一种采动岩体三维应力监测设备和方法技术

本发明专利技术公开了一种采动岩体三维应力监测设备，包括设备基体、测量装置、井下传输基站以及地面信号传输基站；所述设备基体为微晶玻璃材质柱体，其内部正方体的六面上均安装有交叉的光纤光栅，光线光栅的夹角为45

【技术实现步骤摘要】
一种采动岩体三维应力监测设备和方法


[0001]本专利技术涉及煤岩体应力监测和煤矿安全开采
，尤其是涉及一种采动岩体三维应力监测设备和方法。

技术介绍

[0002]煤炭是我国主体能源之一，随着我国煤炭资源开采强度和深度的逐渐增加，深部煤岩体处于高地应力、高温、高水压、高瓦斯等复杂恶劣的工程地质条件中，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害及复合动力灾害事故频发。地应力是引起采矿及其他各种地下工程变形和破坏的根本作用力，地应力场的大小和方向对工程地质动力灾害事故的发生有着显著的影响。当然，近几十年来，国内外专家学者针对地应力测量做了大量工作，得到了很多测量方法，常用的方法有应力解除法和水压致裂法。但是，这种方法测试的是开采扰动前的原岩初始地应力，不能反映采动扰动后的地应力场。而在采动条件下，如何实时监测煤岩体受力大小及受力状态，对围岩稳定性分析以及实现地下工程安全开挖生产具有重要作用和指导，对工程地质动力灾害的预测预警有着极其重要意义。
[0003]目前，国内外专家学者对于边帮应力的监测做了很多工作，最常用的设备和方法就是通过钻孔应力计或者压力盒进行应力状态监测工作，但是钻孔应力计及压力盒监测煤岩体双向受力情况，但是仅仅能反映一个平面上应力状态，对三维空间上的煤岩体来说，无法全面地反映出实际地质情况，针对其受力变形特征的研究忽略的信息较大，仍存在着一定的误差。
[0004]为此，迫切需要开发一种采动岩体三维应力监测方法及智能设备，以满足矿井井下围岩应力监测的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种采动岩体三维应力监测设备和方法，能够准确、有效的了解井下围岩体应力状态，对围岩稳定性分析以及实现地下工程安全开挖生产具有重要作用和指导，对工程地质动力灾害进行有效的预测预警，充分满足矿井绿色安全高效生产的需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种采动岩体三维应力监测设备，包括设备基体、测量装置、井下传输基站以及地面信号传输基站；
[0007]所述设备基体为微晶玻璃材质柱体，其内部正方体的六面上均安装有交叉的光纤光栅，光线光栅的夹角为45
°
。
[0008]一种采动岩体三维应力监测方法，步骤如下：
[0009]S1、根据矿方工作面开采设计及实际开采情况，进行采动岩体三维应力监测地点、深度、层位设计；
[0010]S2、根据现场工况，安装并固定好钻机，选用无岩芯钻机钻头，根据步骤S1设计对目标层位进行打孔钻进工作；
[0011]S3、当钻机钻进至安装深度时，将钻机推出，安装采动岩体三维应力监测设备；
[0012]S4、使用铝合金制小杆，将采动岩体三维应力监测智能设备推至孔底，此时，检查设备运行情况；
[0013]S5、待设备一切正常后，使用环氧树脂镶嵌技术将设备与孔底岩体粘结；
[0014]S6、待环氧树脂固结后，固定钻孔孔口的井下传输基站，并将孔口用水泥进行封孔；
[0015]S7、读取和记录数据处理及传输装置中陀螺仪定位光纤光栅应变传感器装置位置和形态的结果，并将该数据记录；
[0016]S8、陀螺仪将定位结果传输给井下传输基站，井下传输基站将数据传输给地面信号传输基站，地面信号传输基站中的信号数据处理装置接收到方位数据后，进行数据处理，并构建井下围岩体应力监测坐标系；
[0017]S8、待设备初始调试完成后，进行采动岩体三维应力实时监测工作；
[0018]S9、由技术人员每班进行设备检查一次，确保设备正常工作；
[0019]S10、地面信号接收基站实时接收井下信号数据，进行数据处理，数据存储，将数据传输到井下传输基站显示器上显示，并将数据处理结果应用于实际工作面回采工作；
[0020]S11、待工作面回采结束后，施工人员拆除孔口水泥，将井下传输基站从数据接口上拔下，采动岩体三维应力监测工作完成。
[0021]优选的，步骤S5中，三维岩体采动应力监测设备和围岩体完全粘结时，监测设备基体与围岩体材料介质不同，使得三维岩体监测设备受力与围岩应力存在应力传递的关系，空间中任意一点的三维应力状态由选定坐标系中的σ
x
、σ
y
、σ
z
、τ
xy
、τ
yz
、τ
xz
六个分量来表示，根据6个应力分量，即可计算出井下围岩体三向主应力大小及方向。
