本發(fā)明屬于礦山采動(dòng)應(yīng)力、煤巖體變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種可回收的單孔煤巖體定向應(yīng)力分布與變形一體監(jiān)測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加，采場(chǎng)周邊圍巖由采動(dòng)應(yīng)力引起的煤巖失穩(wěn)現(xiàn)象日益嚴(yán)重，采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力也愈發(fā)復(fù)雜。工作面采動(dòng)破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，周邊圍巖變形移動(dòng)、應(yīng)力重新分布。采場(chǎng)和回采巷道圍巖的穩(wěn)定性主要取決于圍巖強(qiáng)度、應(yīng)力狀況及支護(hù)與圍巖變形的相互作用關(guān)系，其中圍巖應(yīng)力狀況是決定其圍巖穩(wěn)定性的主要因素，圍巖變形是圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。因此，采場(chǎng)及巷道圍巖應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)是解決受采動(dòng)影響的巷道礦壓控制、預(yù)留煤柱寬度設(shè)計(jì)和巷道維護(hù)等重大技術(shù)問(wèn)題的決策依據(jù)。同時(shí)，采動(dòng)圍巖變形、應(yīng)力分布實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究，有助于揭示采動(dòng)空間圍巖變形與應(yīng)力分布及演化規(guī)律，為準(zhǔn)確預(yù)防煤巖動(dòng)力災(zāi)害提供技術(shù)支持。

隨著采動(dòng)的影響，煤巖體內(nèi)出現(xiàn)卸壓區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域，同一軸線不同位置、方向的應(yīng)力大小各不相同，市場(chǎng)中現(xiàn)有的鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備如36-2鉆孔變形計(jì)、unsw空心包體應(yīng)變計(jì)及yz系列液壓枕等裝置側(cè)重于單點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，這些設(shè)備的缺點(diǎn)是：1、多鉆孔監(jiān)測(cè)應(yīng)力分布方案不可避免地會(huì)對(duì)煤巖體造成較大的擾動(dòng)；2、無(wú)法對(duì)煤巖體單條軸線多點(diǎn)圍巖定向應(yīng)力分布、圍巖變形進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)；3、不同鉆孔不同深度放置傳感器監(jiān)測(cè)煤巖體內(nèi)應(yīng)力、變形的方法，難以確保不同鉆孔保持安裝方位、鉆孔角度一致；發(fā)明專利“多點(diǎn)煤巖體應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置及方法”(專利號(hào)：cn104132761b)通過(guò)高壓油管將膠囊串聯(lián)并送入鉆孔，該方式監(jiān)測(cè)單元相對(duì)位置固定不僅不能實(shí)現(xiàn)定向應(yīng)力、位移一體監(jiān)測(cè)，而且會(huì)因巖體變形過(guò)大損壞裝置或監(jiān)測(cè)單元脫離設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)位置影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。因此，迫切需要一種單孔多點(diǎn)圍巖定向應(yīng)力、變形一體化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，從而更加適合工程應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備針對(duì)采動(dòng)應(yīng)力、煤巖體變形監(jiān)測(cè)適應(yīng)性、一致性差以及監(jiān)測(cè)成本高、設(shè)備不可回收等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可回收的單孔煤巖體定向應(yīng)力分布與變形一體監(jiān)測(cè)裝置。

本發(fā)明同時(shí)提供利用這種監(jiān)測(cè)裝置對(duì)巖體定向應(yīng)力分布與變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種單孔煤巖體定向應(yīng)力分布與變形一體監(jiān)測(cè)裝置，它包括多個(gè)串聯(lián)的膠囊壓力傳感器、一個(gè)多通道壓力監(jiān)測(cè)儀、一個(gè)多通道位移監(jiān)測(cè)儀和一套注液裝置；所述的膠囊壓力傳感器結(jié)構(gòu)是：包括一個(gè)外殼，外殼的上下面為膠囊狀的彈性面，從而形成一個(gè)膠囊狀的殼體；在外殼的左右兩端四角處設(shè)有導(dǎo)軌槽，通過(guò)導(dǎo)軌槽將膠囊傳感器卡在鉆孔軌道上；在外殼內(nèi)設(shè)置有兩位三通電磁閥，兩位三通電磁閥由控制電路控制，控制電路由液體壓力傳感器、電壓放大器和控制開(kāi)關(guān)電連接組成；每個(gè)膠囊壓力傳感器的控制電路通過(guò)電纜分別連接在多通道壓力監(jiān)測(cè)儀一個(gè)通道上；所述的兩位三通電磁閥上設(shè)有上下通液口和側(cè)通液口，上下通液口分別作為出液口和進(jìn)液口，側(cè)通液口與外殼內(nèi)腔相通，各個(gè)膠囊壓力傳感器的進(jìn)液口和出液口通過(guò)液壓軟管依次串聯(lián)成通路后，再與設(shè)在鉆孔外的注液裝置連接；在外殼的一個(gè)側(cè)面上固定有鋼絲繩固定栓，每個(gè)膠囊壓力傳感器的鋼絲繩分別連接在多通道位移監(jiān)測(cè)儀的一個(gè)通道上；所述的多通道壓力監(jiān)測(cè)儀通過(guò)監(jiān)控分站將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；所述的多通道位移監(jiān)測(cè)儀由多個(gè)拉線式位移傳感器組成，并通過(guò)監(jiān)控分站將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；所述的注液裝置在工作過(guò)程中需保持液壓穩(wěn)定。

