一种用于测量方形钻孔双向应力的应力计及其使用方法

1.一种用于测量方形钻孔垂直于轴向方向的双向应力的应力计，其特征在于：每一个基本监测单元由应力探头（1），液压油路（2），压力显示装置和手动油泵（4）组成；所述应力探头（1）为长方体状，应力探头（1）由骨架（101）、底压力枕盖板（105）、侧压力枕盖板（107）和包裹体（108）组成，在骨架（101）内设有管路腔（102）、凝固剂缸腔（103）、底压力枕腔（104）、侧压力枕腔（106），在底压力枕腔（104）和侧压力枕腔（106）内分别设有底压力枕（116）和侧压力枕（117），在底压力枕腔（104）和侧压力枕腔（106）的外侧分别设有底压力枕盖板（105）和侧压力枕盖板（107），在骨架（101）上还设有凝固剂出口（111）；骨架（101）、底压力枕盖板（105）、侧压力枕盖板（107）均被包裹体（108）包裹，包裹体（108）为弹性材料；在应力探头（1）的尾部还设有安装插头（109）；液压油路（2）将压力枕（116）和压力显示装置连接，所述液压油路（2）分为底压力枕油路（21）和侧压力枕油路（22），底压力枕油路（21）与底压力枕（116）相连，侧压力枕油路（22）与侧压力枕（117）相连，所述压力显示装置为电子数显液压显示器（3），所述手动油泵（4）与电子数显液压显示器（3）相连。
2.如权利要求1所述的一种用于测量方形钻孔垂直于轴向方向的双向应力的应力计，其特征在于：所述凝固剂缸腔（103）内设有凝固剂缸（112），凝固剂缸（112）被活塞（113）分为两部分，分别用来盛装凝固剂和液压油，盛装凝固剂侧通过凝固剂管路（110）与凝固剂出口（111）相连，盛装液压油侧通过凝固剂缸油路（23）与底压力枕油路（21）相连。
3.如权利要求1所述的一种用于测量方形钻孔垂直于轴向方向的双向应力的应力计的使用方法，其特征在于：第一步，连接应力探头（1）和电子数显压力显示器（3），根据应力探头（1）的安装深度，选择长度适合的底压力枕油路（21）和侧压力枕油路（22），并将底压力枕（116）通过底压力枕油路（21）与电子数显压力显示器（3）连接，将侧压力枕（117）通过侧压力枕油路（22）与电子数显压力显示器（3）连接；第二步，将应力探头（1）装置放在孔口，然后将安装杆卡口母头与安装插头（109）连接，水平用力向孔内推安装杆，推进过程中安装杆的连接螺母及螺钉务必拧紧，以保持安装杆不会脱落，应力探头（1）安装到预定位置后，停止推送；第三步，通过手动油泵（4）向应力探头（1）注油，首先通过底压力枕油路（21）向底压力枕和凝固剂缸（112）缓慢注油，电子数显液压显示器上的压力值保持在0.1MP以下，一旦超过0.1MP应停止手动油泵的注油，待压力值低于0.1MP时，重新注油；待压力值超过0.1MP并且压力值不再降低时，连续注油，当压力达到根据钻孔埋深估算得到的预估压力时，停止注油并关闭手动油泵（4）和电子数显液压显示器（3）之间的注油阀，卸下手动油泵；然后将手动油泵（4）与侧压力枕油路（22）相连并注油至根据钻孔埋深估算得到的预估压力，然后关闭手动油泵（4）和电子数显液压显示器（3）之间的注油阀，卸下手动油泵（4）；第四步，在确认底压力枕（116）和侧压力枕（117）压力均符合要求后，逆时针方向旋转并用力往外拔安装杆，并逐节取出安装杆，并记录每个应力探头（1）的编号和初始压力。
4.如权利要求3所述的一种用于测量方形钻孔垂直于轴向方向的双向应力的应力计的使用方法，其特征在于：当进行多点应力测量时，在第一步连接应力探头（1）和电子数显液压显示器（3）之间的液压油路（2）时，前方应力探头（1）的液压油路（2）均穿过后方应力探头（1）的管路腔（102）。

