一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置及监测方法

技术领域

本发明具体涉及采矿工程技术领域，尤其是一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置及监测方法。

背景技术

随着煤层开采深度逐年增加，煤矿冲击地压事故的防治已经成为矿井灾害防治的重点。根据现有的研究冲击地压载荷和煤体应力变化有着密切的联系，钻孔应力监测预警也是冲击地压灾害防治的有效手段之一，但是现有的钻孔应力监测预警设备在冲击危险发生前经常出现预警失效的问题。应力监测是煤岩体应力评估、冲击地压监测预警及防治措施效果检测评价的重要手段，如何快速、准确、有效地监测煤岩体应力，成为防治冲击地压危险，保证矿井安全生产的关键。

目前常见的采动应力监测方法是充液膨胀枕式应力计，该类型应力计受油囊结构限制，只能监测垂向应力，对现场安装要求较高，且在无法确定主应力方向时安装具有一定盲目性。钻孔应力计一般安装在Φ42mm的钻孔内，每个钻孔一台应力计，仅能测得应力计液压枕一点处的应力；油压枕式应力计需要专用安装钻杆进行安装，在孔深度超过10m时安装角度不易控制，导致监测精度降低甚至安装失效，另外油压枕式应力计还存在带压拉出情况，给现场应力监测带来错误信息；现有的应力计多采用刚性材料，所以与钻孔围岩刚度耦合性差，尤其是在易塌孔的钻孔中安装时不易达到安装要求，进而造成监测效果较差。

为增加钻孔应力监测的现场实用性和适用性，提高冲击地压监测预警准确性，需要保证煤炭开采工作面前方两巷道煤体采动应力场全空间应力曲线及全回采周期连续动态监测的可回收复用钻孔应力监测装置。

发明内容

为了实现钻孔全长应力监测，方便钻孔应力监测装置的安装方便，保证钻孔与应力计的耦合，提升钻孔应力监测的精度及其实用性，本发明提供了一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置及监测方法，具体的技术方案如下。

一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置，包括多个监测单元，所述监测单元包括高压囊体、应力传感器、高压应力监测仪、单向逆止阀、卸压液压阀、数据采集仪和加压泵，所述单向逆止阀设置在监测单元之间并连接高压囊体，高压囊体内填充有应力传递介质；所述高压囊体内设置有高压应力监测仪，高压应力监测仪将监测参数传输至数据采集仪；所述卸压液压阀设置在高压囊体的连接端；所述加压泵控制高压囊体内的压力，数据采集仪设置在钻孔外。

优选的是，多个监测单元的高压囊体伸入钻孔内，高压囊体内充入应力传递介质并与钻孔内壁耦合，高压囊体沿钻孔径向和轴向布置。

优选的是，应力传递介质为液体或气体，所述高压囊体的长度为1-2m，直径30-40mm，高压囊体的膨胀尺寸为原尺寸的1-1.5倍；所述高压应力监测仪的检测范围小于等于高压囊体的额定工作压力。

优选的是，单向逆止阀控制应力传递介质由钻孔的孔口向孔底单向流动，所述卸压液压阀的开启压力小于高压囊体的额定工作压力。

还优选的是，高压囊体与钻孔内壁贴合实现了立体空间接触监测，高压囊体沿顶板钻孔、底板钻孔、巷帮钻孔或倾斜钻孔布置。

还优选的是，高压应力监测仪与数据采集仪之间通过无线信息传输；所述煤体可回收钻孔全长应力监测装置在平行钻孔内安装，钻孔长度相等。

一种煤体可回收钻孔全长应力监测方法，利用上述的一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置，包括：在巷道内布置煤体可回收钻孔全长应力监测装置，其中监测单元连接后，多个高压囊体依次伸入钻孔中，利用加压泵向高压囊体内注入应力传递介质，应力值达到初装值后数据采集仪接收监测信息，根据监测信息分析确定应力峰值曲线；随工作面推采依次回收煤体可回收钻孔全长应力监测装置，高压囊体卸压后依次取出各个高压囊体。

进一步优选的是，高压囊体沿任意方向布置；可回收钻孔全长应力监测装置分组布置在巷道内，每组设置2个；钻孔的设计孔深为16m。

进一步优选的是，分组内的应力监测装置之间的间距大于等于1m，各组可回收钻孔全长应力监测装置的监测范围大于150m，同组内的应力监测装置初装值分别为5MPa和10-15MPa。

