專利名稱：煤巖體地應力連續測試裝置及方法
技術領域：
本發明涉及監測煤巖體地應力大小與煤巖體地應力隨采動和頂板活動的變化規律，屬礦 山地應力監測技術領域。
背景技術：
地應力是指地下煤巖層受到的應力，主要包括由上覆巖層自重引起的自重應力和由地質構
造作用引起的構造應力。自重應力o;^^Z， y為上覆煤巖層比重，z為垂直深度。
在煤炭等資源井下開采過程中，開采活動破壞了煤巖原始應力平衡狀態，引起采動空間周 圍的應力重新分布。因此，采掘空間周圍煤巖體的應力也包括采動應力。在采場和回采巷道周 圍，由于圍巖應力的作用促使圍巖發生變形、移動和破壞，可能出現頂板冒落與來壓、頂底板 移近、支架受載下縮、折損等礦壓現象，也可能出現煤與瓦斯突出、突水、沖擊地壓等動力現 象。
地應力大小是煤礦開采、支護及頂板控制(含沖擊礦壓)、煤與瓦斯突出等災害預防的基 礎參數，測試及評估煤巖體應力是礦壓觀測的主要內容，是解決受采動影響的巷道礦壓控制、 開采程序設計、巷道位置合理選擇與維護、沖擊地壓和煤與瓦斯突出預測和防治、承壓水上煤 體安全開采等重大技術問題的決策依據。
地應力測試是一項非常復雜的工程。目前，工程中檢測應力的傳感器種類繁多，適用范圍 較廣，但真正適合煤礦井下生產條件，在構造作用區或受采動影響區可以實時監測煤巖體應力 及其變化的測試裝置及測試方法卻較少。
在工程實踐中，巖體應力狀態測試方法或裝置主要有孔底應變法、36-2鉆孔變形計(申請 號未公開)、小孔徑水壓致裂地應力測試裝置(申請號03257022)、和深孔大地應力檢測裝 置的伸縮式貼片頭(申請號200420111711.8)和鉆孔應力計等，其應用特點見表l.
表l應力測試裝置應用特點表
專利名稱應用特點
孔底應變法通過測定鉆孔孔底巖體在應力解除前后不同方向的應變變 化量，計算得到原巖應力。但是，測試過程工序繁多、操作復 雜；在有裂縫的巖層及煤體中無法測試；在受采動影響的煤巖 體中無法測試；不能連續測試。
36-2鉆孔變形計通過測定鉆孔橫截面內原巖應力解除前后孔徑變化值來計 算原巖應力。但是，測試過程工序繁多、操作復雜；在有裂縫 的巖層及煤體中無法測試；不能連續測試。
小孔徑水壓致裂用高壓水使巖體致裂，通過測試裂縫產生前后水壓的變化 來測試及計算最小主應力的大小及方向。該方法比較直接，可地應力測試裝置以直接確定方向。但在煤體、受采動影響的巖體或節理發育的 巖體中，難以應用；不能連續測試；
深孔大地應力檢測裝置 的伸縮式貼片頭深孔大地應力檢測裝置是在深孔中用伸縮式片頭結構傳感 器采集地應力值。然而，在礦井惡劣的環境下，安裝時很容易 影響到應變片的應變性能，使測試效果可靠度大大降低，且此 裝置不能測試地應力的初始值，需要傳感器與煤巖體進行良好 耦合。在煤體、受采動影響的巖體或節理發育的巖體中，不能 應用；不能連續測試。
鉆孔應力計利用鋼弦振動頻率與壓力或拉力成正比的原理測量應力 的，主要用來測量煤礦預留煤柱應力的變化，或用來測量基坑 巖體或土基礎，在開挖前后應力的變化情況。但是，不能實現 傳感器初始與煤巖體的完全緊密接觸，初始適應能力差，需要 當煤巖體變形后與傳感器良好接觸，才能測試出應力。
發明內容
技術問題本發明的目的是針對目前原巖地應力測試復雜、要求高，采動應力測試適應 性及及時性差，提供一種能夠快速、實時、適應各種受載煤巖體(原始的煤巖體和破碎的煤巖 體)、操作簡便的地應力測試方法，該方法的主要測試指標為受載煤巖體的應力。該方法利用 膠囊液壓傳感器與煤巖體進行良好耦合，能夠對礦山或隧道圍巖的應力狀態進行實時的測試及 顯示，并可通過軟件查看分析地應力隨采動和頂板活動的變化規律。這種測試方法的優點是安 裝及操作安全、方便、快捷，對生產影響較小，能夠實時監控，費用低。