一种用于测量方形钻孔双向应力的应力计及其使用方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于矿山压力监测领域，具体是一种用于测量方形钻孔双向应力的应力计及其使用方法。\n背景技术\n[0002] 在矿山岩体压力监测领域，人们主要关注自重应力对巷道围岩稳定的影响，但是随着矿井开采深度的增加，特别是在断层、背斜等地质构造附近，人们发现水平应力及其变化对巷道围岩破坏起重要作用，巷道底鼓的原因也与高水平应力有很大的关系。对于水平应力对巷道围岩稳定性的影响，国内外学者进行了相应的研究，指出巷道顶、底板破坏的主要因素是水平应力而不是垂直应力。因此对水平应力及其变化的监测显得尤为重要，但是现有的一般钻孔应力计只能测量竖直应力，对水平应力的测量涉及很少。在现有钻孔应力监测装置中，主要存在以下问题：\n[0003] 1、现有监测设备要求敏感方向一定垂直于水平面，但现有监测设备送入圆形钻孔难以控制设备姿态，由于钻孔是圆形的，监测设备可以在圆形钻孔内任意转动，无法保证方向一定垂直于水平面，如果监测设备的安装姿态和预设姿态不同，就无法准确的监测来压方向和压力大小。如“主动承压式可定位钻孔应力计及其探测方法”（专利号：\n201210393397.6）在安装时通过角度监测装置控制安装姿态，但是安装结束以后，在给活塞加压过程中，或者受到外部扰动后，监测装置的状态仍难以控制，无法完全保证监测装置一直处于正确状态。\n[0004] 2、只能进行单点压力监测和单向压力监测，现有技术中只能将监测设备放入到钻孔的某个固定位置，而且在一个钻孔内只能放置一套监测设备，这就导致只能监测一个点的压力情况，无法在同一个钻孔内进行多点监测。如：“一孔多点测量的钻孔应力计”（申请号：200710120070.0）虽然可以实现多点监测，但是每个监测点的油压都是一样的，如果孔内各监测点的压差较大，就要求各监测点的油压也有相应差异，该技术方案无法适应同一个钻孔内不同监测点压力相互差异较大的情况，同时，该技术方案只能是现在某个监测点的单向压力监测，无法实现双向压力监测。\n[0005] 3、现有的钻孔应力计，一般不采取措施保证孔壁和应力计紧密接触，这样就会降低应力监测的准确程度，在有特别需要时才采取注浆方法将应力计和孔壁胶结在一起保持紧密接触，但是注浆过程比较繁琐，工作效率比较低。\n发明内容\n[0006] 本发明提供一种用于测量方形钻孔双向应力的应力计及其使用方法，每一个基本监测单元由应力探头，液压油路，压力显示装置和手动油泵组成。所述应力探头为长方体状，在骨架内设有管路腔、凝固剂缸腔、底压力枕腔、侧压力枕腔，在底压力枕腔和侧压力枕腔内分别设有底压力枕和侧压力枕，在底压力枕腔和侧压力枕腔的外侧分别设有底压力枕盖板和侧压力枕盖板，当多个基本监测单元组合使用时，管路腔用于通过本监测单元前方基本监测单元的液压油路，在骨架上还设有凝固剂出口，上述装置均被包裹体包裹，包裹体为弹性材料。在应力探头的尾部还设有安装插头，安装插头用于和安装杆连接，将本应力探头安装到所需位置。液压油路将底压力枕、侧压力枕和压力显示装置连接，所述液压油路分为底压力枕油路和侧压力枕油路，所述压力显示装置为电子数显液压显示器。所述手动油泵与电子数显液压显示器相连，通过手动油泵加压，液压油进入电子数显液压显示器、液压油路、底压力枕、侧压力枕。\n[0007] 作为改进，所述凝固剂缸腔内设有凝固剂缸，凝固剂缸被活塞分为两部分，分别用来盛装凝固剂和液压油，其中，盛装凝固剂侧通过凝固剂管路与凝固剂出口相连，盛装液压油侧通过凝固剂缸油路与底压力枕油路相连，通过手动油泵向底压力枕内注油时，在底压力枕达到所需压力前，液压油会进入凝固剂缸并推动活塞移动，活塞挤压凝固剂，使凝固剂通过凝固剂管路和凝固剂出口溢出。凝固剂溢出后，会自动填充应力探头与钻孔之间的空隙，凝固剂凝固后能够保证应力探头与钻孔之间紧密接触，保证应力测量的准确性。