[实用新型]煤岩体应力定向监测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及煤岩体应力监测技术领域，尤其是一种适用于矿山的煤岩体应力定向监测装置，也可用于土木、水利、道路、隧道和地下工程的地应力测试和围岩稳定性分析。

背景技术

存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称初始应力或地应力。它主要包括由上覆岩层自重引起的自重应力和由地质构造作用引起的构造应力。自重应力σ_ν=γZ，γ为上覆煤岩层比重，Z为垂直深度。构造应力可分为现代构造应力和地质构造残余应力。地应力大小是煤矿开采、支护设计、冲击地压以及煤与瓦斯突出等灾害预防的基础参数，测试及评估煤岩体应力是矿压观测的主要内容，也是引起采矿工程围岩、水利水电、铁道、公路以及岩土开挖工程变形甚至破坏的根本作用力。对地应力的准确测量是地面和地下岩土工程稳定性分析，实现岩土工程相关设计和科学决策的必要前提。

采动应力是指由采动引起的，作用于煤岩体和支护物上的力。在煤炭等资源井下开采过程中，开采活动破坏了煤岩原始应力平衡状态，引起采动空间周围的应力重新分布，形成“三带”分布；在采场和回采巷道周围，由于围岩应力的作用促使围岩发生变形、移动和破坏，可能出现顶板冒落与来压、顶底板移近、支架受载下缩、折损等矿压现象，也可能出现煤与瓦斯突出、突水、冲击地压等动力现象。因此，采动应力监测是解决受采动影响的巷道矿压控制、开采程序设计、巷道维护、冲击地压和煤与瓦斯突出预测和防治等重大技术问题的决策依据。

煤岩体内部受力状态是整体平衡，互相耦合的，但是不同方向上的应力大小各不相同，存在最大主应力、中主应力以及最小应力的差别。过去的应力测量主要侧重于单向应力或者平均应力，没能对煤岩体内部某一特定方向的应力进行测量，也未实现对煤岩体内部双向或三个方向上的应力进行监测，这对于揭示煤岩体内部应力分布规律是远远不够的。相比而言，双向或三向的应力监测更贴近于工程实际，对煤岩体内部应力进行定向、多向监测对于揭示应力分布规律、确定动力灾害发生危险性以及煤岩动力灾害防治具有重要的实际意义和参考价值。

地应力和采动应力的测试是非常复杂的工程。目前，工程中用于监测煤岩体应力的设备仪器种类繁多，但真正适合煤矿井下生产条件，能够在构造作用区或受采动影响区可以实时监测煤岩体应力及其变化的测试装置及方法却较少。当前工程实践中的煤岩体应力状态测试方法或装置有多种，如1）36-2钻孔变形计，它通过测定钻孔横截面内原岩应力解除前后孔径变化值来计算原岩应力。但是，测试过程工序繁多、操作复杂；在有裂缝的岩层及煤体中无法测试；不能定向测试；不能多向测试。2）深孔大地应力检测装置的伸缩式贴片头，通过在深孔中用伸缩式片头结构传感器采集地应力值。然而，在矿井恶劣的环境下，安装时很容易影响到应变片的应变性能，使测试效果可靠度大大降低．且此装置不能测试地应力的初始值，需要传感器与煤岩体进行良好耦合。在煤体、受采动影响的岩体或节理发育的岩体中，不能应用；不能定向测试；不能多向测试。3）钻孔应力计，利用钢弦振动频率与压力或拉力成正比的原理测量应力，主要用来测量煤矿预留煤柱应力的变化，或用来测量基坑岩体或土基础，在开挖前后应力的变化情况。但是，不能实现传感器初始与煤岩体的完全紧密接触，初始适应能力差，需要当煤岩体变形后与传感器良好接触，才能测试出应力。4）胶囊式应力计，通过将应力计安装在钻孔中，注入油液使胶囊膨胀并与煤岩体耦合接触测量煤岩体内部应力。可直接读数，但应力计体积较大，且不能定向监测。5）油压枕，它可以用来检测巷道围岩、拱形梁、支架的压力。由两块同样形状的薄钢板焊接而成的扁平盒子，它有一个压力平衡室，当油压枕承受外界压力时，用油泵向进油管泵油，当内部金属薄膜处于平衡状态时，压力表的读数即为外力值。油压枕安装较简单，可直接读出压力值。但其设备安装不方便；只能用于浅部应力监测；不能进行轴向应力测试；不能多向测试。因此，设计一种安装简便，适应性强，能够定向、多向监测煤岩体应力的装置是非常必要的。

实用新型内容

技术问题：本实用新型的目的是针对目前煤岩体原岩应力测试复杂、要求高、难操作，采动应力监测适应性和及时性差等问题，提供一种能够定向、多向、适应各种受载煤岩体(原始的煤岩体和破碎的煤岩体)、操作简便的煤岩体应力定向监测装置。