技術方案膠囊壓力感應器送入被測鉆孔的指定位置，通過增大膠囊的油壓，傳感器可 與煤巖壁緊密接觸。由于膠囊具有膨脹性和收縮性，能夠與煤巖體進行自適應耦合。當地應力 發生變化時，電子數顯液壓傳感器將顯示壓力數據及其變化情況；電子數顯液壓傳感器也可與 現有的煤礦安全監測系統分站連接，將數據實時傳輸到地面監測主機中，進而傳輸到各終端計 算機中。
本發明的煤巖體地應力連續測試裝置包括地應力傳感器、數據采集儀和高壓油泵，其特征 在于地應力傳感器包括前置膠囊壓力感應器、高壓油管、三通、電子數顯液壓傳感器、閥門 和快換接頭;前置膠囊壓力感應器和高壓油管順序串聯連接后通過三通與電子數顯液壓傳感器 相接，該三通的另一端通過閥門與高壓油泵相接，連接處均用快換接頭連接；數據采集儀包括 A/D轉換電路、CPU處理器、數據存儲器、程序存儲器、顯示器、RS232通訊電路、標準信號輸 出電路、操作鍵盤和電源；電子數顯液壓傳感器與A/D轉換電路、CPU處理器串聯連接，數據存 儲器、程序存儲器、顯示器、RS232通訊電路、標準信號輸出電路、操作鍵盤分別接CPU處理器。
使用如權利要求l所述的煤巖體地應力連續測試裝置的測試方法為
a. 在需要測定地應力的地點向煤巖體內部打鉆孔，鉆孔深度應達到測試所需位置；
b. 將地應力傳感器的前置膠囊壓力感應器送入被測鉆孔的指定位置；
c. 將地應力傳感器與數據采集儀連接，并打開數據采集儀的電源；
d. 打開閥門，由高壓油泵向前置膠囊壓力感應器、高壓油管注入液體，當電子數顯液壓
傳感器的顯示壓力趨于穩定時，停止注液，關閉閥門，卸下高壓油泵；
e .液壓傳感器與現有的煤礦安全監測系統分站連接，將數據實時傳輸到地面監測主機中，進而傳輸到各終端計算機中；
f. 按下數據采集儀的開始鍵，開始實時采集數據，同時進行顯示和存儲，其可以反映出 地應力隨采動和頂板活動的變化規律；
g. 通過標準信號輸出接口與已有的KJ煤礦安全監測系統分站連接，將數據實時傳輸到地 面，實現24小時不間斷監測數據采集儀也可通過電話線與地面MODEM和計算機連接并通訊；
h. 測試結束后，首先關閉數據采集儀電源，打開閥門放油，然后從鉆孔中抽出膠囊壓力 感應器；
i. 將數據采集儀帶到地面，與計算機連接，用RS232通訊電路進行通訊，并通過軟件查看 分析地應力隨采動和頂板活動的變化規律。
地應力連續測試裝置由地應力傳感器、數據采集儀和高壓油泵組成。可實現傳感器與煤巖 體主動耦合、連續測試、數據實時采集、數據遠距離顯示、數據自動存儲、通過軟件查看分析 地應力隨采動和頂板活動的變化規律、本質安全防爆等功能。
膠囊壓力感應器的主要技術指標
1) 承受壓力自由狀態下不小于40Mpa，受限情況下不小于60MPa;
2) 尺寸外徑d)39 100土2mm,全長L,110 400土2mm,感應部分L長70~320mm;
3) 膨脹系數不小于60%—80%:
4) 適應孔徑- 42tnm 105mm;
5) 靈敏度0.5%F*S,可適應不同煤層及地質條件；
6) 測試要求選定需要進行監測的區域，確定測點，向測點打鉆孔，鉆孔深度應超過測 試所需位置，孔徑為42mm 105mm，以便于測試裝置與煤(巖)壁緊密接觸；
電子數顯液壓傳感器或壓力傳感器的主要技術指標
1) 防爆型式Exdl腿;
2) 防護等級IP65;
3) 靈敏度0. 5%F*S;
4) 記錄方式數據采集儀連續采集數據，也可實現數據實時輸出、中心計算機自動存儲；
5) 量程0 60MPa
6) 輸出方式測試結果以4 20mA或l 5V信號方式輸出；
7) 電源12VDC,可由監測系統供電；
8) 測試要求加載壓力不能超過量程的120%:
9) 液壓傳感器也可直接與KJ煤礦監測系統分站連接，進行通訊和數據顯示。
高壓油管的主要技術指標-
1) 材料內含多層金屬網的高強阻燃塑料，或不銹鋼管；
