钻孔式三向多点煤岩体无线应力计及煤岩体应力监测方法技术

本公开涉及煤岩体及地下工程等安全领域，本公开提出一种钻孔式三向多点煤岩体无线应力计及煤岩体应力监测方法，该应力计中单向应力监测单元包括聚偏氟乙烯压电薄膜、导线、设置于聚偏氟乙烯压电薄膜上下表面的上保护层和下保护层；多个骨架包括主骨架和次骨架，骨架呈管状，主骨架的靠近护帽侧嵌入有沿骨架轴向布置的一个单向应力监测单元，主骨架和次骨架均嵌入有沿骨架径向布置的至少两个方向垂直的单向应力监测单元，沿径向布置的单向应力监测单元的聚偏氟乙烯压电薄膜与骨架的外壁共面，每个骨架或相邻骨架的空心管路中布置一个与导线连接的信号处理模块，信号处理模块与外部设备无线通信。根据本公开的应力计提高了应力监测数据的精度。应力监测数据的精度。应力监测数据的精度。

【技术实现步骤摘要】
钻孔式三向多点煤岩体无线应力计及煤岩体应力监测方法


[0001]本公开涉及煤岩体及地下工程等安全领域，尤其涉及一种钻孔式三向多点煤岩体无线应力计及煤岩体应力监测方法。

技术介绍

[0002]井工矿物资源开采、隧道开挖或者其他地质工程的实施都会改变原赋存在煤岩体中的应力分布状态，不同的地下工程对于项目服务年限以及在使用过程中的变形量有着不同的要求，如煤矿中对于回采巷道的使用年限通常不超过3年，而对于中央大巷则与矿井服务年限基本一样；同样回采巷道只需保障在工作面回采期间不影响生产，一定量的巷道变形收敛是允许发生的，而隧道等工程对于变形量有着严格的要求，因此可以说，不同的地下工程出于不同的目的有着截然不同的变形量和服务年限的要求。其中影响地下工程变形量也就是安全的最主要可以分为地下工程所处岩层的力学特征、施加在地下工程边界上的应力、人工施加的支护措施三种类型，其中如果能够及时且长时间对施加在地下工程边界上的应力的变化情况进行监测感知就可以更好的采取相应的措施来保障地下工程的正常运行，也保障工作人员的健康安全。
[0003]目前，通常采用钻孔应力计或者地球物理方法来监测距离地下工程表面不同深部内部围岩的应力赋存和演变情况，现有的以应力波感知为代表的地球物理方法虽然可以实现一定范围内的异常监测，但是在波形分析上不能很好的解决被监测地区的空腔、水、应力异常等情况的差别；钻孔应力计通常有液压式、振弦式、光纤光栅式、空心包体等类型，但是目前已有应力计在实际应用过程中均存在一定的不足如安装工艺复杂、数据量单一等，在一定程度上已经无法满足当下对于应力监测数据的更高精度和更加丰富的要求，因此亟需研发出新的钻孔应力计来更好的对地下工程岩体应力的状态进行监测。