进一步优选的是，数据采集仪在一个监测周期后根据应力变化确定应力峰值曲线，根据应力峰值曲线调整监测深度和初装值。

本发明提供的一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置及监测方法有益效果包括：

(1)该装置采用高压囊体与钻孔内壁的煤体有效耦合，从而可以真实的反应围岩应力状态和应力增量；实现了钻孔全长空间范围内的应力状态监测，并且仅需要设置一个钻孔即可实现全长应力监测，降低了施工成本。

(2)高压囊体在破碎煤层、塌孔等条件下不会发生带压拖动以及滑脱的问题，高压囊体的外层具有涨缩功能，能够随监测煤岩体变形而改变形状，有效的解决了现有应力计在软煤情况下因为微变形而无法有效监测的问题；监测装置的回收不仅节约了成本，还避免了采煤机割煤的安全隐患。

(3)该监测方法通过初步设计方案应用后经过现场监测得出实际应力曲线后针对性设计所需监测深度、重点监测范围及预警指标值的确定等工作，从而完成煤矿冲击地压围岩应力的实时精确监测，灾害事故的超前预警防范的目标。

附图说明

图1是煤体可回收钻孔全长应力监测装置结构示意图；

图2是煤体可回收钻孔全长应力监测布置平面图；

图3是煤体可回收钻孔全长应力监测布置侧视图；

图中：1-高压囊体，2-应力传感器，3-高压应力监测仪，4-单向逆止阀，5-卸压液压阀，6-数据采集仪，7-加压泵。

具体实施方式

结合图1至图3所示，对本发明提供的一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置及监测方法的具体实施方式如下。

为了解决现有钻孔应力计安装精度低、钻孔应力传感器与围岩强度耦合性差、无法测得沿钻孔全长深度范围的应力情况等问题，提供一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置，该监测装置包括多个监测单元，监测单元包括高压囊体1、应力传感器2、高压应力监测仪3、单向逆止阀4、卸压液压阀5、数据采集仪6和加压泵7；其中监测单元之间的间距可以缩小，使用中可以忽略不计；单向逆止阀4和卸压液压阀5相互配合，方便了安装和监测，高压应力监测仪和数据采集仪相互配合保证了监测的精度。单向逆止阀4设置在监测单元之间并连接高压囊体，单向逆止阀具体为内螺纹碳钢油压高压单向逆止阀，具有连接作用以及控制应力传递介质单向流动的作用。高压囊体1内填充有应力传递介质，应力传递介质为液体或气体。高压囊体1内设置有高压应力监测仪，高压应力监测仪3监测高压囊体长度范围内的应力变化，高压应力监测仪3将监测参数传输至数据采集仪。卸压液压阀5设置在高压囊体的连接端，从而可以主动卸荷，囊体收缩后脱落孔壁，可以实现回收利用。加压泵7控制高压囊体内的压力，利用加压泵向高压囊体内泵送应力传递介质，数据采集仪设置在钻孔外，接收并处理监测数据。

多个监测单元的高压囊体伸入钻孔内，高压囊体1内充入应力传递介质并与钻孔内壁耦合，高压囊体1沿钻孔径向和轴向布置。高压囊体1的外壳体具有涨缩能力，随监测煤岩体变形而改变形状，从而解决了应力计在软煤情况下微变形而无法有效监测的问题，另外在使用中也不会产生脱壳现象。该装置沿任意方向安装均能监测围岩实时应力；在围岩刚度匹配方面，高压液囊1应力壳体表层由刚度较小的材料构成，可以是涤纶丝、聚氨酯或帆布等多层结构的材料组成，使其具备一定的刚度方便伸入钻孔；高压囊体1之间还可以设置刚性的连接环，套设在单向逆止阀4的外侧，具有保护单向逆止阀和保证高压囊体1之间连接的作用。另外，高压囊体1还具有较好的膨胀性保证了高压囊体与钻孔围岩较好的耦合，提高测量精度。

应力传递介质为液体或气体，高压囊体1的长度为1-2m，直径30-40mm，高压囊体的膨胀尺寸为原尺寸的1-1.5倍。高压应力监测仪3的检测范围小于等于高压囊体的额定工作压力，其额定工作压力为40MPa，可以满足大部分的测量需求。单向逆止阀4控制应力传递介质由钻孔的孔口向孔底单向流动，卸压液压阀5的开启压力小于高压囊体的额定工作压力40MPa，卸压液压阀5可以实现高压囊体1的主动卸荷。目前钻孔应力计通常均是一次性使用，矿井整体费用甚至在50万以上，同时给煤机切割带来安全隐患，可回收的应力监测装置有效的解决了这一问题。