為了避免煤巖體變形較大對(duì)設(shè)備造成損毀，要求液壓軟管和電纜的長(zhǎng)度大于安裝長(zhǎng)度。

利用上述監(jiān)測(cè)裝置對(duì)煤巖體定向應(yīng)力分布與變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法步驟如下：

第一步：根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，確定監(jiān)測(cè)區(qū)域、鉆孔位置、鉆孔深度、監(jiān)測(cè)位置、監(jiān)測(cè)應(yīng)力方向以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)，打鉆至預(yù)定深度，然后在鉆孔內(nèi)安裝導(dǎo)軌；

第二步：將各個(gè)膠囊壓力傳感器依次串聯(lián)，串聯(lián)時(shí)，要求液壓軟管的長(zhǎng)度大于預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距；按照打鉆方向?yàn)榍胺?，將各個(gè)膠囊壓力傳感器從前到后依次編號(hào)；

第三步：將串聯(lián)的膠囊壓力傳感器沿導(dǎo)軌推入鉆孔至最深處，通過(guò)每個(gè)膠囊壓力傳感器外露鋼絲繩長(zhǎng)度判定其在鉆孔中的位置，通過(guò)抽拉鋼絲繩調(diào)節(jié)膠囊壓力傳感器位置，使得每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都安放有膠囊壓力傳感器；然后將每個(gè)膠囊壓力傳感器的鋼絲繩與孔外的多通道位移監(jiān)測(cè)儀連接，每個(gè)膠囊壓力傳感器的控制電路與孔外的多通道壓力監(jiān)測(cè)儀連接；液壓軟管與孔外的注液裝置連接；

第四步：打開(kāi)所有兩位三通電磁閥側(cè)通液口，通過(guò)注液裝置向液壓軟管內(nèi)注液，液體通過(guò)開(kāi)啟的兩位三通電磁閥側(cè)通液口流向各個(gè)膠囊壓力傳感器內(nèi)腔，當(dāng)所有膠囊壓力傳感器內(nèi)腔灌滿液體且液壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，關(guān)閉所有兩位三通電磁閥側(cè)通液口，此時(shí)的液壓為設(shè)定壓力；

第五步：當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，對(duì)膠囊壓力傳感器膠囊狀彈性面進(jìn)行擠壓，膠囊壓力傳感器內(nèi)的液體壓力傳感器感應(yīng)煤巖體應(yīng)力，由多通道壓力監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)采集各液體壓力傳感器感應(yīng)到的壓力；當(dāng)某一個(gè)編號(hào)的膠囊壓力傳感器內(nèi)腔液體壓力達(dá)到膠囊壓力傳感器外殼能承受的壓力上限值時(shí)，打開(kāi)該膠囊壓力傳感器中兩位三通電磁閥的側(cè)通液口，此時(shí)的上限值為本次的監(jiān)測(cè)值，監(jiān)測(cè)值減去設(shè)定壓力值極為此次監(jiān)測(cè)到的煤巖體應(yīng)力變化值；待液體回流到注漿裝置液壓恢復(fù)至設(shè)定壓力值時(shí)，再次關(guān)閉該膠囊壓力傳感器的側(cè)通液口，繼續(xù)監(jiān)測(cè)煤巖體應(yīng)力，以此類推，直到監(jiān)測(cè)煤巖體應(yīng)力不再變化為止；將多次監(jiān)測(cè)到的煤巖體應(yīng)力變化值求和，即為該膠囊壓力傳感器對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤巖體應(yīng)力總的變化值；