技术实现思路

[0004]本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本公开的第一个目的在于提出一种钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，以提高应力监测数据的精度。
[0006]本公开的第二个目的在于提出一种基于钻孔式三向多点煤岩体无线应力计的煤岩体应力监测方法。
[0007]为达上述目的，本公开第一方面实施例提出了一种钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，包括多个单向应力监测单元、多个信号处理模块、多个骨架和护帽；
[0008]所述单向应力监测单元包括聚偏氟乙烯压电薄膜、分别设置于所述聚偏氟乙烯压电薄膜上下表面的上保护层和下保护层、以及与所述聚偏氟乙烯压电薄膜连接的导线；
[0009]所述多个骨架包括主骨架和次骨架，所述主骨架的一端连接所述护帽，所述主骨架的另一端连接次骨架，所述骨架呈管状，所述主骨架的靠近护帽侧嵌入有沿骨架轴向布置的位于空心管路内的一个单向应力监测单元和沿骨架径向布置的至少两个方向垂直的
单向应力监测单元，所述次骨架的靠近主骨架侧嵌入有沿骨架径向布置的至少两个方向垂直的单向应力监测单元，其中沿径向布置的单向应力监测单元的聚偏氟乙烯压电薄膜与所述骨架的外壁共面；
[0010]相邻骨架中的一个空心管路布置一个信号处理模块或两个空心管路分别布置一个信号处理模块，所述信号处理模块与对应的骨架中的所有单向应力监测单元的导线连接，所述信号处理模块与外部设备进行无线通信。
[0011]在本公开的一个实施例中，所述聚偏氟乙烯压电薄膜呈长条形，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的长宽均至少为所述聚偏氟乙烯压电薄膜的厚度的100倍以上，所述上保护层和下保护层的长宽分别大于等于所述聚偏氟乙烯压电薄膜的长宽。
[0012]在本公开的一个实施例中，所述上保护层或所述下保护层由目标混凝土浇筑形成，所述目标混凝土基于现场煤岩体的应力监测点的岩样的基本物理力学特性确定的材料和配比得到。
[0013]在本公开的一个实施例中，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的表面涂抹有硅胶层。
[0014]在本公开的一个实施例中，各骨架的外壁上设置有出浆孔，所述出浆孔连通所述骨架内的空心管路和外壁。
[0015]在本公开的一个实施例中，所述次骨架的数量为多个，所述钻孔式三向多点煤岩体无线应力计还包括接头，各骨架通过所述接头进行连接。
[0016]在本公开的一个实施例中，所述信号处理模块包括模数转换电路、温度补偿单元和无线传输单元，所述模数转换电路用于将所述单向应力监测单元采集的模拟应力数据转化成数字应力数据，所述无线传输单元用于将所述数字应力数据发送至外部设备。
[0017]为达上述目的，本公开第二方面实施例提出了一种基于钻孔式三向多点煤岩体无线应力计的煤岩体应力监测方法，包括：
[0018]基于现场煤岩体钻孔中的多个应力监测点确定骨架数量；
[0019]获取预先制作的单向应力监测单元和多个管状的骨架，其中多个骨架包括主骨架和次骨架；
[0020]将所述主骨架的一端与护帽连接后至于钻孔中，在主骨架的靠近护帽侧，沿骨架轴向布置一个位于空心管路内的单向应力监测单元、沿骨架径向布置至少两个方向垂直的单向应力监测单元，在主骨架的空心管路中布置一个信号处理模块；
[0021]通过接头连接主骨架和次骨架后，在次骨架的靠近主骨架侧，沿骨架径向布置至少两个方向垂直的单向应力监测单元，在次骨架的空心管路中布置一个信号处理模块，其中沿径向布置的单向应力监测单元的聚偏氟乙烯压电薄膜与所在骨架的外壁共面，每布置一个信号处理模块后，将信号处理模块与所在骨架的所有单向应力监测单元的导线连接；
[0022]完成所有骨架布置后，对骨架的孔口位置进行封孔，并对骨架内空心管路进行注浆以使钻孔式三向多点煤岩体无线应力计浇筑在所述钻孔中；
[0023]利用钻孔式三向多点煤岩体无线应力计实时监测煤岩体应力信息。
[0024]在本公开的一个实施例中，所述单向应力监测单元的制作过程包括：基于现场煤岩体的应力监测点的岩样的物理力学特性配置目标混凝土；选择预设长宽的聚偏氟乙烯压电薄膜，利用所述目标混凝土在所述聚偏氟乙烯压电薄膜的上表面和下表面浇筑形成长宽分别大于或等于预设长宽的上保护层和下保护层，从而获得单向应力监测单元。
[0025]在本公开的一个实施例中，在制作得到单向应力监测单元后还需要对单向应力监测单元进行养护和单轴压缩实验。
[0026]在本公开一个或多个实施例中，钻孔式三向多点煤岩体无线应力计包括多个单向应力监测单元、多个信号处理模块、多个骨架和护帽；单向应力监测单元包括聚偏氟乙烯压电薄膜、分别设置于聚偏氟乙烯压电薄膜上下表面的上保护层和下保护层、以及与聚偏氟乙烯压电薄膜连接的导线；多个骨架包括主骨架和次骨架，主骨架的一端连接护帽，主骨架的另一端连接次骨架，骨架呈管状，主骨架的靠近护帽侧嵌入有沿骨架轴向布置的位于空心管路内的一个单向应力监测单元和沿骨架径向布置的至少两个方向垂直的单向应力监测单元，次骨架的靠近主骨架侧嵌入有沿骨架径向布置的至少两个方向垂直的单向应力监测单元，其中沿径向布置的单向应力监测单元的聚偏氟乙烯压电薄膜与骨架的外壁共面；相邻骨架中的一个空心管路布置一个信号处理模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，其特征在于，包括多个单向应力监测单元、多个信号处理模块、多个骨架和护帽；所述单向应力监测单元包括聚偏氟乙烯压电薄膜、分别设置于所述聚偏氟乙烯压电薄膜上下表面的上保护层和下保护层、以及与所述聚偏氟乙烯压电薄膜连接的导线；所述多个骨架包括主骨架和次骨架，所述主骨架的一端连接所述护帽，所述主骨架的另一端连接次骨架，所述骨架呈管状，所述主骨架的靠近护帽侧嵌入有沿骨架轴向布置的位于空心管路内的一个单向应力监测单元和沿骨架径向布置的至少两个方向垂直的单向应力监测单元，所述次骨架的靠近主骨架侧嵌入有沿骨架径向布置的至少两个方向垂直的单向应力监测单元，其中沿径向布置的单向应力监测单元的聚偏氟乙烯压电薄膜与所述骨架的外壁共面；相邻骨架中的一个空心管路布置一个信号处理模块或两个空心管路分别布置一个信号处理模块，所述信号处理模块与对应的骨架中的所有单向应力监测单元的导线连接，所述信号处理模块与外部设备进行无线通信。2.根据权利要求1所述的钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜呈长条形，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的长宽均至少为所述聚偏氟乙烯压电薄膜的厚度的100倍以上，所述上保护层和下保护层的长宽分别大于等于所述聚偏氟乙烯压电薄膜的长宽。3.根据权利要求1所述的钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，其特征在于，所述上保护层或所述下保护层由目标混凝土浇筑形成，所述目标混凝土基于现场煤岩体的应力监测点的岩样的基本物理力学特性确定的材料和配比得到。4.根据权利要求1所述的钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的表面涂抹有硅胶层。5.根据权利要求1所述的钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，其特征在于，各骨架的外壁上设置有出浆孔，所述出浆孔连通所述骨架内的空心管路和外壁。6.根据权利要求1所述的钻孔式三向多点煤岩体无线应力计，其特征在于，所述次骨架的数量为多个，所述钻孔式三向多点煤岩体无线应力计还包括接头，各骨架通过所述接头进行连接。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑建伟，齐庆新，李春元，何团，张良，杨冠宇，
申请(专利权)人：煤炭科学研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：