\n[0008] 一种用于测量方形钻孔双向应力的应力计的使用方法，其步骤如下：\n[0009] 第一步，连接应力探头和电子数显压力显示器，根据应力探头的安装深度，选择长度适合的底压力枕油路和侧压力枕油路，并将底压力枕通过底压力枕油路与电子数显压力显示器连接，将侧压力枕通过侧压力枕油路与电子数显压力显示器连接。\n[0010] 第二步，将应力探头装置放在孔口，然后将安装杆卡口母头与安装插头连接，水平用力向孔内推安装杆，推进过程中安装杆的连接螺母及螺钉务必拧紧，以保持安装杆不会脱落，应力探头安装到预定位置后，停止推送。\n[0011] 第三步，通过手动油泵向应力探头注油，首先通过底压力枕油路向底压力枕和凝固剂缸缓慢注油，电子数显液压显示器上的压力值保持在0.1MP以下，一旦超过0.1MP应停止手动油泵的注油，待压力值低于0.1MP时，重新注油。待压力值超过0.1MP并且压力值不再降低时，说明活塞已经到达凝固剂缸的端部，此时连续注油，当压力达到根据钻孔埋深估算得到的预估压力时，停止注油并关闭手动油泵和电子数显液压显示器之间的注油阀，卸下手动油泵；然后将手动油泵与侧压力枕油路相连并注油至根据钻孔埋深估算得到的预估压力，然后关闭手动油泵和电子数显液压显示器之间的注油阀，卸下手动油泵。\n[0012] 第四步，在确认底压力枕和侧压力枕压力均符合要求后，逆时针方向旋转并用力往外拔安装杆，并逐节取出安装杆，并记录每个应力探头的编号和初始压力。\n[0013] 作为改进，当进行多点应力测量时，在第一步连接应力探头和电子数显液压显示器之间的液压油路时，前方应力探头的液压油路均穿过后方应力探头的管路腔，并在安装每个应力探头时重复上述第二步、第三步、第四步。\n[0014] 作为改进，上述第三步中所述预估压力的计算公式为：P=2500kg/m3*h*g，其中h为埋深，g为重力加速度。\n[0015] 本发明的有益效果是：\n[0016] 1、易于保证安装姿态准确，由于采用方形钻孔，应力探头和钻孔之间不会产生相互间的转动，在不需要采用角度监测装置的情况下，能够保证应力探头姿态准确。\n[0017] 2、能够实现多点压力监测，而且每个监测点还可以实现相互垂直的两个方向的压力监测，在监测过程中还可以根据每个监测点、每个监测方向的压力变化情况实时对压力枕内的油压进行调整，保证压力枕内的油压与所需监测的压力匹配，能够提高压力监测的精度。\n[0018] 3本应力计不但能够实现岩体在弹性变形阶段的水平应力及竖直应力的监测，而且可以实现岩体进入塑性破坏后岩体的残余水平应力和竖直应力的检测。\n[0019] 4 应力探头可以实现自动与孔壁胶结，保证孔壁与应力探头紧密接触，提高监测精度，省去采取注浆方法带来的繁琐过程，节约时间、成本。\n附图说明\n[0020] 附图1为单个应力探头示意（局剖）图\n[0021] 附图2为附图1的A-A剖面图\n[0022] 附图3为单个应力探头的俯视图\n[0023] 附图4为凝固剂缸详图\n[0024] 附图5为多个应力探头串联示意图\n[0025] 附图6为应力探头与压力显示装置连接示意图\n[0026] 附图7为压力显示装置与油泵连接示意图\n[0027] 具体为，应力探头1，骨架101，管路腔102，凝固剂缸腔103，底压力枕腔104，底压力枕盖板105，侧压力枕腔106，侧压力枕盖板107，包裹体108，安装插头109，凝固剂管路110，凝固剂出口111，凝固剂缸112，活塞113，液压油114，凝固剂115，底压力枕116，侧压力枕117[0028] 液压油路2，底压力枕油路21，侧压力枕油路22，凝固剂缸油路23\n[0029] 电子数显液压显示器3\n[0030] 手动油泵4\n[0031] 钻孔5。