本發(fā)明涉及一種圍巖應(yīng)力計，具體是一種適用于煤礦井下的位態(tài)可調(diào)的圍巖應(yīng)力測量裝置，屬于煤礦巖體應(yīng)力測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

地應(yīng)力的測量及應(yīng)用無論在構(gòu)造地質(zhì)、地震預(yù)報和地球動力學研究上，還是在礦山開采、地下工程和能源開發(fā)等生產(chǎn)實踐中均起到了越來越重要的作用，日益受到國內(nèi)外學術(shù)界和工程界的重視。

對礦山開采而言，開掘巷道和進行開采工作稱為對煤或圍巖的采動，采動發(fā)生后破壞了原巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，重新分布的應(yīng)力超過煤、巖的極限強度時會使巷道或采煤工作面周圍的煤、巖發(fā)生破壞，并向已采空間移動，直至形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，采動時作用在圍巖中和支護物上的力成為采動應(yīng)力，采動應(yīng)力可能導(dǎo)致煤層頂板垮落與破壞、支架折損、片幫冒頂、底鼓等一般的礦山壓力現(xiàn)象，也可能導(dǎo)致沖擊礦壓、頂板大面積來壓、巖爆、礦震、煤與瓦斯突出、地表突然塌陷等大的礦山動力現(xiàn)象，采動應(yīng)力對應(yīng)采動應(yīng)力場，準確摸清采動應(yīng)力場在煤巖體開采過程中的時空演化規(guī)律對評價和預(yù)測礦山壓力現(xiàn)象、礦山動力現(xiàn)象都具有十分重要的意義。

現(xiàn)有技術(shù)中采動應(yīng)力的采集通常采用鉆孔圍巖應(yīng)力計，即在擬測應(yīng)力的煤或巖體上鉆孔后通過安裝導(dǎo)桿置入應(yīng)力計進行應(yīng)力數(shù)值采集，但鉆孔往往因鉆孔平面不平或鉆進時受力不均等原因造成鉆孔偏離預(yù)定方向，鉆孔深度越深偏離越顯著，尤其是與水平面具有一定夾角的傾斜鉆孔更不易保證鉆孔方向，進而極易導(dǎo)致圍巖應(yīng)力計所測應(yīng)力并非所需求方向的應(yīng)力，鉆孔方向越偏離、鉆孔深度越深所測的應(yīng)力誤差越大，從而極易造成因數(shù)值偏差產(chǎn)生判斷失誤；另外，傳統(tǒng)的圍巖應(yīng)力計在置入鉆孔內(nèi)的過程中不易準確保證圍巖應(yīng)力計的位態(tài)，鉆孔越深這種位態(tài)改變越不易控制，進而進一步導(dǎo)致圍巖應(yīng)力計的測力方向與預(yù)設(shè)的方向產(chǎn)生偏差造成應(yīng)力數(shù)據(jù)采集誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種位態(tài)可調(diào)的圍巖應(yīng)力測量裝置，可以實現(xiàn)應(yīng)力計本體在鉆孔內(nèi)的位態(tài)調(diào)整，進而實現(xiàn)最大限度地減小因鉆孔偏移和置入圍巖應(yīng)力計時軸向偏轉(zhuǎn)造成的測量誤差、實現(xiàn)準確測量圍巖應(yīng)力，特別適用于煤礦采動應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

為實現(xiàn)上述目的，本位態(tài)可調(diào)的圍巖應(yīng)力測量裝置包括應(yīng)力計本體和顯示儀表箱；

所述的應(yīng)力計本體整體呈圓柱形，其前端設(shè)置成錐形結(jié)構(gòu)，應(yīng)力計本體內(nèi)部設(shè)有承壓腔，應(yīng)力計本體上還設(shè)有承壓塊、周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、重力感應(yīng)器；承壓塊通過應(yīng)力計本體上沿徑向方向設(shè)置的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)密封嵌入在應(yīng)力計本體上、且承壓塊的嵌入端與應(yīng)力計本體內(nèi)部的承壓腔連通；周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)可驅(qū)動應(yīng)力計本體沿圓周方向順時針旋轉(zhuǎn)或逆時針旋轉(zhuǎn)；應(yīng)力計本體的后端設(shè)有快速連接頭；

