一种应力监测系统、巷道及其施工方法与流程

1.本发明涉及采煤技术领域，尤其涉及一种应力监测系统、巷道及其施工方法。


背景技术：

2.目前煤矿的资源开采主要以地下开采的形式，需要进行大量的巷道开掘，然而保证巷道的稳定性对安全生产至关重要。巷道支护是矿山开采、水利水电隧道、公路交通隧道等地下工程的一项关键技术因素。合理的巷道支护技术既可以保证地下工程的安全，又具有明显的经济效益。然而在矿井开采的过程中，矿压是巷道变形和破坏的主要因素，煤矿巷道矿压的监测就显得尤为重要。如何在保证不影响煤矿正常开采的基础上，设计一套煤矿巷道矿压监测系统，是整个煤矿开采行业迫在眉睫的事情。
3.有鉴于此，提供一种应力监测系统、巷道及其施工方法成为必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种应力监测系统、巷道及其施工方法，通过监测应力监测锚杆所承受的应力状态，从而推断出矿压的大小，可为矿井安全提供保障。
5.本发明技术方案提供一种应力监测系统，包括具有螺旋槽的应力监测锚杆、处于所述螺旋槽中的多个应力传感器和处于所述应力监测锚杆的外部的分析仪；
6.所述螺旋槽从所述应力监测锚杆的头端向尾端延伸；
7.每个所述应力传感器都通过光纤与所述分析仪连接；
8.多个所述应力传感器处于所述螺旋槽中并呈螺旋状布置，所述螺旋槽由多圈依次连接的螺旋槽段连接而成；
9.每圈所述螺旋槽段中具有至少一个所述应力传感器。
10.在其中一项可选技术方案中，每圈所述螺旋槽段中具有两个间隔布置的所述应力传感器，每圈所述螺旋槽段中的两个所述应力传感器之间的中心角为180
°
；
11.在沿着从所述应力监测锚杆的头端至尾端的方向上，任意相邻的两圈所述螺旋槽段中的所述应力传感器以交错90
°
的方式布置。
12.在其中一项可选技术方案中，在沿着从所述应力监测锚杆的头端至尾端的方向上，所述应力传感器的波长逐渐变大或逐渐变小。
13.在其中一项可选技术方案中，设定所述应力监测锚杆的截面积为s、从所述应力监测锚杆的头端数第n个所述应力传感器所承受的力为f
n
，其中n为≥1的自然数；
14.则所述应力传感器将力f
n
传输至所述分析仪；
15.所述分析仪根据所述螺旋槽的螺旋角计算出沿着所述应力监测锚杆延伸方向的拉力f
n1
和与所述应力监测锚杆垂直的剪切力f
n2
；
16.所述分析仪再根据拉力f
n1
及剪切力f
n2
计算并得出：所述应力监测锚杆在第n个所述应力传感器处所承受的拉应力σ
拉
＝f
n1
/s，剪切应力σ
剪
＝f
n2
/s。
17.在其中一项可选技术方案中，所述螺旋槽中具有树脂，所述光纤及所述应力传感
器通过所述树脂固定在所述螺旋槽中。
18.本发明技术方案还提供一种巷道，包括巷道底板、巷道顶板、巷道侧板和前述任一技术方案所述的应力监测系统；
19.所述巷道顶板上安装有锚索，所述巷道侧板中安装有多根所述应力监测锚杆，多根所述应力监测锚杆沿着所述巷道侧板前后方向间隔布置为一排应力监测锚杆；
20.所述分析仪布置在所述巷道的外侧，每根所述应力监测锚杆中的所述光纤都与所述分析仪连接。
21.在其中一项可选技术方案中，在沿着所述巷道的前后方向上，所述巷道侧板上具有两个以上的监测断面，每个监测断面处沿着垂直方向安装有两根以上的所述应力监测锚杆。
22.在其中一项可选技术方案中，相邻的两个所述监测断面之间的距离与采煤时产生的周期来压的步距相等。
23.本发明技术方案还提供一种前述的巷道的施工方法，包括如下步骤：