\n具体实施方式\n[0032] 根据附图，本发明提供一种用于测量方形钻孔双向应力的应力计，该应力计由多个基本监测单元组成，每一个基本监测单元由应力探头1，液压油路2，压力显示装置和手动油泵4组成。所述应力探头1为长方体状，在骨架101内设有管路腔102、凝固剂缸腔103、底压力枕腔104、侧压力枕腔106，在底压力枕腔104和侧压力枕腔106内分别设有底压力枕116和侧压力枕117，在底压力枕腔104和侧压力枕腔106的外侧分别设有底压力枕盖板105和侧压力枕盖板107，当多个基本监测单元组合使用时，管路腔102用于通过本监测单元前方基本监测单元的液压油路2，在骨架101上还设有凝固剂出口111。所述凝固剂缸腔103内设有凝固剂缸112，凝固剂缸112被活塞113分为两部分，分别用来盛装凝固剂115和液压油114，其中，盛装凝固剂侧通过凝固剂管路110与凝固剂出口111相连，盛装液压油侧通过凝固剂缸油路23与底压力枕油路21相连。凝固剂115的挤出压力较小，底压力枕116的初始压力较大，通过手动油泵4向底压力枕内注油时，在底压力枕116达到所需压力前，液压油114会进入凝固剂缸112并推动活塞113移动，活塞113挤压凝固剂115，使凝固剂115通过凝固剂管路110和凝固剂出口111溢出。凝固剂115溢出后，会自动填充应力探头1与钻孔5之间的空隙，凝固剂115凝固后能够保证应力探头1与钻孔5之间紧密接触，保证应力测量的准确性。上述装置均被包裹体108包裹，包裹体108为弹性材料。在应力探头1的尾部还设有安装插头109，安装插头109用于和安装杆连接，将本应力探头1安装到所需位置。液压油路2将底压力枕116、侧压力枕117和压力显示装置连接，所述液压油路2分为底压力枕油路21和侧压力枕油路22，所述压力显示装置为电子数显液压显示器3。所述手动油泵4与电子数显液压显示器3相连，通过手动油泵4加压，液压油进入电子数显液压显示器3、液压油路2、底压力枕116、侧压力枕117。\n[0033] 一种用于测量方形钻孔双向应力的应力计的使用方法，其步骤如下：\n[0034] 第一步，连接应力探头1和电子数显压力显示器3，根据应力探头1的安装深度，选择长度适合的底压力枕油路21和侧压力枕油路22，并将底压力枕116通过底压力枕油路21与电子数显压力显示器3连接，将侧压力枕117通过侧压力枕油路22与电子数显压力显示器\n3连接。如果需要进行多点应力测量，前方应力探头1的液压油路2均穿过后方应力探头1的管路腔102。\n[0035] 第二步，将应力探头1装置放在孔口，然后将安装杆卡口母头与安装插头109连接，水平用力向孔内推安装杆，推进过程中安装杆的连接螺母及螺钉务必拧紧，以保持安装杆不会脱落，应力探头1安装到预定位置后，停止推送。\n[0036] 第三步，通过手动油泵4向应力探头1注油，首先通过底压力枕油路21向底压力枕\n116和凝固剂缸112缓慢注油，电子数显液压显示器3上的压力值保持在0.1MP以下，一旦超过0.1MP应停止手动油泵4的注油，待压力值低于0.1MP时，重新注油。待压力值超过0.1MP并且压力值不再降低时，说明活塞113已经到达凝固剂缸112端部，此时连续注油，当压力达到根据钻孔埋深估算得到的预估压力时，停止注油并关闭手动油泵4和电子数显液压显示器3之间的注油阀，卸下手动油泵4；然后将手动油泵4与侧压力枕油路22相连并注油至根据钻孔埋深估算得到的预估压力，然后关闭手动油泵4和电子数显液压显示器3之间的注油阀，卸下手动油泵4。\n[0037] 第四步，在确认底压力枕116和侧压力枕117压力均符合要求后，逆时针方向旋转并用力往外拔安装杆，并逐节取出安装杆，并记录每个应力探头的编号和初始压力，当钻孔内压力有变化时，在电子数显液压显示器3会有相应显示。