矿用采动应力监测传感器的比较和应用

矿用采动应力监测传感器的比较和应用
赵明
【摘要】应力和应变测量已广泛应用于地应力测量中，其采动应力监测则是一种典型的相对地应力测量。

重点分析了两种典型的采动应力监测仪器，即钻孔应力计和空心包体式钻孔三向应变计的技术特点，以及在采动应力监测中的优缺点。

%Sress and strain measurement are widely used in situ stress measurement, and mining stress monitoring is a typical relative stress measurement. Analyzes the technique features, advantanges and disadvantages between borehole stress meter and hollow inclusion triaxial strain cell in minging stress monitoring.
【期刊名称】《煤矿机电》
【年(卷),期】2012(000)006
【总页数】4页(P98-101)
【关键词】采动应力;钻孔应力计;空心包体式钻孔三向应变计;应用
【作者】赵明
【作者单位】天地科技股份有限公司,北京100013
【正文语种】中文
【中图分类】TD325.5
0 引言
煤矿巷道掘进和工作面回采过程中，破坏了原岩体的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，形成新的应力平衡状态，采动时作用在围岩中和支护物上的力称为采动应力。

采动后，原岩体应力场各点的应力状态都将发生变化，包括大小、方向、垂直应力与水平应力的比值等。

采动应力场是一个动态的、变化的场，如能准确了解采动应力场在煤岩体开采过程中的演化规律，对评价和预测矿山压力现象、矿山动力现象都具有十分重要的意义［1］。

钻孔应力和钻孔应变观测是矿山最常用采动应力监测方法，钻孔应力计是一种应用广泛的钻孔应力监测仪器，用于煤矿围岩体内部的应力监测;空心包体式钻孔三向
应变计则是一种典型的应变测量仪器，也是国际岩石力学学会(ISRM)推荐使用测
量围岩体应力的监测仪器。

1 钻孔应力计
充液膨胀枕式钻孔应力计是煤矿广泛应用的钻孔应力测量仪器，自1987年起，用于检测煤柱的稳定性、顶底板应力变化、工作面超前压力、在煤与瓦斯突出的防治技术措施中对煤层应力状态的探测，以及对冲击地压的预测预报，并取得较好的应用效果［2～4］，其结构外形如图1 所示。

图1 充液膨胀枕式钻孔应力计
钻孔应力计主要的技术参数为:量程为0～20 MPa;钻孔应力枕组件厚度为38 mm;最大径向尺寸≤42 mm;有效工作长度为220 mm，适应钻孔直径为45～50 mm。

根据监测传感器的不同结构，可分为压力表直读式，钢弦式，应变式三种，其中后两种需要二次仪表，而测试数据比第一种准确。

1.1 充液膨胀枕式钻孔应力计理论基础
钻孔应力-应变的基本表达式中，当监测仪器的等效弹性模量E1明显大于周围介
质的弹性模量E2时，监测仪器是应力特性，当监测仪器的等效弹性模量E1明显
小于周围介质的弹性模量E2时，监测仪器是应变特性［5］。

文献［2］介绍的充
液膨胀枕式钻孔应力计在在垂直于枕平面方向的刚性是很小的，几乎与枕内的液体相近。

钻孔应力计弹性模量和油的弹性模量几乎一样，油的体积弹性模量为1200～2000 MPa，实际弹性模量为700～1400 MPa，工程应用弹性模量一般是700 MPa。

煤的弹性模量一般为1000～2000 MPa，而岩石则更高，此时，钻孔应力计没有表现出良好的应力特性，反而随着岩体弹性模量的增加，表现出良好的应变特性。

由于被测煤岩体应力变化是通过钻孔的微小变形体现出来的，故压力枕与钻孔壁间接触必须是紧密的，不允许有任何间隙存在，以确保钻孔壁变形传递连续性。

而文献［3］进行钻孔应力计精度实验的三个方案中(图2)，方案Ⅲ的实验条件是采用YAW-300型电子液压压力机(最大载荷300 kN)，在压力机2个托盘和钻孔应力计中间加入了钢板。

钻孔应力计的初始压力为4.5 MPa，实验终止钻孔应力计压力为20 MPa。

在方案Ⅲ中，钻孔应力计在内部压力为20 MPa时，变形量已接近4 mm，钻孔应力计具有良好的柔度，较难匹配围岩体较小的变形。

图2 试验力与系统位移的关系
1.2 充液膨胀枕式钻孔应力计数据分析
由于压力枕属于柔性测量器，故受被测介质弹性模量影响较为显著，测量灵敏度随介质弹性模量的增加将相应地下降。