24.s01：预先准备好具有所述应力传感器的所述应力监测锚杆及分析仪；
25.s02：在所述巷道的巷道侧板上确定出需要监测的监测区域；
26.s03：将所述应力监测锚杆打入所述巷道侧板的监测区域中；
27.s04：将每根所述应力监测锚杆上的所述光纤与所述分析仪连接。
28.在其中一项可选技术方案中，在步骤s03中还包括：
29.利用钻头向所述巷道侧板中钻孔；
30.向所述钻孔中送入树脂药卷；
31.利用搅拌锚杆将树脂药卷搅拌均匀后，拉出所述搅拌锚杆；
32.将所述应力监测锚杆送入所述钻孔中，通过树脂药卷将所述应力监测锚杆粘结凝固在所述钻孔中。
33.采用上述技术方案，具有如下有益效果：
34.本发明提供的应力监测系统、巷道及其施工方法，可通过应力传感器监测出应力监测锚杆所受的拉应力和剪切应力的大小，从而判断出矿压大小。当应力监测锚杆所受的拉应力和剪切应力分别小于其警戒值时，表示矿压处于安全范围内，可安全施工。当应力监测锚杆所受的拉应力和/或剪切应力大于其警戒值时，表示矿压较大，超出安全范围，需要采取安全措施。
35.由此，本发明提供一种应力监测系统、巷道及其施工方法，通过监测应力监测锚杆所承受的应力状态，从而推断出矿压的大小，可为矿井安全提供保障。
附图说明
36.图1为本发明一实施例提供的应力监测系统的示意图；
37.图2为应力监测锚杆中具有螺旋槽的剖视图；
38.图3为应力传感器在螺旋延伸的光纤上的布置示意图；
39.图4为应力传感器的受力分解图；
40.图5为本发明一实施例提供的巷道的示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
42.如图1
‑
4所示，本发明一实施例提供的应力监测系统，包括具有螺旋槽14的应力监测锚杆1、处于螺旋槽14中的多个应力传感器2和处于应力监测锚杆1的外部的分析仪3。
43.螺旋槽14从应力监测锚杆1的头端11向尾端12延伸。
44.每个应力传感器2都通过光纤4与分析仪3连接。
45.多个应力传感器2处于螺旋槽14中并呈螺旋状布置，螺旋槽14由多圈依次连接的螺旋槽段141连接而成。
46.每圈螺旋槽段141中具有至少一个应力传感器2。
47.本发明提供的应力监测系统包括有应力监测锚杆1、应力传感器2、分析仪3和光纤4。
48.应力监测锚杆1的头端11安装有托盘13，利用车床在应力监测锚杆1中开设出螺旋槽14。螺旋槽14的开口处于应力监测锚杆1的头端11，螺旋槽14从应力监测锚杆1的头端11向尾端12螺旋延伸。螺旋槽14为处于应力监测锚杆1中且以螺旋方式布置的凹槽。
49.螺旋槽14可分为多圈螺旋槽段141，每圈螺旋槽段141的圆心角为360
°
，螺旋槽段141的两端非闭合，而是与另一端螺旋槽段141连接。螺旋槽段141的螺旋角为α。
50.多个应力传感器2分别安装在螺旋槽14中，每圈螺旋槽段141都具有至少一个应力传感器2，每个应力传感器2都通过光纤4与外部的分析仪3连接。每个应力传感器2都具有标识码，分析仪3可以获知并标识出每个应力传感器2传来的力。
51.在应力监测锚杆1受力后，应力传感器2将承受的力传输给分析仪3。分析仪3可选用计算机。分析仪3根据螺旋角α计算出与应力监测锚杆1平行的拉力和与应力监测锚杆1垂直的剪切力，再根据应力监测锚杆1的面积计算出应力监测锚杆1上对应每个应力传感器2处所对应的拉应力和剪切应力。应力监测锚杆1的拉应力和剪切应力分别具有警戒值，可通过拉应力实验和剪切应力实验的方式预先获知拉应力和剪切应的警戒值。当拉应力超过拉应力警戒值时，应力监测锚杆1易被拉断。当剪切应力超过剪切应力警戒值时，应力监测锚杆1易被剪断。
