一种深钻孔全段多点贴壁式三维采动应力监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种深钻孔全段多点贴壁式三维采动应力监测装置及方法,前期结合工程实际数值模拟煤岩体受采动影响应力空间分布特征，划分监测点位段，指导深钻孔中多个监测点位的布置；实现在深孔中包体与钻孔孔壁强耦合效果，在各个点位树脂壳体瓣径向移动紧贴孔壁，同时同步同轴；其次，树脂壳体瓣紧贴孔壁，可以忽略胶体弹模变化影响，也避免固化的耦合剂如水泥等，在高应力作用下开裂对监测结果造成的影响；能够准确反映深钻孔全段采动应力实时分布特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种监测三维采动应力
，尤其是涉及一种深钻孔全段多点贴壁式三维采动应力监测装置及方法。
技术介绍
处在高地应力区域的深部煤矿受采掘影响，极易发生冲击地压灾害，实践证明煤岩体中的应力分布状态与冲击地压发生有着密切的联系,应力集中峰值越大，就越易引发冲击地压灾害，准确及时地掌握煤岩体内应力集中区域的应力分布状态,对防治冲击地压灾害有重要意义。目前国内外对地应力或采动应力的监测主要是单一点位预测模式,准确度也有待提高，且布置探测点位时较盲目，本专利技术基于煤岩体受采动影响应力分布的规律划分监测点位段，就此提出一种全孔段三维采动应力实时监测的新方法。近年来，采动应力得到越来越多的科研技术人员的重视，就这方面的专利主要分为四类，光纤光栅包体、应变片包体、油压应力计包体、超声波发射装置。如，CNIO4280417A岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置、CNIO2589767A岩芯内应力场测试仪及其使用方法、CNIO1922985一种TBM掘进时围岩应力变化测量方法、CNIO4132761A多点煤岩体应力实时监测装置及方法、CNIO4912552A一种煤岩体地应力分布特征探测方法及装置等。综合分析以上专利可知：①在深钻孔条件下，难以实现包体与钻孔的轴心重合，即不同轴；②如CNIO4280417A使用水泥耦合孔壁，在深钻孔条件下，难以保证各点处包体与孔壁的耦合程度，再者孔壁与包体间的耦合剂过厚，其弹模不能够忽略，尤其在高应力作用下导致过厚的耦合剂开裂也将直接影响测量精度；③包体不能直接与孔壁接触，很难适应塑性区的应力采集；④CNIO2589767A提及软管上布置光栅通过油压使得与孔壁结合，其内部太大压力会限制光栅变形，内部压力太小耦合效果就差，严重影响测量的精确度；⑤在全孔段布置监测点位段时具有盲目性。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是解决采动应力监测技术中存在深钻孔条件下如何实现：应力监测装置与孔壁强耦合；多个监测装置都与钻孔同轴；合理布置多个监测点位段的空间位置等问题。结合工程实际数值模拟采动影响应力空间分布特征，划分多个监测点位段；优化包体成多个树脂壳体瓣，其径向移动紧贴孔壁实现与孔壁强耦合、与深钻孔同步同轴的作用效果，同时也可以忽略耦合剂对数据采集的影响，能够更准确地获取煤岩体三维应力分布特征。