回到BOTDR光纖信號(hào)解調(diào)儀中的該點(diǎn)的布里淵頻移變化計(jì)算公式為:
3.據(jù)權(quán)利要求2所述的圍巖應(yīng)力場分布測試方法，其特征在于:所述步驟f中為避免單根測量光纖(4)受力不均，將鉆孔內(nèi)構(gòu)成串聯(lián)回路的兩根光纖所測的應(yīng)力值A(chǔ)進(jìn)行平均，得到修正后的圍巖應(yīng)力:

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圍巖應(yīng)力場分布測試方法，其特征在于:所述鉆孔直徑大于等于90mm，鉆孔深度為8~15m，最大深度為20m，鉆孔上傾5~8°，便于水和巖/煤粉順利排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圍巖應(yīng)力場分布測試方法，其特征在于:所述鉆孔頂端喇叭形深度約7~8cm,所述用于光纖錨固的小孔的孔徑為40mm、孔深為35~40cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圍巖應(yīng)力場分布測試方法，其特征在于:在工作面需要回采時(shí)，在其回采前，在兩巷超前8(T200m范圍內(nèi)，提前鉆孔施工并布置測量光纖(4)，形成測試回路；隨著工作面的推進(jìn)，可提前將處于割煤區(qū)域的鉆孔外的測量光纖(4)的光纖連接頭(6)斷開，并在工作面后方位置新增加鉆孔，在新增加鉆孔中布置測量光纖(4)并串聯(lián)，接入礦用光纜，連接到光纖信號(hào)解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)上。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK103994846SQ201410248162
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】劉曉斐, 王恩元, 孟浩天, 樸春德, 王笑然 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)