2) 承受壓力0 60.0MPa;
3) 長度L3為0 50m，根據現場要求而定；
4) 油管內徑變形小于0.5%。。 數據采集儀的主要技術指標
1) 通道數8通道，可采集l-8路數據；
2) 輸入數據型式4 20mA, 1~5V或200-1000Hz信號，可選；
3) 輸出連接方式可通過RS232接口到計算機連接，也可通過電話線、CAN總線或光纖與KJ煤礦安全監測系統連接。
地應力連續測試方法主要包含以下指標
1) 膠囊壓力感應器與煤巖體耦合方式自適應耦合；
2) 數據接收方式實時采集數據。膠囊壓力感應器放置在鉆孔中不受作業場所中自然環 境、工作機械及工作人員的干擾。
3) 數據處理方式實時處理、實時顯示、實時輸出。
有益效果煤巖體地應力連續測試裝置及方法實現了對原巖或破碎煤巖體地應力進行連 續、實時測試。本發明與現行的煤巖體應力測試技術相比操作更快捷、簡便，壓力感應器與 煤巖體主動耦合性好，大大減少了測試工作量，基本不受人工等外界干擾，原巖體中和破碎的 煤巖體中均可進行連續測試，可反映采動和頂板活動引進的應力變化。也可廣泛應用于礦山、 土木、水利、道路、隧道和地下工程的地應力測試和圍巖穩定性分析等。
圖l是本發明煤巖體地應力連續測試傳感器結構示意圖。其中包括膠囊壓力感應器l、 高壓油路管2、三通3、電子數顯液壓傳感器4、閥門5、快換接頭6和高壓油泵7。
圖2是本發明數據采集儀的示意圖。其中有A/D轉換電路8、 CPU處理器9、數據存儲器IO、 程序存儲器ll、顯示器12、電源16、 RS232通訊電路13、標準信號輸出電路14、高壓油路和鍵 盤15。
圖3是本發明煤巖體地應力連續測試裝置及測試方法觀測儀器布置示意圖。 圖4是本發明煤巖體地應力連續測試方法流程圖。
圖5是本發明在某礦23130掘進巷道780米左邦8米深處測得的煤體應力實測結果。 圖6是本發明在某礦23070回采工作面上順槽前方50米煤體內8米深處測得的煤體應力 及受采動影響變化曲線。
具體實施例方式
本發明主要由地應力傳感器、數據采集儀和高壓油泵三部分組成，下面分別予以說明。 (1) 地應力傳感器
地應力傳感器由前置膠囊壓力感應器1、高壓油管2、三通3、電子數顯液壓傳感器4、 閥門5和快換接頭6組成；膠囊壓力感應器1直徑(t)39 100mm,全長L,110 400mm,感應部 分L2長70 320nun;高壓油路管2長度L為0~50m,根據現場要求而定；電子數顯液壓傳感器 4可與現有的煤礦安全監測系統分站連接，將數據實時傳輸到地面監測主機中，進而傳輸到各 終端計算機中；閥門5為截止閥。
a. 膠囊壓力感應器1采用高壓膨脹膠管，工作溫度為-40'C +100°C，不受濕度影響， 膠囊壓力感應器1直徑(J)39 100國，全長L,110 400mm，感應部分U長70~320mm。
b. 高壓油管2采用內含多層金屬網的高強阻燃塑料管，能夠承受壓力為60MPa，高壓油 路管2長度L3為0 50m，根據現場要求而定。
c. 電子數顯液壓傳感器4可以以4 20mA電流信號或1 5V電壓信號方式實時輸出壓力 信息，靈敏度達到0.5%F*S。電子數顯液壓傳感器4防爆型式ExdlIBT4;防護等級IP65 完全可以滿足礦井安全需要。電子數顯液壓傳感器4可與現有的煤礦安全監測系統分站17連接，將數據實時傳輸到地面監測主機中，進而傳輸到各終端計算機中。
(2) 數據采集儀
數據采集儀主要組成有A/D轉換電路8、 CPU處理器9、數據存儲器IO、程序存儲器ll、 顯示器12、 RS232通訊電路13、標準信號輸出電路14。
a. CPU處理器9本發明的中央處理單元選用MCS-96系列的80C196KB單片機。
