柔性钻孔应力计设计及实验应用研究

夏方迁，魏全德，郭延淼，张立明

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083；3.北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司，北京 102299)

1 柔性钻孔应力计结构及原理

1.1 柔性钻孔应力计结构

应力计主要由柔性胶管、刚性骨架、油管及外部钢环等几部分组成，柔性钻孔应力计的结构如图1所示。柔性胶管内有四层钢丝缠绕，具有很好的膨胀性同时能够承受很高的压力。柔性胶管通过外部钢环卡在刚性骨架上组成应力计的测量部分。胶管内部注满液压油，并通过油管与压力传感器连接。测量煤岩体应力时，使用手动泵通过四通阀给应力计加压，使应力计膨胀并与孔壁充分接触，关闭四通阀。柔性应力计感受孔壁应力的变化并通过油管传递给孔外的压力传感器，通过采集设备进行压力的实时采集。柔性钻孔应力计如图2所示。柔性应力计主要技术参数见表1。

图1 柔性钻孔应力计结构

图2 柔性钻孔应力计

表1 柔性应力计主要技术参数

1.2 应力计工作原理

柔性钻孔应力计胶管截面如图3所示，由内部的纯胶、中间的斜缠绕钢丝和外侧的保护层组成，在内部给定压力后，胶管可以环向拉伸膨胀，而在直径方向，钢丝缠绕占比重较大，厚度压缩比小，因此可将其视为环向可弹性拉伸，厚度不可压缩的材料。

图3 应力计截面图

为便于分析柔性应力计的工作原理，以圆形钻孔各向等压情况为例建立力学模型，由于应力计受力对称，以上半部分进行建模分析，其受力如图4所示。应力计可视为一内外受压的圆环，图中P为油囊内液体压力，也是监测压力；σ为孔壁对应力计的压力，即被监测压力，r0为胶管初始内径，δ为壁厚。

图4 应力计受力分析

由图4可知，由于沿x轴方向受力完全对称，只需沿y轴方向建立平衡方程，应力计给定初压后胶管半径增大Δr，则平衡条件为：

(1)

由于应力计环向视为弹性材料，弹性模量为EY，则可根据环向应变计算出F：

由弹性力学知识可得到，圆环受均布力内压力σ作用下的内径变化为：

根据前文分析结论，本文将婴幼儿配方乳粉的进口量作为因变量，将国内市场规模、国内产量、汇率水平，进口价格、国产产品的抽检合格率以及进口产品的抽检合格率作为自变量，构建多元线性模型，运用Eviews8软件进行回归分析。本文构建的模型为

从式(4)中可以看出，p与σ存在明确函数关系，因此，煤体应力可通过柔性钻孔应力计的油压监测来反映。

2 柔性钻孔应力计力学性能实验

柔性钻孔应力计是否能够作为一种传感器进行煤体应力监测需要评价的指标较多，这里对线性度、灵敏度、长期稳定性、温度影响四个指标进行了实验室测试。

2.1 实验测试设备

实验采用的主要设备有：压力机、柔性钻孔应力计、应力计夹持工装、四通阀、手动油泵、压力传感器(GPD60)、数据采集仪(KJ615-C)、恒温箱等，如图5所示。

图5 实验照片

2.2 实验过程

2.2.1 线性度、灵敏度实验。

将两个柔性应力计分别固定在加载工装上并放置在试验机上，压力机与上承压板之间预留4mm空间，模拟现场打孔后的孔径，将柔性应力计与四通阀、压力传感器和采集仪连接。将手动油泵与四通阀快速插头连接进行打压，待压力机与加载工装上承压板紧密接触且初压值为2～4MPa时停止。通过压力机给柔性应力计逐级(每级2MPa左右)加载，记录柔性应力及的压力值。通过该实验测试柔性应力计压力与载荷的关系。

2.2.2 耐久性实验

将两个应力计分别固定在夹持工装上，将应力计初压值加载至5～8MPa，拧紧四通阀上的锥阀。通过采集仪定期(采样周期前期5min，稳定后1h)测量并记录柔性应力计的监测值，直至压力值的日变化量小于0.1MPa，并持续监测30d数据。通过实验分析柔性应力计的初压稳定时间和耐久性。

2.2.3 温度特性试验。

将两个应力计放入恒温箱中，将温度分别调至20℃，20.5℃，21℃，…，30℃，每次调温半个小时后再测量并记录应力计的油压。

2.3 实验数据分析

2.3.1 线性度和灵敏度分析

线性度表征了传感器输出-输入特性与所选定的拟合直线之间的吻合(或偏离程度)，实验采用线性拟合方法，并以判定系数R2作为判断应力计线性度的指标，R2越趋向于1说明应力计的线性度越高。1#应力计的加载曲线如图6所示，当试验机压力从8MPa逐级加载至22MPa时，应力计的测量值由4MPa增值8.3MPa，通过线性拟合得到拟合方程为：y=0.2994x+1.6714，并计算得到判定系数R2=0.9974。2#应力计的加载曲线如图7所示，当试验机压力由4MPa加载至22MPa时，应力计测量值由2.5MPa增值8MPa，并获得2#应力计的拟合方程为：y=0.2917x+1.375，判定系数R2=0.9856。