上述多次監(jiān)測(cè)的目的是，防止液壓過(guò)大造成膠囊壓力傳感器膠囊面破壞。

第六步：待所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)束，打開(kāi)所有兩位三通電磁閥側(cè)通液口，膠囊壓力傳感器內(nèi)腔液體回收至注液裝置，膠囊壓力傳感器隨鋼絲繩移出鉆孔，完成回收。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、由于本發(fā)明的監(jiān)測(cè)裝置是將多個(gè)膠囊壓力傳感器串聯(lián)，且每個(gè)膠囊壓力傳感器的液壓壓力傳感器和鋼絲繩分別連接在多通道壓力監(jiān)測(cè)儀和多通道位移監(jiān)測(cè)儀的一個(gè)通道上，保證每個(gè)膠囊壓力傳感器都可以獨(dú)立工作，從而使得一套監(jiān)測(cè)裝置可以對(duì)煤巖體單條軸線多點(diǎn)圍巖定向應(yīng)力分布、圍巖變形多點(diǎn)實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。

2、本發(fā)明根據(jù)監(jiān)測(cè)需要可將多個(gè)膠囊壓力傳感器通過(guò)液壓軟管、電纜串聯(lián)使用，減少了鉆孔數(shù)量，通過(guò)一個(gè)鉆孔便可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，避免了多鉆孔對(duì)煤巖體造成較大的擾動(dòng)，提高了探測(cè)效率，且膠囊壓力感應(yīng)器與煤巖主動(dòng)耦合性好，探測(cè)可靠度高。

3、本發(fā)明監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)完畢后打開(kāi)所有三通閥側(cè)通液口，膠囊壓力傳感器內(nèi)液體回收至注液裝置，通過(guò)拖拽鋼絲繩將膠囊壓力傳感器沿導(dǎo)軌移出鉆孔，實(shí)現(xiàn)回收再利用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明監(jiān)測(cè)裝置實(shí)施例示意圖。

圖2為本發(fā)明監(jiān)測(cè)裝置中孔底位置膠囊壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為膠囊壓力傳感器俯視圖的剖面圖。

圖4為膠囊壓力傳感器主視圖的剖面圖。

圖中：1-注液裝置、2-多通道壓力監(jiān)測(cè)儀、3-多通道位移監(jiān)測(cè)儀、4-膠囊壓力傳感器、5-液壓軟管、6-電纜、7-鋼絲繩、8-導(dǎo)軌槽、9-固定栓、10-液壓軟管接口、11-膠囊狀彈性面、12-外殼、13-鉆孔導(dǎo)軌、14-螺紋孔、15-電纜接口、16-電壓放大器、17-控制開(kāi)關(guān)、18-液體壓力傳感器、19-兩位三通電磁閥，20-煤巖體。

a代表上通液口，b代表下通液口，c代表側(cè)通液口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。

如圖1-4所示，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)裝置，包括多個(gè)串聯(lián)的膠囊壓力傳感器4、一個(gè)多通道壓力監(jiān)測(cè)儀2、一個(gè)多通道位移監(jiān)測(cè)儀3和一套注液裝置1；所述的膠囊壓力傳感器4結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2：包括一個(gè)外殼12，實(shí)施例中外殼12的左右面為敞口狀，外殼12的上下面為膠囊彈性面11，從而形成一個(gè)含膠囊狀彈性面殼體；在外殼的左右兩端四角處設(shè)有導(dǎo)軌槽8，通過(guò)導(dǎo)軌槽8將膠囊壓力傳感器4卡在鉆孔的軌道13上；在外殼12內(nèi)設(shè)置有兩位三通電磁閥19，兩位三通電磁閥19由控制電路控制，控制電路由液體壓力傳感器18、電壓放大器16和控制開(kāi)關(guān)17電連接組成；每個(gè)膠囊壓力傳感器4的控制電路通過(guò)電纜6分別連接在多通道壓力監(jiān)測(cè)儀2的一個(gè)通道上；所述的兩位三通電磁閥19上設(shè)有上、下通液口和側(cè)通液口a、b和c，上通液口a和下通液口b分別作為出液口和進(jìn)液口，側(cè)通液口c與外殼12內(nèi)腔相通，各個(gè)膠囊壓力傳感器4的進(jìn)液口和出液口通過(guò)液壓軟管5依次串聯(lián)成通路后，再與設(shè)在鉆孔外的注液裝置1連接；在外殼12的一個(gè)側(cè)面上設(shè)有固定栓9，鋼絲繩7系在固定栓9上，每個(gè)膠囊壓力傳感器4的鋼絲繩7分別連接在多通道位移監(jiān)測(cè)儀3的一個(gè)通道上。