b. 數據存儲器10根據設計要求，本系統既能實時把測試的數據通過標準輸出接口傳輸 到地面，也能把測試的數據存儲起來，留待以后傳輸給計算機。所以要求系統中的數據存儲器 的容量也應足夠大。數據存儲器選用容量為512KB的628512芯片。
c. 程序存儲器11考慮到本系統主要是測試數據，并不進行復雜的數據處理，所以程序 存儲器選用16K字節的27C128已能滿足要求。
d. 顯示器12顯示器選用耗電極低的液晶顯示器。為了編程方便和節省程序存儲器空間， 以及顯示內容豐富，選用每行16個字符共2行的液晶顯示器。顯示器和主板的連接通過插座 CH2完成。
e. RS232通訊電路13為了確保信號實時準確輸出，本發明采用了 RS232通訊電路。
f標準信號輸出電路14為了能把測試的數據實時傳輸給監測系統，系統中設計了輸出接 口電路。測試結果信號有兩種輸出方式， 一種以4 20mA電流信號輸出，另一種以1 5V電壓 信號輸出，以便適應不同的監測系統要求。這兩種信號輸出形式可適應目前不同的監測系統， 均可通過電纜與監測系統分站進行聯接，可以把測試的數據實時的傳輸給監測中心計算機，進 而輸出給監測終端計算機。也可通過電話線直接傳輸到地面MODEM和計算機中。
(3) 高壓油泵7采用了SZB-3型號的手動液壓泵。此液壓泵具有體積小、重量輕、便與 攜帶，且在打壓60兆帕的壓力下，最大手搖力《500iV，完全可以滿足現場單人操作。
(4)其它說明
本裝置直接使用監測分站提供的DC12 21V電源。
地應力連續測試裝置包括地應力傳感器(含前置膠囊壓力感應器、髙壓油管、三通、液壓 傳感器、閥門和快換接頭)、數據采集儀(含A/D轉換電路、CPU處理器、數據存儲器、程序存 儲器、顯示器、RS232通訊電路、標準信號輸出電路、操作鍵盤和電源)和高壓泵組成。其中 前置膠囊壓力感應器和高壓油管順序串聯連接后通過三通與電子數顯液壓傳感器相接，該三通 也通過閥門與高壓油泵相接，連接處均采用快換接頭連接；電子數顯液壓傳感器與數據采集儀 的A/D轉換電路、CPU處理器串聯連接，數據存儲器、程序存儲器、顯示器、KS232通訊電路、 標準信號輸出電路、操作鍵盤分別接CPU處理器；液壓傳感器或數據采集儀的標準信號輸出電 路可與現有的煤礦安全監測系統分站連接，數據采儀也可通過電話線直接與地面MODEM和計算 機連接。數據采集儀在地面可通過RS232接口與計算機連接并通訊。
地應力連續測試方法為
在需要測定地應力的地點向煤巖體內部打鉆孔，鉆孔深度應達到測試所需位置；將地應力 傳感器的前置膠囊壓力感應器送入被測鉆孔的指定位置；將地應力傳感器與數據采集儀連接， 并打開數據采集儀的電源；打開閥門，由高壓油泵向前置膠囊壓力感應器、高壓油管注入液體 (水、油或乳化液)，當液壓傳感器的顯示壓力趨于穩定時，停止注液，關閉閥門，卸下高壓 油泵；液壓傳感器可與現有的煤礦安全監測系統分站直接連接，將數據實時傳輸到地面監測主 機中，進而傳輸到各終端計算機中；用數據采集儀采集時，按下數據采集儀的開始鍵，開始實
7時采集數據，同時進行顯示和存儲，其可以反映出地應力隨采動和頂板活動的變化規律；數據 采集儀可與已有的KJ煤礦安全監測系統分站連接，將數據實時傳輸到地面，實現24小時不間斷 監測；數據采集儀也可通過電話線與地面MODEM和計算機連接并通訊，在計算機中查看地應力 數據大小及其變化；測試結束后，首先關閉數據采集儀電源，打開閥門放油，然后從鉆孔中抽 出膠囊壓力感應器；可將數據采集儀帶到地面，與計算機連接，用RS232通訊電路(13)進行 通訊，并通過軟件査看分析地應力隨采動和頂板活動的變化規律。
圖5是本發明在某礦23130掘進巷道780米左邦8米深處測得的煤體應力實測結果。從圖 上可以看出，在傳感器安裝41小時后與煤巖體進行了良好的耦合，測得23130掘進巷道780 米左邦8米深處的應力為15. OlMPa。