52.将拉应力和剪切应的警戒值预先存储到分析仪3中。当应力监测锚杆1中所有的应力传感器2对应位置所受的拉应力和剪切应力分别小于其警戒值时，表示矿压处于安全范围内，可安全施工。当应力监测锚杆1中某个应力传感器2对应位置所受的拉应力和/或剪切应力大于其警戒值时，表示矿压较大，超出安全范围，分析仪3的警示单元发出警告，告知需要采取安全措施。
53.在其中一个实施例中，如图3所示，每圈螺旋槽段141中具有两个间隔布置的应力传感器2，每圈螺旋槽段141中的两个应力传感器2之间的中心角为180
°
。
54.在沿着从应力监测锚杆1的头端11至尾端12的方向上，任意相邻的两圈螺旋槽段141中的应力传感器2以交错90
°
的方式布置。
55.每两圈螺旋槽段141为一个监测周期，两圈螺旋槽段141中的四个应力传感器2为一周。在圆周方向上，一圈螺旋槽段141中的每个应力传感器2都处于另一圈螺旋槽段141中
的两个应力传感器2的中间，从而对应力监测锚杆1沿着圆周方向均布的四个监测点进行监测，以提高监测准确度。
56.在其中一个实施例中，在沿着从应力监测锚杆1的头端11至尾端12的方向上，应力传感器2的波长逐渐变大或逐渐变小。分析仪3可以根据波长来区分每个应力传感器2。
57.在其中一个实施例中，如图4所示，设定应力监测锚杆1的截面积为s、从应力监测锚杆1的头端11数第n个应力传感器2所承受的力为f
n
，其中n为≥1的自然数；
58.则应力传感器2将力f
n
传输至分析仪3。
59.分析仪3根据螺旋槽14的螺旋角α计算出沿着应力监测锚杆1延伸方向的拉力f
n1
和与应力监测锚杆1垂直的剪切力f
n2
。
60.分析仪3再根据拉力f
n1
及剪切力f
n2
计算并得出：应力监测锚杆1在第n个应力传感器2处所承受的拉应力σ
拉
＝f
n1
/s，剪切应力σ
剪
＝f
n2
/s。
61.具体地：应力传感器2布置在螺旋槽段141中。在应力监测锚杆1受力后，会通过螺旋槽段141的槽壁传递至应力传感器2，因此应力传感器2的受力f
n
的方向与螺旋槽段141的槽壁相切。而螺旋槽段141的螺旋角为α，则力f
n
与拉力f
n1
之间的夹角即为α，力f
n
与拉力f
n2
之间的夹角即为90
°‑
α。
62.则：f
n1
＝f
n
×
cosα，f
n2
＝f
n
×
sinα。
63.再将f
n1
、f
n2
与应力监测锚杆1的截面积为s相比，即得到σ
拉
＝f
n
×
cosα/s，σ
剪
＝f
n
×
sinα/s。
64.本发明提供的应力监测系统，既可以测出应力监测锚杆1的拉应力，也可以测出应力监测锚杆1的剪切应力，可以更好地监测应力监测锚杆1的受力状态。
65.在其中一个实施例中，螺旋槽14中具有树脂，光纤4及应力传感器2通过树脂固定在螺旋槽14中。
66.在装配应力传感器2时，根据螺旋槽段141的长度、槽深、螺旋角等参数，将应力传感器2分布在光纤4上的设计位置。再利用与螺旋槽14形状匹配的铁丝将应力传感器2及光纤4带入螺旋槽14中。在将应力传感器2安装到位后，向螺旋槽14中灌入液态树脂，待液态树脂凝固后，即将光纤4、应力传感器2等固定在螺旋槽14中。
67.如图5所示，本发明一实施例提供一种巷道，包括巷道底板5、巷道顶板6、巷道侧板7和前述任一实施例所述的应力监测系统。