灵敏度与煤岩体的弹性模量具有一定关系，考虑该影响因素，则钻孔壁处的相对应力可用下式表示:
式中:α(E)——灵敏度系数;
P——压力枕内部压力，MPa。

首先在围岩体内部钻孔，把充液膨胀枕式钻孔应力计放入钻孔合适位置处，给钻孔应力计注入液体(油)，钻孔应力计膨胀紧密接触钻孔壁，钻孔应力计有一定的初始压力。

围岩体应力变化时，孔壁和钻孔应力计发生共同的弹性变形，钻孔应力计压
力发生变化。

假设钻孔围岩体的刚度为K1，钻孔应力计的刚度为K2，围岩体单位面积的应力变化为ΔP，根据变形协调条件，钻孔的弹性变形量和钻孔应力计的弹性变形量一致，即:
式中:ΔPJ——钻孔应力计的单位面积的变化量。

在进行数据分析时，需要综合考虑灵敏度系数和刚度的影响。

2 空心包体式钻孔三向应变计
图3是空心包体式钻孔三向应变计，它由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成。

将三组应变花(每组应变花有4个应变片)沿环氧树脂筒圆周每相隔120°黏贴(见图4)。

应力计有一个环氧树脂浇注的外层，它使电阻应变片嵌在筒壁内，其外层厚度约为0.5 mm。

图3 空心包体结构图
图4 三组应变花的黏贴方法
空心包体式钻孔三向应变计主要用于测量岩石和混凝土中的三向应力;空心包体是由一系列的应变计组成，应变计封装在弹性模量已知的空心管壁上。

用环氧树脂把应力计固定在钻孔中，然后监测在钻孔套芯应力解除过程中的应变响应，或者把应力计永久地留放在原地，用于监测相对应力随时间的变化量。

空心包体有12个应变计，适合测量各向同性和各向异性的岩石。

一次测量就可获得全部的3维应力张量，测量结果比较准确、可靠。

在实际使用过程中需要清洗钻孔，应力监测过程中，测量结果依赖环氧树脂的黏接效果。

同时，空心包体本身没有温度补偿片，围岩体温度变化会给测试结果带来较大的误差。

3 温度补偿三向应变计
空心包体应变计较多采用外部温度补偿，钻孔套芯应力解除过程中，使用另外的空心包体中的一个应变计作为温度补偿片，长期应力监测时，则把温度补偿片放在钻
孔中。

由于空心包体应变计和温度补偿片有一定的环境差异，改进的空心包体采用温度补偿应变计安装在空心包体内部，周围充满硅胶。

其结构如图5所示。

图5 空心包体温度补偿片位置示意图1-补偿片;2-硅胶
在实验室内检验温度补偿片的效果，把内部有温度补偿和外部补偿的空心包体放置在实验室中监测，在4 d的时间内，内部有温度补偿的空心包体的零点漂移不超过80 με，外部温度补偿的空心包体的零点漂移最大为1570 με。

图6和图7分别为4 d内空心包体的12个应变计的零点漂移曲线。

图6 外部温度补偿空心包体的零点漂移
图7 内部温度补偿空心包体的零点漂移
4 结论
1)充液膨胀枕式钻孔应力计不是一种严格意义上的的钻孔应力测量仪器，随着围岩体的弹性模量的增大，其表现为应变特性。

2)充液膨胀枕式钻孔应力计主要用于围岩体内部应力的变化趋势的测量，其测试数据不能完全如实地反映围岩体内部应力的变化，而钻孔应力计则适合于测量应力变化量不大的围岩体内部的应力变化。

3)空心包体是一种典型的应变测量仪器，测试结果反映围岩体内部应力的变化，但其结构、工艺特性适合钻孔套芯应力解除过程中的应变响应，在应变长期监测中其结构需要作进一步改进。

参考文献:
［1］付东波，齐庆新，等.采动应力监测系统的设计［J］.煤矿开采，2009(6):13-16.
［2］宋维尧，张正凯.KS-1型钻孔应力计的原理及其应用［J］.煤炭科学技术，1990(6):12-14.
［3］于正兴，姜福兴，等.提高钻孔应力计监测煤岩应力的精度试验［J］.煤炭科
学技术，2010(11):53-55.
［4］王平，姜福兴，等.冲击地压的应力增量预报方法［J］.煤炭学报，
2010(8):5-9.
［5］苏恺之，张钧，等.土层应力-应变观测中的一些技术考虑//钻孔地应变观测新进展［M］.北京:地震出版社，2003.。