所述的顯示儀表箱包括控制器、顯示屏、液壓泵站、控制閥組、周向旋轉(zhuǎn)控制回路、承壓塊控制回路、應(yīng)力數(shù)值采集計算回路，控制器分別與顯示屏、液壓泵站、控制閥組電連接，液壓泵站通過控制閥組及液壓管路與應(yīng)力計本體的承壓腔密封連接，控制器分別與周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、重力感應(yīng)器連接。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)采用液壓控制，周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)通過液壓管路、顯示儀表箱的控制閥組與控制器連接。

作為本發(fā)明周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)的一種實施方式，所述的周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)沿應(yīng)力計本體的柱體切線方向設(shè)置，包括至少兩個左右對稱設(shè)置的調(diào)節(jié)缸，調(diào)節(jié)缸分別通過液壓管路與顯示儀表箱的控制閥組連接。

作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的左右對稱設(shè)置的調(diào)節(jié)缸設(shè)置在承壓塊的兩側(cè)、且調(diào)節(jié)缸的伸縮方向背離承壓塊的伸出方向設(shè)置。

作為本發(fā)明周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)的另一種實施方式，所述的周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)是液壓馬達，液壓馬達通過液壓管路與顯示儀表箱的控制閥組連接。

作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的應(yīng)力計本體上還設(shè)有逆止機構(gòu)。

作為本發(fā)明逆止機構(gòu)的一種實施方式，所述的逆止機構(gòu)是設(shè)置在應(yīng)力計本體的錐形結(jié)構(gòu)上的多個均布的彈性逆止棘爪，彈性逆止棘爪沿錐形斜面向后外側(cè)延伸設(shè)置。

作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的應(yīng)力計本體上還設(shè)有周向角度反饋傳感器，周向角度反饋傳感器與所述的顯示儀表箱的控制器電連接。

作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的重力感應(yīng)器和周向角度反饋傳感器均嵌入應(yīng)力計本體內(nèi)部，且重力感應(yīng)器和周向角度反饋傳感器均位于應(yīng)力計本體的后部。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本位態(tài)可調(diào)的圍巖應(yīng)力測量裝置由于設(shè)有周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，因此在將應(yīng)力計本體置入鉆孔孔內(nèi)并拆除安裝導(dǎo)桿之后可以根據(jù)顯示儀表箱顯示屏上的顯示角度值控制周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)動作帶動應(yīng)力計本體周向旋轉(zhuǎn)進行微調(diào)整位態(tài)使顯示角度值顯示為0°(水平鉆孔)或波動范圍內(nèi)的最小值(傾斜鉆孔)，進而可以保證測量數(shù)據(jù)的準確性，既使監(jiān)測初期應(yīng)力計本體的位態(tài)可能會發(fā)生變化，變化后依然可以通過周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)實時調(diào)整應(yīng)力計本體的位態(tài)直至其被圍巖壓實；由于設(shè)有重力感應(yīng)器，因此既使鉆孔的真實角度和預(yù)設(shè)的角度有一定誤差，由得到的壓力值和角度值也可以根據(jù)力的分解求得預(yù)設(shè)方向的壓力，進而進一步保證測量數(shù)據(jù)的準確性，實現(xiàn)最大限度地減小因鉆孔偏移和置入圍巖應(yīng)力計時軸向偏轉(zhuǎn)造成的測量誤差、實現(xiàn)準確測量圍巖應(yīng)力，特別適用于煤礦采動應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的A-A旋轉(zhuǎn)視圖；

圖3是本發(fā)明工作狀態(tài)時的示意圖。

圖中：1、應(yīng)力計本體，2、顯示儀表箱，3、承壓塊，4、周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，5、重力感應(yīng)器，6、快速連接頭，7、逆止機構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明(以下以應(yīng)力計本體1置入鉆孔內(nèi)的方向為前方描述)。

