圍巖應力場分布測試裝置及方法
【專利摘要】一種圍巖應力場分布測試裝置及方法，適用于煤礦井下對工作面巷道圍巖/煤巖應力變化監測使用。包括圍巖應力場分布測試裝置，測試時在圍巖體布置鉆孔陣列，把測量光纖安裝在鉆孔中，將測量光纖串聯接入礦用光纜，與光纖解調儀相連接，實現光信號從井下至井上的傳輸；光纖解調儀將光信號解調為數字信號并傳輸至計算機進行實時監控及分析處理，根據布里淵頻移與應變的關系、應變與應力的關系提供了圍巖應力場分布的測量方法。本設計采用單端測試，無需形成測試回路，降低了監測成本和監測難度，解決了目前圍巖應力監測過程中監測點多、監測范圍有限、信號傳輸線敷設及系統復雜的問題，有助于促進沖擊地壓等煤巖動力災害的監測和預警技術的進步。
【專利說明】圍巖應力場分布測試裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測試裝置及方法，尤其適用于一種煤礦井下對工作面巷道圍巖/煤巖應力變化監測使用的圍巖應力場分布測試裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國煤礦開采深度的增加和開采強度的增大，由采掘空間礦壓顯現及其引起的煤巖動力災害，如沖擊地壓、頂板垮落、冒頂、巷道變形等情況越來越嚴重，其發生頻率和發生強度均明顯增加，嚴重威脅我國煤炭資源的安全和高效開采，造成了巨大的損失，嚴重影響從業人員的生命安全和礦井生產。受采動作用和地質構造的綜合影響，圍巖應力集中是導致煤巖動力災害發生的直接因素，因此圍巖應力的監測越來越受到重視，特別是不同區域、不同時間段圍巖應力場分布、變化規律，及其與煤巖動力災害演化的關系，關系到能否提前、準確地預測煤巖動力災害。一種新的圍巖應力場分布監測方法的提出，對揭示采掘空間圍巖應力場時空分布特征與煤巖動力災害演化過程的關系，有效地預防和降低沖擊地壓等煤巖動力災害的發生具有促進作用。
[0003]目前，鉆孔應力測試技術是我國目前工程現場測量圍巖應力的主要技術，常見的裝置主要包括振弦式和液壓式應力計兩種:振弦式應力計，由鋼制空心圓筒，一高度拉緊的鋼弦，鋼弦兩端固定在圓筒筒壁上，內嵌一電磁線圈，測量時，將傳感器安裝到需要測量應力的煤巖體鉆孔中，并給其施加一預應力，在測量過程中，利用鋼弦振動頻率與壓力或拉力成正比的原理，當鉆孔周圍煤巖體中應力發生變化時，引起傳感器內部張力的變化，從而帶動鋼弦頻率的變化，鋼弦自然振動頻率/和外部拉力σ之間存在一定的關系；液壓應力計或液壓枕，以格魯茲(Glotzi)壓力盒為基礎進行改進，可以在煤巖體深部進行測量。該應力計由兩半焊接而成，中心有一淺槽，槽內裝有油水匯合液體，槽端部有一薄膜。測量時，鉆孔周圍應力發生變化時，引起槽內液體壓力變化，在將液體壓力轉換成電信號或者頻率信號進行監測和記錄。
[0004]雖然目前國內外在礦山圍巖應力監測領域取得了很大的發展，但現有的圍巖應力監測普遍具有以下缺點:1、目前的圍巖應力監測為點式監測或者多點組合監測；2、受現場條件的限制，監測點密度低，無法形成網格式的全覆蓋監測；3、鉆孔應力計的埋設位置、初始壓力值的設置、與沒掩體剛度的耦合效果等均會影響到圍巖應力的測試精度、分布及變化規律的分析。
【發明內容】
[0005]技術問題:為了克服現有技術中的不足，本發明提供一種受現場影響小，監測點密度高，可以形成網格式檢測，精度高的圍巖應力場分布測試裝置及方法。