為了方便液壓軟管5和電纜6的安裝，提高整體安裝的美觀性，在膠囊壓力傳感器4的前后端面設(shè)有一個(gè)液壓軟管接口10和多個(gè)電纜接口15，通過(guò)液壓軟管接口10將各個(gè)膠囊壓力傳感器4的液壓軟管5連接；通過(guò)電纜接口15使得每一個(gè)控制電路的電纜6穿過(guò)其后部的所有膠囊壓力傳感器4內(nèi)腔連接在多通道壓力監(jiān)測(cè)儀2的一個(gè)通道上。

利用上述監(jiān)測(cè)裝置對(duì)煤巖體定向應(yīng)力分布與變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法步驟如下：

第一步：根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，確定監(jiān)測(cè)區(qū)域、鉆孔位置、鉆孔深度、監(jiān)測(cè)位置以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)打鉆至預(yù)定深度，然后在鉆孔內(nèi)安裝導(dǎo)軌13，安裝導(dǎo)軌13時(shí)，可以通過(guò)螺紋孔14逐節(jié)安裝；

第二步：將各個(gè)膠囊壓力傳感器4依次連接，串聯(lián)時(shí)，要求液壓軟管5的長(zhǎng)度大于預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距；按照打鉆方向?yàn)榍胺剑瑢⒏鱾€(gè)膠囊壓力傳感器4從前到后依次編號(hào)；

第三步：將串聯(lián)的膠囊壓力傳感器4沿導(dǎo)軌13推入鉆孔至最深處，通過(guò)每個(gè)膠囊壓力傳感器4外露鋼絲繩7長(zhǎng)度判定其在鉆孔中的位置，通過(guò)抽拉鋼絲繩7調(diào)節(jié)膠囊壓力傳感器4位置，使得每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都安放有膠囊壓力傳感器4；然后將每個(gè)膠囊壓力傳感器4的鋼絲繩7與孔外的多通道位移監(jiān)測(cè)儀3連接，每個(gè)膠囊壓力傳感器4的控制電路與孔外的多通道壓力監(jiān)測(cè)儀2連接；液壓軟管5與孔外的注液裝置1連接；

第四步：打開(kāi)所有兩位三通電磁閥19側(cè)通液口c，通過(guò)注液裝置1向液壓軟管5內(nèi)注液，液體通過(guò)開(kāi)啟的兩位三通電磁閥19側(cè)通液口c流向各個(gè)膠囊壓力傳感器4內(nèi)腔，當(dāng)所有膠囊壓力傳感器4內(nèi)腔灌滿液體且液壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，關(guān)閉所有兩位三通電磁閥19側(cè)通液口c，此時(shí)的液壓為設(shè)定壓力；

第五步：當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，對(duì)膠囊壓力傳感器4膠囊狀彈性面進(jìn)行擠壓，膠囊壓力傳感器4內(nèi)的液體壓力傳感器18感應(yīng)煤巖體應(yīng)力，由多通道壓力監(jiān)測(cè)儀2實(shí)時(shí)采集各膠囊內(nèi)液體壓力傳感器18感應(yīng)到的壓力；當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)編號(hào)的膠囊壓力傳感器4內(nèi)腔液體壓力達(dá)到膠囊壓力傳感器4外殼12能承受的壓力上限值時(shí)，打開(kāi)該膠囊壓力感應(yīng)器4中兩位三通電磁閥19的側(cè)通液口c，此時(shí)的上限值為本次的監(jiān)測(cè)值，監(jiān)測(cè)值減去設(shè)定壓力極為此次監(jiān)測(cè)到的煤巖體20的應(yīng)力變化值；

待液體回流到注漿裝置1液壓恢復(fù)至設(shè)定壓力時(shí)，再次關(guān)閉該膠囊壓力傳感器4的側(cè)通液口c，繼續(xù)監(jiān)測(cè)煤巖體應(yīng)力，以此類推，直到監(jiān)測(cè)煤巖體應(yīng)力不再變化為止；將多次監(jiān)測(cè)到的煤巖體應(yīng)力變化值求和，即為該膠囊壓力感應(yīng)器4對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤巖體應(yīng)力總的變化值；

上述多次監(jiān)測(cè)的目的是防止液壓過(guò)大造成膠囊壓力傳感器4的膠囊面破壞。

第五步：待所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)束，打開(kāi)所有兩位三通電磁閥19側(cè)通液口c，膠囊壓力傳感器4內(nèi)腔液體回收至注液裝置1，膠囊壓力傳感器4隨鋼絲繩7移出鉆孔，完成回收。