如圖1所示，本位態(tài)可調(diào)的圍巖應(yīng)力測量裝置包括應(yīng)力計本體1和顯示儀表箱2。

所述的應(yīng)力計本體1整體呈圓柱形，其前端設(shè)置成錐形結(jié)構(gòu)，便于向鉆孔內(nèi)推進，應(yīng)力計本體1內(nèi)部設(shè)有承壓腔，應(yīng)力計本體1上還設(shè)有承壓塊3、周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4、重力感應(yīng)器5；承壓塊3通過應(yīng)力計本體1上沿徑向方向設(shè)置的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)密封嵌入在應(yīng)力計本體1上、且承壓塊3的嵌入端與應(yīng)力計本體1內(nèi)部的承壓腔連通；周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4可驅(qū)動應(yīng)力計本體1沿圓周方向順時針旋轉(zhuǎn)或逆時針旋轉(zhuǎn)；應(yīng)力計本體1的后端設(shè)有快速連接頭6，用于連接安裝導(dǎo)桿。

所述的顯示儀表箱2包括控制器、顯示屏、液壓泵站、控制閥組、周向旋轉(zhuǎn)控制回路、承壓塊控制回路、應(yīng)力數(shù)值采集計算回路，控制器分別與顯示屏、液壓泵站、控制閥組電連接，液壓泵站通過控制閥組及液壓管路與應(yīng)力計本體1的承壓腔密封連接，控制器分別與周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4、重力感應(yīng)器5連接。

通常采動應(yīng)力是采集豎直方向向下的圍巖應(yīng)力，即需保證鉆孔圍巖應(yīng)力計的承壓塊位于應(yīng)力計本體的上方以保證采集數(shù)據(jù)的準確性，本位態(tài)可調(diào)的圍巖應(yīng)力測量裝置在煤礦井下使用時，如圖3所示，先將通用的安裝導(dǎo)桿頂端通過快速連接機構(gòu)與應(yīng)力計本體1后端的快速連接頭6連接，然后將應(yīng)力計本體1送入已鉆好的鉆孔底部設(shè)定位置，針對水平鉆孔，送入過程中通過觀察顯示儀表箱2顯示屏上的顯示角度值轉(zhuǎn)動安裝導(dǎo)桿進行粗調(diào)整位態(tài)使角度保持在0°，針對傾斜鉆孔，送入過程中通過觀察顯示儀表箱2顯示屏上的顯示角度值轉(zhuǎn)動安裝導(dǎo)桿進行粗調(diào)位態(tài)整使角度保持在波動范圍內(nèi)的最小值；待應(yīng)力計本體1放入孔底后松開安裝導(dǎo)桿頂端的快速連接機構(gòu)將安裝導(dǎo)桿拆除，然后根據(jù)顯示儀表箱2顯示屏上的顯示角度值控制周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4動作帶動應(yīng)力計本體1周向旋轉(zhuǎn)進行微調(diào)整位態(tài)使顯示角度值顯示為0°(水平鉆孔)或波動范圍內(nèi)的最小值(傾斜鉆孔)；最后控制液壓泵站向應(yīng)力計本體1的承壓腔內(nèi)注油使承壓塊3頂出并與鉆孔孔壁貼合并通過控制閥組保壓即可，顯示儀表箱2顯示屏上可以實時顯示應(yīng)力數(shù)值；針對傾斜鉆孔，根據(jù)幾何關(guān)系，所得最小角度值是測壓平面和水平面形成的二面角，這個角度即是鉆孔與水平面之間的夾角，鉆孔的真實角度和預(yù)設(shè)的角度有一定誤差，由得到的壓力值和角度值，可以根據(jù)力的分解求得預(yù)設(shè)方向的壓力；監(jiān)測初期應(yīng)力計本體1的位態(tài)可能會發(fā)生變化，變化后依然可以通過周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4實時調(diào)整應(yīng)力計本體1的位態(tài)直至其被圍巖壓實。

所述的周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4可以采用電控，也可以采用氣動控制或者液壓控制，由于煤礦井下具有防爆要求，而液壓控制比氣動控制更穩(wěn)定，因此優(yōu)選液壓控制，即，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4采用液壓控制，周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4通過液壓管路、顯示儀表箱2的控制閥組與控制器連接。