[0006]技術內容:為實現上述技術目的，本發明的圍巖應力場分布測試裝置，它包括柱塞和內置有膠結劑的腔體，腔體的腔壁上設有出膠口，柱塞的底部設有插入腔體的活動塞，腔體的上方與柱塞之間連接有保險鐵絲，腔體底部設有前端尾端光纖固定圓盤，前端尾端光纖固定圓盤上設有U型固定凹槽，固定凹槽內穿入有測量光纖，測量光纖的兩個端頭均設有光纖連接頭，測量光纖尾端設有尾端光纖固定圓盤，所述測量光纖的兩個端頭分別從尾端光纖固定圓盤上的兩個光纖緊固閥孔中穿出，并通過光纖緊固閥拉緊固定，尾端光纖固定圓盤上設有注漿孔，注漿孔上設有注漿孔封孔片。
[0007]一種圍巖應力場分布測試方法，其步驟如下:
a.使用鉆孔機在工作面巷道圍巖壁中垂直巷道壁方向鉆孔，所述鉆孔為水平孔；鉆孔頂端為導向用的喇叭形，鉆孔喇叭形頂端上開有用于光纖錨固的小孔；
b.先將測量光纖固定于前端尾端光纖固定圓盤中，再將測試裝置推入鉆孔頂端的小孔內，使測試裝置頂端的柱塞在壓力的作用下扯斷從其內穿入的保險鐵絲，并推動活動塞壓入腔體內，腔體中的膠結劑受到擠壓通過出膠口排入測試裝置與鉆孔壁之間的縫隙中，等待膠結劑固化后，將鉆孔內的兩根測量光纖穿過尾端光纖固定圓盤上光纖緊固閥孔，并通過光纖緊固閥施加同樣大小的預拉力，使測量光纖伸直，同時使用膨脹螺栓穿過尾端光纖固定圓盤上的光纖緊固閥孔，將尾端光纖固定圓盤與鉆孔外的煤巖壁錨固在一起，之后通過尾端光纖固定圓盤上的注漿孔向鉆孔內注漿，待漿體充滿整個鉆孔后撥動注漿孔封孔片封住注漿孔并等待漿液凝固；
c.在待測試區域內重復上述步 驟形成鉆孔陣列，鉆孔陣列水平相鄰鉆孔間隔為8~20m，并將各鉆孔中的測量光纖尾端的光纖連接頭串聯后接入礦用光纜，再將礦用光纜接入BOTDR光纖信號解調儀；
d.BOTDR光纖信號解調儀開啟工作，先通過礦用光纜向串聯起來的測量光纖發送光信號，之后接受從測量光纖返回的光信號，并對返回的光信號進行解調，得到測量光纖上返回的光纖布里淵頻移值，通過BOTDR光纖信號解調儀測量的布里淵頻移值并計算機處理得到測量光纖上的應變大小，且應變數值與光纖形變幅度成正比；所述解調儀工作過程為，當距離入射端某點處的光纖發生應變和溫度變化時，返回到BOTDR光纖信號解調儀中的該點的布里淵頻移變化計算公式為:
【權利要求】
1.一種圍巖應力場分布檢測裝置，其特征在于:它包括柱塞(7)和內置有膠結劑的腔體(9 )，腔體(9 )的腔壁上設有出膠口( 2 )，柱塞(7 )的底部設有插入腔體(9 )的活動塞(8 )，腔體(9)的上方與柱塞(7)之間連接有保險鐵絲(1)，腔體(9)底部設有前端尾端光纖固定圓盤(3)，前端尾端光纖固定圓盤(3)上設有U型固定凹槽，固定凹槽內穿入有測量光纖(4)，測量光纖(4)的兩個端頭均設有光纖連接頭(6)，測量光纖(4)尾端設有尾端光纖固定圓盤(5)，所述測量光纖(4)的兩個端頭分別從尾端光纖固定圓盤(5)上的兩個光纖緊固閥孔(11)中穿出，并通過光纖緊固閥(10)拉緊固定，尾端光纖固定圓盤(5)上設有注漿孔(12)，注漿孔(12)上設有注漿孔封孔片(13)。