高压囊体1与钻孔内壁贴合实现了立体空间的接触监测，其外表面与钻孔内壁之间的接触面根据钻孔内壁形状的变化而变化，这与之前单一的点、直线、平面接触测量的方式相比监测范围更广，适用性更强。高压囊体1沿顶板钻孔、底板钻孔、巷帮钻孔或倾斜钻孔布置，其布置方式更加灵活，方便了监测装置的安装和使用。

高压应力监测仪3与数据采集仪6之间通过无线信息传输，各个高压囊体1内的高压应力监测仪分别编号，实现了钻孔内的全长测量，根据高压应力监测仪的监测数据结果，可以实现全应力空间时间钻孔应力的监测。高压应力监测仪的3使用寿命不小于1.5年，尺寸应适合安装在高压囊体内，数据传输距离应该大于高压囊体的长度。煤体可回收钻孔全长应力监测装置在平行钻孔内安装，钻孔长度相等，避免了现有应力监测装置同一位置需要设置深浅不一的钻孔进行监测，施工复杂的问题。

一种煤体可回收钻孔全长应力监测方法，利用上述的一种煤体可回收钻孔全长应力监测装置，包括：在巷道内布置煤体可回收钻孔全长应力监测装置，其中监测单元连接后，多个高压囊体依次伸入钻孔中，利用加压泵向高压囊体内注入应力传递介质，应力值达到初装值后数据采集仪接收监测信息，根据监测信息分析确定应力峰值曲线。其中钻孔全长应力监测装置在同一钻孔内通过对多个高压囊体内的压力进行监测，实现了钻孔的全长监测，避免了现有应力监测装置在钻孔长度范围内单点应力升高导致的误报问题。随工作面推采依次回收煤体可回收钻孔全长应力监测装置，高压囊体卸压后依次取出各个高压囊体。

其中高压囊体可以沿任意方向布置；可回收钻孔全长应力监测装置分组布置在巷道内，每组设置2个；钻孔的设计孔深为16m。分组内的之间的间距大于等于1m，各组可回收钻孔全长应力监测装置的监测范围大于150m，同组应力监测装置内的应力监测装置初装值分别为5MPa和10-15MPa，煤体实际应力值一般也在10-15MPa的范围内。数据采集仪在一个监测周期后根据应力变化确定应力峰值曲线，该应力峰值曲线更加贴合实际，另外根据应力峰值曲线还可以调整监测深度和初装值。

以某矿回采工作面的布置为例，根据煤体应力监测方案初步设计，对工作面两巷超前或掘进迎头后方巷道煤体进行应力监测，应力传感器布置在巷道帮部，每组安设2个应力监测装置，均按照设计孔深16m进行布置，每组两个应力监测装置分别按照初装值5MPa和煤体实际应力值(一般为10-15MPa)进行打压设置，两组应力监测装置之间的间距不大于30m，两个应力计的间距不小于1m，监测范围不小于150m。钻孔顺煤层坡度布置，孔口距底板1.2m-1.5m。通过一个监测周期，工作面推采过一次初次来压或周期来压或5组应力计撤除之后，根据实际反映的应力变化规律总结应力变化情况，分按初装值形成的应力峰值曲线和煤体实际应力形成的应力峰值曲线进行汇总分析，进而调整最优的监测深度和安装初装值，实现工作面应力的精准最优监测。

该装置采用高压囊体与钻孔内壁的煤体有效耦合，从而可以真实的反应围岩应力状态和应力增量；实现了钻孔全长空间范围内的应力状态监测，并且仅需要设置一个钻孔即可实现全长应力监测，降低了施工成本。其中高压囊体在破碎煤层、塌孔等条件下不会发生带压拖动以及滑脱的问题，高压囊体的外层具有涨缩功能，能够随监测煤岩体变形而改变形状，有效的解决了现有应力计在软煤情况下因为微变形而无法有效监测的问题；监测装置的回收不仅节约了成本，还避免了采煤机割煤的安全隐患。

该监测方法通过初步设计方案应用后经过现场监测得出实际应力曲线后针对性设计所需监测深度、重点监测范围及预警指标值的确定等工作，从而完成煤矿冲击地压围岩应力的实时精确监测，灾害事故的超前预警防范的目标。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。