[0022]优选的，监测设备上的应力与围岩应力关系计算公式如下：
[0023][0024][0025][0026]式中：σ
i
、σ
′
i
分别为围岩体和监测设备基体各向应力大小，其中，i＝x、y、z；E、E＇分别为围岩体和监测设备基体的弹性模量；μ、μ＇分别为岩体和监测设备基体的泊松比；
[0027]当围岩体和基体材料力学参数已知时，围岩应力状态与监测设备监测出的数据结
果存在比例关系，通过监测结果即可反算围岩体应力状态。
[0028]优选的，采动应力监测基体在三维受力状态下，根据广义的胡克定律可知：
[0029][0030][0031][0032]式中：σ
′
x
、σ
′
y
、σ
′
z
分别为基体材料在x、y、z三个方向上受到的应力，ε
′
x
、ε
′
y
、ε
′
z
分别为光纤在x、y、z三个方向上的测量得到的应变量；
[0033]剪切应力需要测量剪切应变，在测量x、y、z个方向上的线应变基础上，根据弹性力学理论，应变分析见下式：
[0034][0035][0036]则当a与x方向、y方向成45
°
时，即可求解上述τ
′
xy
、τ
′
yz
、τ
′
xz
。
[0037]因此，本专利技术采用上述一种采动岩体三维应力监测设备和方法，在采掘活动前进行监测，能够监测围岩体初始三维应力状态，在采掘活动进行时实时监测围岩体采动三维应力状态，相较于以往的围岩体应力监测设备，能够监测并提供三个主应力的大小和方向，全面地反映出围岩体采前采后应力场特征，大大提高了监测效率，节省了围岩体初始应力场测量的时间和花费，同时大大的降低了以往围岩体监测的误差，解决了以往应力监测仅仅是平面监测的难题，通过监测和计算正应变和剪切应变，充分反映和预警工程地质动力灾害，对围岩稳定性分析以及实现地下工程安全开挖生产具有重要作用和指导，提高了煤矿生产的安全性，具有重大的经济和社会效益。
[0038]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0039]图1是本专利技术实施例提供测量装置和设备基体的结构示意图；
[0040]图2是本专利技术一种采动岩体三维应力监本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采动岩体三维应力监测设备，其特征在于：包括设备基体、测量装置、井下传输基站以及地面信号传输基站；所述设备基体为微晶玻璃材质柱体，其内部正方体的六面上均安装有交叉的光纤光栅，光线光栅的夹角为45
°
。2.一种采动岩体三维应力监测方法，其特征在于，步骤如下：S1、根据矿方工作面开采设计及实际开采情况，进行采动岩体三维应力监测地点、深度、层位设计；S2、根据现场工况，安装并固定好钻机，选用无岩芯钻机钻头，根据步骤S1设计对目标层位进行打孔钻进工作；S3、当钻机钻进至安装深度时，将钻机推出，安装采动岩体三维应力监测设备；S4、使用铝合金制小杆，将采动岩体三维应力监测智能设备推至孔底，此时，检查设备运行情况；S5、待设备一切正常后，使用环氧树脂镶嵌技术将设备与孔底岩体粘结；S6、待环氧树脂固结后，固定钻孔孔口的井下传输基站，并将孔口用水泥进行封孔；S7、读取和记录数据处理及传输装置中陀螺仪定位光纤光栅应变传感器装置位置和形态的结果，并将该数据记录；S8、陀螺仪将定位结果传输给井下传输基站，井下传输基站将数据传输给地面信号传输基站，地面信号传输基站中的信号数据处理装置接收到方位数据后，进行数据处理，并构建井下围岩体应力监测坐标系；S8、待设备初始调试完成后，进行采动岩体三维应力实时监测工作；S9、由技术人员每班进行设备检查一次，确保设备正常工作；S10、地面信号接收基站实时接收井下信号数据，进行数据处理，数据存储，将数据传输到井下传输基站显示器上显示，并将数据处理结果应用于实际工作面回采工作；S11、待工作面回采结束后，施工人员拆除孔口水泥，将井下传输基站从数据接口上拔下，采动岩体三维应力监测工作完成。3.根据权利要求2所述的一种采动岩体三维应力监测方法，其特征在于：步骤S5中，三维岩体采动应力监测设备和围岩体完全粘结时，监测设备基体与围岩体材料介质不同，使得三维岩体监测设备受力与围岩应力存在应力传递的关系，空间中任意一点的三维应力状态由选定坐标系中的σ
x
、σ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔伟，程香港，贺虎，边戈，刘梦楠，范志强，谢俊霞，王伟龙，张涛，孟祥胜，刘庆，任康江，刘英杰，
申请(专利权)人：陕西正通煤业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：