本专利技术所采用的技术方案是：一种深钻孔全段多点贴壁式三维采动应力监测装置，包括刚性连接杆，刚性连接直套管、孔口推进阀，尾锥，限制阀，以及多个单元监测装置，所述刚性连接杆为空心管体，其前端固连尾锥，紧邻尾锥顺次设置单元监测装置和刚性连接直套管，刚性连接直套管和下一个单元监测装置之间设置限制阀，刚性连接杆的末端螺纹连接孔口推进阀，孔口推进阀与其相邻的刚性连接直套管的端面刚性接触；所述限制阀为环形结构，由螺栓径向穿过阀体固定在刚性连接杆上；所述单元监测装置包括树脂壳体瓣、应变片、反弧底V型钢片槽和带槽口变径刚性套管；所述刚性连接直套管和带槽口变径刚性套管可滑动的套装于刚性连接杆上，带槽口变径刚性套管的较粗端与刚性连接直套管刚性连接，较细端外部周向均布3个树脂壳体瓣，相邻树脂壳体瓣之间用反弧底V型钢片槽连接，槽内设有使槽体保持一定初始角度的橡胶块以及作为粘结剂的胶体胶囊，槽体两端设有弹性封堵，槽体的顶口与钻孔壁平行，槽底与带槽口变径刚性套管外表面法向相切配合，槽体受尾锥或限制阀轴向限位；所述应变片嵌装在树脂壳体瓣内，由缆线连接外部监测设备；所述带槽口变径刚性套管的较细端沿其母线方向开有能够相对于螺栓推进的通槽；所述尾锥设有能够推入带槽口变径刚性套管的锥形腔。所述螺栓为空心螺栓，栓壁及尾锥上设有穿线孔；刚性连接杆为空心结构，缆线穿过空心螺栓或尾锥上的穿线孔进入刚性连接杆内，并由杆体穿出。所述刚性连接杆为分体式结构，由多节空心杆体螺纹连接组成。分体式结构组装灵活，有利于在空间有限的矿井下施工，刚性连接杆的个数根据钻孔的长度设置，每节杆体的长度最好不超过1m。所述刚性连接直套管采用分体式结构，由多段套管首尾刚性连接而成，各节套体的长度为0.1～1。所述刚性连接直套管的两端部设有边耳，边耳上设有螺丝孔，带槽口变径刚性套管较粗端的端面上设有螺丝孔，相邻套管之间或套管与变径刚性套管通过螺丝连接。所述刚性连接杆上沿其轴线方向至少设置一组用于安装限制阀的限制阀安装孔。上述结构的设置并不是唯一选择，可以根据施工现场的情况灵活设置。例如，对于边坡、矿山一些室外作业，且钻孔深度较浅的情况(不超过两米)刚性连接杆也可以采用整体式结构，相应的，刚性连接套管也可以采用整体式结构。而限制阀安装孔可以预制，也可以在现场直接用铆螺母枪将空心螺母打入管壁，前者适用于井下施工，后者可以在室外施工时使用。所述带槽口变径刚性套管的外壁对应反弧底V型钢片槽的弧形底面设有凸起的导向道。所述反弧底V型钢片槽的反弧底是直径为2.3mm的半圆弧；导向道的截面为2mm的半圆状。所述的反弧底V型钢片槽8常态下槽体夹角为10°。导向道的设置对反弧底V型钢片槽起到导向作用，同时推动反弧底V型钢片槽径向移动。所述树脂壳体瓣的横截面为圆弧形，连接于反弧底V型钢片槽的槽顶边沿。所述树脂壳体瓣的半径与钻孔的半径相同，树脂壳体瓣的所对应的角度小于以壳体瓣的个数为基数将以树脂壳体瓣的半径为半径的圆等分后的角度。所述橡胶块为充炭黑母胶，在反弧底V型钢片槽底部与槽口平行布置。一种深钻孔全段多点贴壁式三维采动应力监测方法，其特征在于，其具体步骤为:a.造孔，选用与树脂壳体瓣相同直径的金刚石钻头开孔，钻进到预定孔深，并清孔；b.根据前期已做数值模拟煤岩体受采动影响其应力分布特征，将全孔段分为多个监测点位段，并根据监测点位段的距离要求在刚性连接杆上划分安装单元监测装置的点位段；c.首先将已经安装尾椎和单元监测装置的第一节刚性连接杆放入钻孔内，将第二节刚性连接杆旋拧连接在第一节刚性连接杆上，同时在刚性连接杆上涂上润滑油，套上刚性连接直套管，并用螺丝将其边耳与带槽口变径刚性套管相连接，刚性连接直套管的个数由变径刚性套管至限制阀预安装部位之间的距离确定；d.根据步骤b所确定的单元监测装置在刚性连接杆上的位置范围，依次安装位于该点位段内的限制阀、单元监测装置以及刚性连接直套管，并将安装好的部分推入钻孔，每个点位段内至少安装一个单元监测装置；...

