一種基于微電容檢測的圍巖應變檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種適用于煤礦井下的檢測裝置及方法，尤其是一種基于微電容檢測 的圍巖應變檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 礦井突水是煤礦五大動力災害之一，造成的直接與間接經(jīng)濟損失位列煤礦災難損 失首位。采動圍巖應力是地下采掘活動影響下，原有的地應力平衡被打破，并在圍巖空間重 新分布后的次生應力。采動發(fā)生后，圍巖空間重新分布，巖體發(fā)生變形。有些具備松散結構 的巖體在重力、圍巖應力和地下水的作用下發(fā)生形變，導致圍巖的破壞。通過檢測圍巖應變 情況可W為預測突水災害提供一定的依據(jù)。
[0003] 實際應用中，監(jiān)測煤礦突水、礦壓突出、地應力等的方式一般采用鉆孔測試法，其 基本原理是在測量點施工鉆孔，鉆孔深度進入需要測量的地點，將傳感器深入鉆孔底部并 于孔壁接觸后固定完成安裝。鉆孔測試的傳感器原理包括振弦式、液壓枕式和應變式，均屬 于剛性包體應力計。
[0004]W上該些傳感器有一個共同的缺點，那就是，傳感器與鉆孔壁的禪合程度決定了 測量的準確程度。通常情況下，鉆孔施工完成放入傳感器初期，鉆孔周圍巖體保持完整，沒 有發(fā)生位移或形變，此時，傳感器與鉆孔壁不能良好接觸。只有當鉆孔周圍巖體在重力、圍 巖應力、地下水等的作用下發(fā)生形變、移動，甚至破裂，巖體與傳感器完全接觸之后，傳感器 才能較準確的測量出應力值。另外，該些傳感器只能檢測出單一方向上的應力，不能測量S 維應力情況。
[0005] 因此，有必要研究出一種能夠準確檢測圍巖應變的裝置及方法，從而解決現(xiàn)有技 術當中的上述問題。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對目前鉆孔測量圍巖應力傳感器與鉆孔禪合度不夠、測量方向 單一等問題，提供一種快速、準確的圍巖應變檢測裝置及方法。該方法利用傳感器與鉆孔圍 巖進行良好禪合，能夠對圍巖應變進行實時測量，同時測量=維應變情況。該種測試方法的 優(yōu)點是安裝及操作簡單、便捷，測量準確，能夠實時監(jiān)控。
[0007] 本發(fā)明請求保護一種基于微電容檢測的圍巖應變檢測裝置，該裝置包括應變傳感 器、電容檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，其中：
[000引應變傳感器包括上極板、載體、中間介質、下極板；
[0009] 下極板與上極板正對且面積相等，上極板是一個整體，下極板分成n部分；上、下 極板用螺絲固定在載體上，與圓柱形載體完全貼合；載體為中空的圓柱形，由具有較好彈性 的及具有良好抗壓性的材料構成；中間介質由壓力累注入應變傳感器，其中，中間介質具有 較大的相對介電常數(shù)；上極板、載體、中間介質、下極板構成n個電容對。
[0010] 電容檢測模塊，包括電容檢測巧片及外圍電路，用于檢測并計算電容對的電容 值，并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊；
[0011] 其中，電容對的電容值計算公式為 r1 斑
[0012] C= -- a
[0013] 其中，e是電容極板間介質的介電常數(shù)；d代表兩平行極板間距離；S代表兩平行 極板相對面積；
[0014] 從公式可W看出，平行板電容器的輸出電容與極板間距成反比，與極板間正對面 積成正比；
[0015] 數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)電容值反饋圍巖應變情況。
[0016] 其中，反饋圍巖應變情況的具體過程為：對上極板與下極板組成的n個電容對進 行組合，測量其組合電容變化值，得出多個電容與位移、正對面積的方程，通過求解方程組 得出上極板的=維坐標，從而得出=維應變情況。
[0017] 本發(fā)明還請求保護一種應用于上述的檢測裝置中的基于微電容檢測的圍巖應變 檢測方法，包括如下步驟：
[0018] S101，在采動空間巖體中施工一測量鉆孔，將應變傳感器放入其中；
[0019] S102,應變傳感器連接壓力累，壓力累向應變傳感器中注入中間介質，當傳感器膨 脹至與鉆孔壁良好禪合后，停止注入，卸下壓力累；
[0020] S103,打開應變傳感器，開始檢測圍巖應變情況。當圍巖內部發(fā)生應變時，作用到 應變傳感器上，引起傳感器上的電容對的電容值變化，通過電容檢測模塊檢測出電容對的 電容改變值，并進行處理，得出圍巖應變情況。
[0021] S104,測試結束后，關閉裝置電源，打開閥口放掉傳感器內部的中間介質，從鉆孔 中取出應變傳感器。
[0022] 本發(fā)明的有益效果為：
[0023] 基于微電容檢測的圍巖應變檢測裝置及方法實現(xiàn)了對圍巖應變進行實時、多維度 測量。本發(fā)明與現(xiàn)有的圍巖應變測試技術相比：操作簡單，傳感器與圍巖鉆孔禪合性好，可 W連續(xù)測量=維應變并進行實時采集處理，可W反映鉆孔圍巖應變情況，為煤礦井下預測 突水、礦震等地質災害提供了重要依據(jù)。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的圍巖應變檢測裝置的結構示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的裝置中應變傳感器的結構示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的裝置中中應變傳感器的俯視圖；
[0027] 圖4是傳感器放鉆孔里的示意圖；
[002引圖5是傳感器與鉆孔貼合的示意圖；
[0029] 圖6為n=12時下極板編號示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，W下實施例只是描述性的，不是限 定性的，不能W此限定本發(fā)明的保護范圍。
[0031] 技術原理；平行板電容器電容量的計算公式為
[0032]
[0033] 其中，e是電容極板間介質的介電常數(shù)；d代表兩平行極板間距離；S代表兩平行 極板相對面積。
[0034] 從公式可W看出，平行板電容器的輸出電容與極板間距成反比，與極板間正對面 積成正比，即當一個正壓力作用在平行板電容器上時，平行板電容器極板間距離發(fā)生改變， 引起輸出電容發(fā)生改變；當一個剪切力加載在平行板電容器上時，極板正對面積發(fā)生改變， 引起輸出電容變化。
[0035] 本發(fā)明即利用平行板電容器的該一特征，選擇合適的材料作為中間介質，發(fā)明一 種基于微電容檢測的圍巖應變檢測裝置。當鉆孔圍巖發(fā)生變形時，應力作用在極板上，引起 極板間距離或者極板正對面積發(fā)生改變，傳感器上布置有許多電容對，通過測量電容對的 電容值變化，進而反演出鉆孔圍巖應變情況。
[0036] W下通過圖1-3對本發(fā)明的基于微電容檢測的圍巖應變檢測裝置作進一步的介 紹。
[0037] 本發(fā)明提供一種基于微電容檢測的圍巖應變檢測裝置100,該裝置包括應變傳感 器101、電容檢測模塊102、數(shù)據(jù)處理模塊103,其中：
[003引應變傳感器101包括上極板1001、載體1004、