圖6是本發明在某礦23070回采工作面上順槽前方50米煤體內8米深處測得的煤體應力 及受采動影響變化曲線。從圖中可以看出，當傳感器初始油液壓力為5MPa時，90小時后傳感 器壓力趨于穩定，約130小時后受采動影響，煤體應力增高，220小時時煤巖體應力達到最大 值24. 14MPa,此處煤體采動應力集中系數為1. 6。
權利要求
1、一種煤巖體地應力連續測試裝置，包括地應力傳感器、數據采集儀和高壓油泵，其特征在于地應力傳感器包括前置膠囊壓力感應器(1)、高壓油管(2)、三通(3)、電子數顯液壓傳感器(4)、閥門(5)和快換接頭(6)；前置膠囊壓力感應器(1)和高壓油管(2)順序串聯連接后通過三通(3)與電子數顯液壓傳感器(4)相接，該三通(3)的另一端通過閥門(5)與高壓油泵(7)相接，連接處均用快換接頭(6)連接；數據采集儀包括A/D轉換電路(8)、CPU處理器(9)、數據存儲器(10)、程序存儲器(11)、顯示器(12)、RS232通訊電路(13)、標準信號輸出電路(14)、操作鍵盤(15)和電源(16)；電子數顯液壓傳感器(4)與A/D轉換電路(8)、CPU處理器(9)串聯連接，數據存儲器(10)、程序存儲器(11)、顯示器(12)、RS232通訊電路(13)、標準信號輸出電路(14)、操作鍵盤(15)分別接CPU處理器(9)。
2、 一種使用如權利要求l所述的煤巖體地應力連續測試裝置的測試方法，其特征在于該 方法為a. 在需要測定地應力的地點向煤巖體內部打鉆孔，鉆孔深度應達到測試所需位置；b. 將地應力傳感器的前置膠囊壓力感應器(1)送入被測鉆孔的指定位置； C.將地應力傳感器與數據釆集儀連接，并打開數據采集儀的電源；d.打開閥門(5)，由高壓油泵(7)向前置膠囊壓力感應器(1)、高壓油管(2)注入 液體，當電子數顯液壓傳感器(4)的顯示壓力趨于穩定時，停止注液，關閉閥門(5)，卸 下高壓油泵(7);e .液壓傳感器(4)與現有的煤礦安全監測系.統分站連接，將數據實時傳輸到地面監測 主機中，進而傳輸到各終端計算機中；f. 按下數據采集儀的開始鍵，開始實時采集數據，同時進行顯示和存儲，其可以反映 出地應力隨采動和頂板活動的變化規律；g. 通過標準信號輸出接口 (14)與已有的KJ煤礦安全監測系統分站連接，將數據實時傳 輸到地面，實現24小時不間斷監測；數據采集儀也可通過電話線與地面MODEM和計算機連接 并通訊；h. 測試結束后，首先關閉數據采集儀電源，打開閥門(5)放油，然后從鉆孔中抽出膠 囊壓力感應器；i. 將數據采集儀帶到地面，與計算機連接，用RS232通訊電路(13)進行通訊，并通過軟 件查看分析地應力隨采動和頂板活動的變化規律。
全文摘要
煤巖體地應力連續測試裝置及方法主要用于測試原巖或破碎煤巖體的應力及其變化規律，該裝置由地應力傳感器、數據采集儀和高壓油泵組成，本煤巖體地應力連續測試裝置可單獨工作，也可與數據采集儀連接工作。地應力傳感器由前置膠囊壓力感應器(1)、高壓油管(2)、三通(3)、電子數顯液壓傳感器(4)、閥門(5)和快換接頭(6)組成。在鉆孔中布置膠囊壓力感應器，通過注入油液使壓力感應器與煤巖體良好耦合；測試地應力結果在壓力表上直接顯示；傳感器可與煤礦安全監測系統直接連接，也可由數據采集儀采集數據并進行遠距離傳輸，也可通過電話線與地面MODEM和計算機通訊；在地面計算機軟件中查看地應力數據大小及其變化規律。
文檔編號G01L1/02GK101514926SQ200910029898
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月20日 優先權日2009年3月20日
發明者徐文全, 王恩元, 顏丙沂 申請人:中國礦業大學;徐州福安科技有限公司