68.巷道顶板6上安装有锚索8，巷道侧板7中安装有多根应力监测锚杆1，多根应力监测锚杆1沿着巷道侧板7前后方向间隔布置为一排应力监测锚杆1。
69.分析仪3布置在巷道的外侧，每根应力监测锚杆1中的光纤4都与分析仪3连接。
70.根据巷道的具体情况，在巷道需要监测的区域的巷道侧板7中打入至少一排应力监测锚杆1，矿压可通过巷道侧板7传给应力监测锚杆1，分析仪3实时监测应力监测锚杆1的拉应力和剪切应力。当分析仪3监测到应力监测锚杆1中所有的应力传感器2对应位置所受的拉应力和剪切应力分别小于其警戒值时，表示矿压处于安全范围内，可安全施工。当应力监测锚杆1中某个应力传感器2对应位置所受的拉应力和/或剪切应力大于其警戒值时，表示矿压较大，超出安全范围，分析仪3的警示单元发出警告，告知需要采取安全措施，施工人员可对该区域加强支护，或提前安全撤离。
71.在其中一个实施例中，如图5所示，在沿着巷道的前后方向上，巷道侧板7上具有两
个以上的监测断面，每个监测断面处沿着垂直方向安装有两根以上的应力监测锚杆1，增加对每个监测断面监测范围。
72.在其中一项可选技术方案中，相邻的两个监测断面之间的距离与采煤时产生的周期来压的步距相等。在采煤时，可以完整监测一个周期来压时对应的应力监测锚杆1的实时状态，利于提高施工的安全性。
73.本发明一实施例提供的一种前述的巷道的施工方法，包括如下步骤：
74.s01：预先准备好具有应力传感器2的应力监测锚杆1及分析仪3。
75.s02：在巷道的巷道侧板7上确定出需要监测的监测区域。
76.s03：将应力监测锚杆1打入巷道侧板7的监测区域中。
77.s04：将每根应力监测锚杆1上的光纤4与分析仪3连接。
78.根据巷道的具体情况，在巷道需要监测的区域的巷道侧板7中打入至少一排应力监测锚杆1，矿压可通过巷道侧板7传给应力监测锚杆1，分析仪3实时监测应力监测锚杆1的拉应力和剪切应力。当分析仪3监测到应力监测锚杆1中所有的应力传感器2对应位置所受的拉应力和剪切应力分别小于其警戒值时，表示矿压处于安全范围内，可安全施工。当应力监测锚杆1中某个应力传感器2对应位置所受的拉应力和/或剪切应力大于其警戒值时，表示矿压较大，超出安全范围，分析仪3的警示单元发出警告，告知需要采取安全措施，施工人员可对该区域加强支护，或提前安全撤离。
79.根据需要，可将带有应力传感器2的应力监测锚杆1用热缩管封装保护起来。
80.在其中一个实施例中，在步骤s03中还包括：
81.利用钻头向巷道侧板7中钻孔。
82.向钻孔中送入树脂药卷。
83.利用搅拌锚杆将树脂药卷搅拌均匀后，拉出搅拌锚杆。
84.将应力监测锚杆1送入钻孔中，通过树脂药卷将应力监测锚杆1粘结凝固在钻孔中。
85.由于光纤4及应力传感器2的特性，如果同普通锚杆一样用锚杆机打入应力监测锚杆1，在锚杆机转动过程中产生的扭矩有可能会损坏到光纤4及应力传感器2，使得监测受到影响。
86.其采用先钻孔，再向钻孔中安装树脂药卷，最够装入应力监测锚杆1，通过树脂药卷粘接凝固应力监测锚杆1。
87.综上所述，本发明提供一种应力监测系统、巷道及其施工方法，通过监测应力监测锚杆所承受的应力状态，从而推断出矿压的大小，可为矿井安全提供保障。
88.根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
89.以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。