【技术保护点】
一种深钻孔全段多点贴壁式三维采动应力监测装置，包括刚性连接杆，刚性连接直套管、孔口推进阀，尾锥，限制阀，以及多个单元监测装置，其特征在于，所述刚性连接杆为空心管体，其前端固连尾锥，紧邻尾锥顺次设置单元监测装置和刚性连接直套管，刚性连接直套管和下一个单元监测装置之间设置限制阀，刚性连接杆的末端螺纹连接孔口推进阀，孔口推进阀与其相邻的刚性连接直套管的端面刚性接触；所述限制阀为环形结构，由螺栓径向穿过阀体固定在刚性连接杆上；所述单元监测装置包括树脂壳体瓣、应变片、反弧底V型钢片槽和带槽口变径刚性套管；所述刚性连接直套管和带槽口变径刚性套管可滑动的套装于刚性连接杆上，带槽口变径刚性套管的较粗端与刚性连接直套管刚性连接，较细端外部周向均布3个树脂壳体瓣，相邻树脂壳体瓣之间用反弧底V型钢片槽连接，槽内设有使槽体保持一定初始角度的橡胶块以及作为粘结剂的胶体胶囊，槽体两端设有弹性封堵，槽体的顶口与钻孔壁平行，槽底与带槽口变径刚性套管外表面法向相切配合，槽体受尾锥或限制阀轴向限位；所述应变片嵌装在树脂壳体瓣内，由缆线连接外部监测设备；所述带槽口变径刚性套管的较细端沿其母线方向开有能够相对于螺栓推进的通槽；所述尾锥设有能够推入带槽口变径刚性套管的锥形腔。...

【技术特征摘要】
1.一种深钻孔全段多点贴壁式三维采动应力监测装置，包括刚性连接
杆，刚性连接直套管、孔口推进阀，尾锥，限制阀，以及多个单元监测装
置，其特征在于，所述刚性连接杆为空心管体，其前端固连尾锥，紧邻尾
锥顺次设置单元监测装置和刚性连接直套管，刚性连接直套管和下一个单
元监测装置之间设置限制阀，刚性连接杆的末端螺纹连接孔口推进阀，孔
口推进阀与其相邻的刚性连接直套管的端面刚性接触；所述限制阀为环形
结构，由螺栓径向穿过阀体固定在刚性连接杆上；所述单元监测装置包括
树脂壳体瓣、应变片、反弧底V型钢片槽和带槽口变径刚性套管；所述刚
性连接直套管和带槽口变径刚性套管可滑动的套装于刚性连接杆上，带槽
口变径刚性套管的较粗端与刚性连接直套管刚性连接，较细端外部周向均
布3个树脂壳体瓣，相邻树脂壳体瓣之间用反弧底V型钢片槽连接，槽内
设有使槽体保持一定初始角度的橡胶块以及作为粘结剂的胶体胶囊，槽体
两端设有弹性封堵，槽体的顶口与钻孔壁平行，槽底与带槽口变径刚性套
管外表面法向相切配合，槽体受尾锥或限制阀轴向限位；所述应变片嵌装
在树脂壳体瓣内，由缆线连接外部监测设备；所述带槽口变径刚性套管的
较细端沿其母线方向开有能够相对于螺栓推进的通槽；所述尾锥设有能够
推入带槽口变径刚性套管的锥形腔。
2.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，
其特征在于，所述螺栓为空心螺栓，栓壁及尾锥上设有穿线孔；刚性连接
杆为空心结构，缆线穿过空心螺栓或尾锥上的穿线孔进入刚性连接杆内，

\t并由杆体穿出。
3.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，
其特征在于，所述刚性连接杆为分体式结构，由多节空心杆体螺纹连接组
成。
4.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，
其特征在于，所述刚性连接直套管采用分体式结构，由多段套管首尾刚性
连接而成，所述刚性连接直套管的两端部设有边耳，边耳上设有螺丝孔，
带槽口变径刚性套管较粗端的端面上设有螺丝孔，相邻套管之间或套管与
变径刚性套管通过螺丝连接。
5.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，
其特征在于，所述刚性连接杆上沿其轴线方向至少设置一组用于安装限制
阀的限制阀安装孔。
6.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，
其特征在于，所述带槽口变径刚性套管的外壁对应反弧底V型钢片槽的弧
形底面设有凸起的导向道，所述反弧底V型钢片槽的反弧底是直径为
2.3mm的半圆弧；导向道的截面为2mm的半圆状。
7.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆银龙，张晓东，王连国，李兆霖，肖天博，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32