作為本發(fā)明周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4的一種實施方式，如圖2所示，所述的周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4沿應(yīng)力計本體1的柱體切線方向設(shè)置，包括至少兩個左右對稱設(shè)置的調(diào)節(jié)缸，調(diào)節(jié)缸分別通過液壓管路與顯示儀表箱2的控制閥組連接；某一方向的調(diào)節(jié)缸伸出并支撐在鉆孔孔壁上后繼續(xù)控制其伸出，則孔壁的反作用力推動應(yīng)力計本體1繞其軸心做相對轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)微調(diào)應(yīng)力計本體1的位態(tài)，控制另一方向的調(diào)節(jié)缸可控制應(yīng)力計本體1反方向微調(diào)。

為了實現(xiàn)在較小的應(yīng)力計本體1上合理設(shè)置調(diào)節(jié)缸，作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的左右對稱設(shè)置的調(diào)節(jié)缸設(shè)置在承壓塊3的兩側(cè)、且調(diào)節(jié)缸的伸縮方向背離承壓塊3的伸出方向設(shè)置。

作為本發(fā)明周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4的另一種實施方式，所述的周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4是液壓馬達，液壓馬達通過液壓管路與顯示儀表箱2的控制閥組連接，通過控制液壓馬達的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)應(yīng)力計本體1的周向位態(tài)的變化。

針對傾斜向上的鉆孔，為了防止將應(yīng)力計本體1置入鉆孔內(nèi)后向外滑動，作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的應(yīng)力計本體1上還設(shè)有逆止機構(gòu)7。

作為本發(fā)明逆止機構(gòu)7的一種實施方式，所述的逆止機構(gòu)7是設(shè)置在應(yīng)力計本體1的錐形結(jié)構(gòu)上的多個均布的彈性逆止棘爪，彈性逆止棘爪沿錐形斜面向后外側(cè)延伸設(shè)置，彈性逆止棘爪可卡接在鉆孔孔壁上防止應(yīng)力計本體1向外滑動。

為了進一步準確顯示應(yīng)力計本體1的軸向旋轉(zhuǎn)角度，作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的應(yīng)力計本體1上還設(shè)有周向角度反饋傳感器，周向角度反饋傳感器與所述的顯示儀表箱2的控制器電連接，置入鉆孔內(nèi)后可通過周向角度反饋傳感器直觀反饋應(yīng)力計本體1的軸向旋轉(zhuǎn)角度。

為了防止將應(yīng)力計本體1置入鉆孔內(nèi)的過程中鉆孔孔壁對重力感應(yīng)器5和周向角度反饋傳感器造成剮蹭，同時實現(xiàn)便于接線，作為本發(fā)明的進一步改進方案，所述的重力感應(yīng)器5和周向角度反饋傳感器均嵌入應(yīng)力計本體1內(nèi)部，且重力感應(yīng)器5和周向角度反饋傳感器均位于應(yīng)力計本體1的后部。

本位態(tài)可調(diào)的圍巖應(yīng)力測量裝置由于設(shè)有周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4，因此在將應(yīng)力計本體1置入鉆孔孔內(nèi)并拆除安裝導(dǎo)桿之后可以根據(jù)顯示儀表箱2顯示屏上的顯示角度值控制周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4動作帶動應(yīng)力計本體1周向旋轉(zhuǎn)進行微調(diào)整位態(tài)使顯示角度值顯示為0°(水平鉆孔)或波動范圍內(nèi)的最小值(傾斜鉆孔)，進而可以保證測量數(shù)據(jù)的準確性，既使監(jiān)測初期應(yīng)力計本體1的位態(tài)可能會發(fā)生變化，變化后依然可以通過周向旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)機構(gòu)4實時調(diào)整應(yīng)力計本體1的位態(tài)直至其被圍巖壓實；由于設(shè)有重力感應(yīng)器5，因此既使鉆孔的真實角度和預(yù)設(shè)的角度有一定誤差，由得到的壓力值和角度值也可以根據(jù)力的分解求得預(yù)設(shè)方向的壓力，進而進一步保證測量數(shù)據(jù)的準確性，實現(xiàn)最大限度地減小因鉆孔偏移和置入圍巖應(yīng)力計時軸向偏轉(zhuǎn)造成的測量誤差、實現(xiàn)準確測量圍巖應(yīng)力，特別適用于煤礦采動應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。