图6 1#应力计加载曲线

图7 2#应力计加载曲线

从实验数据可以看出，两个柔性应力计的判定系数均接近于1，即应力计具有较高的线性度。该结果表明柔性应力计具备了作为传感器进行煤体应力监测的线性度条件。

灵敏度表征了传感器输出量增量与输入量增量之间的比例关系，柔性应力计的灵敏度S=Δp/Δσ，其中Δσ为载荷变化量，Δp为载荷变化引起的应力计监测值的变化量，从拟合曲线可以得到两个应力计的灵敏度分别为0.2994、0.2917，平均为0.2956。

2.3.2 耐久性试验分析

钻孔应力计常用作长期监测，一般埋设时间较长，这对应力计的耐久性和长期稳定性提出了很高的要求。1#、2#应力计的长期测试曲线如图8、图9所示，从曲线可以看出，柔性应力计打压后一段时间会有明显的压力值下降，之后逐渐趋于稳定。其中，1#应力计在3d后数据趋于稳定，2#应力计在2.5d后数据趋于稳定。应力计数据稳定后持续监测到30d，数据未出现大的波动，应力计未出现破损、漏液现象。试验证明柔性应力计在实验室环境下具有较好的耐久性。

另外，两个应力计的初压稳定期分别为2.5d、3d，即柔性应力计安装打压后2.5～3d后才能进入工作状态，稳定期较油枕式钻孔应力计长。两个柔性应力计稳定后压力值与初始打压值之比分别为：0.84和0.77。

图8 1#应力计长期测试曲线

图9 2#应力计长期测试曲线

2.3.3 柔性应力计温度特性分析

由于1#应力计油管焊接处开裂，只对2#应力计进行了温度特性试验，2#应力计温度—压力曲线试验结果如图10所示。从图10可以看出，当环境温度由20℃升高到30℃时，应力计在固定约束条件下监测值由4.9MPa增长到7MPa。应力计监测时随温度变化近似线性，通过数据拟合得到二者关系曲线为：y=0.2248x+0.2864，R2=0.995。可见柔性应力计监测值受温度变化影响明显，在现场使用时需要考虑温度因素。煤矿的埋藏深度一般较深，煤体的日温度变化较小，在煤体应力监测时柔性应力计的温度效应可忽略，但在温度变化较大的煤岩应力监测时于浅部岩土工程钻孔应力的监测，需要考虑应力计的温度效应，解决办法是通过增加环境温度的监测对应力监测数据进行温度补偿。

图10 2#应力计温度—压力曲线

3 工程应用

3.1 现场测试方案

为验证柔性应力计的实用性，将2#柔性应力计安装在某冲击地压矿井3802工作面回风巷，测点编号为S1。柔性应力计安装时距离工作面158m，安装深度为15m。在距离S1测点不超过2m的位置布置有原应力在线监测系统的31#、32#测点，测点采用充液膨胀枕式应力计，两测点安装深度分别为14m、8m，测点布置如图11所示。柔性应力计安装后接入原系统的采集仪进行实时在线监测。

图11 测点布置

3.2 测试效果对比

8月1日至8月21日的监测数据如图12所示，在此期间工作面共推进136m。从图12可以看出随着工作面的推进，S1测点、32#测点监测数据都有明显的增长，而31#测点监测数据变化不明显，主要原因为31#测点埋深浅，煤体已塑性破坏，支承压力向深部转移。比较S1测点、32#测点曲线可以看出S1测点曲线增速要大于32#测点，8月13日出现的一次大能量震动事件引起了3个测点不同程度的突增或突降，其中S1测点增幅也明显高于32#测点。现场实验初步证明，柔性钻孔应力计能够很好的反应采动应力变化趋势，且灵敏度要优于充液膨胀枕式应力计。

图12 监测数据

4 结 论

1)针对充液膨胀枕式应力计存在的技术缺陷，设计了一种新型柔性钻孔应力计，并通过力学分析给出了新型应力计的监测原理。

2)通过实验室测试发现，柔性钻孔应力计具有较好的线性度，测试灵敏度约0.29，初始稳定时间约2～3d，长期稳定性较好。

3)柔性钻孔应力计监测数据受温度影响较大，若在温度变化较小的条件下使用，可以保证监测效果；若在温度变化较大的条件下使用，需要增加温度监测，并根据温度变化情况做数据修正。

4)经现场实测对比发现，柔性钻孔应力计较充液膨胀枕式应力计监测精度高，可以更加准确的反映监测体应力变化。

5)柔性钻孔应力计尚未在煤矿现场进行大面积推广应用，满足冲击地压监测预警精度的柔性钻孔应力计，需要通过大量的现场实践不断优化。