2.一種使用權利要求1所述裝置的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于步驟如下: a.使用鉆孔機在工作面巷道圍巖壁中垂直巷道壁方向鉆孔，所述鉆孔為水平孔；鉆孔頂端為導向用的喇叭形，鉆孔喇叭形頂端上開有用于光纖錨固的小孔； b.先將測量光纖(4)固定于前端尾端光纖固定圓盤(3)中，再將測試裝置推入鉆孔頂端的小孔內，使測試裝置頂端的柱塞(7)在壓力的作用下扯斷從其內穿入的保險鐵絲(1)，并推動活動塞(8)壓入腔體(9)內，腔體(9)中的膠結劑受到擠壓通過出膠口(2)排入測試裝置與鉆孔壁之間的縫隙中，等待膠結劑固化后，將鉆孔內的兩根測量光纖(4)穿過尾端光纖固定圓盤(5)上光纖緊固閥孔，并通過光纖緊固閥(10)施加同樣大小的預拉力，使測量光纖(4)伸直，同時使用膨脹螺栓穿過尾端光纖固定圓盤(5)上的光纖緊固閥孔(11)，將尾端光纖固定圓盤(5)與鉆孔外的煤巖壁錨固在一起，之后通過尾端光纖固定圓盤(5)上的注漿孔(12)向鉆孔內注漿，待漿體充滿整個鉆孔后撥動注漿孔封孔片(13)封住注漿孔(12)并等待漿液凝 固； c.在待測試區域內重復上述步驟形成鉆孔陣列，鉆孔陣列水平相鄰鉆孔間隔為8~20m，并將各鉆孔中的測量光纖(4)尾端的光纖連接頭(6)串聯后接入礦用光纜，再將礦用光纜接入BOTDR光纖信號解調儀； d.BOTDR光纖信號解調儀開啟工作，先通過礦用光纜向串聯起來的測量光纖(4)發送光信號，之后接受從測量光纖(4)返回的光信號，并對返回的光信號進行解調，得到測量光纖(4)上返回的光纖布里淵頻移值，通過BOTDR光纖信號解調儀測量的布里淵頻移值并計算機處理得到測量光纖(4)上的應變大小，且應變數值與光纖形變幅度成正比；所述解調儀工作過程為，當距離入射端某點處的光纖發生應變和溫度變化時，返回到BOTDR光纖信號解調儀中的該點的布里淵頻移變化計算公式為:
3.據權利要求2所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于:所述步驟f中為避免單根測量光纖(4)受力不均，將鉆孔內構成串聯回路的兩根光纖所測的應力值A進行平均，得到修正后的圍巖應力:
4.根據權利要求2所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于:所述鉆孔直徑大于等于90mm，鉆孔深度為8~15m，最大深度為20m，鉆孔上傾5~8°，便于水和巖/煤粉順利排出。
5.根據權利要求2所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于:所述鉆孔頂端喇叭形深度約7~8cm,所述用于光纖錨固的小孔的孔徑為40mm、孔深為35~40cm。
6.根據權利要求2所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于:在工作面需要回采時，在其回采前，在兩巷超前8(T200m范圍內，提前鉆孔施工并布置測量光纖(4)，形成測試回路；隨著工作面的推進，可提前將處于割煤區域的鉆孔外的測量光纖(4)的光纖連接頭(6)斷開，并在工作面后方位置新增加鉆孔，在新增加鉆孔中布置測量光纖(4)并串聯，接入礦用光纜，連接到光纖信號解調儀和計算機上。
【文檔編號】G01L1/24GK103994846SQ201410248162
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】劉曉斐, 王恩元, 孟浩天, 樸春德, 王笑然 申請人:中國礦業大學