柔性鉆孔應力計設計及實驗應用研究

夏方遷，魏全德，郭延淼，張立明

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.北京安科興業(yè)礦山安全技術研究院有限公司，北京 102299)

1 柔性鉆孔應力計結構及原理

1.1 柔性鉆孔應力計結構

應力計主要由柔性膠管、剛性骨架、油管及外部鋼環(huán)等幾部分組成，柔性鉆孔應力計的結構如圖1所示。柔性膠管內有四層鋼絲纏繞，具有很好的膨脹性同時能夠承受很高的壓力。柔性膠管通過外部鋼環(huán)卡在剛性骨架上組成應力計的測量部分。膠管內部注滿液壓油，并通過油管與壓力傳感器連接。測量煤巖體應力時，使用手動泵通過四通閥給應力計加壓，使應力計膨脹并與孔壁充分接觸，關閉四通閥。柔性應力計感受孔壁應力的變化并通過油管傳遞給孔外的壓力傳感器，通過采集設備進行壓力的實時采集。柔性鉆孔應力計如圖2所示。柔性應力計主要技術參數見表1。

圖1 柔性鉆孔應力計結構

圖2 柔性鉆孔應力計

表1 柔性應力計主要技術參數

1.2 應力計工作原理

柔性鉆孔應力計膠管截面如圖3所示，由內部的純膠、中間的斜纏繞鋼絲和外側的保護層組成，在內部給定壓力后，膠管可以環(huán)向拉伸膨脹，而在直徑方向，鋼絲纏繞占比重較大，厚度壓縮比小，因此可將其視為環(huán)向可彈性拉伸，厚度不可壓縮的材料。

圖3 應力計截面圖

為便于分析柔性應力計的工作原理，以圓形鉆孔各向等壓情況為例建立力學模型，由于應力計受力對稱，以上半部分進行建模分析，其受力如圖4所示。應力計可視為一內外受壓的圓環(huán)，圖中P為油囊內液體壓力，也是監(jiān)測壓力；σ為孔壁對應力計的壓力，即被監(jiān)測壓力，r0為膠管初始內徑，δ為壁厚。

圖4 應力計受力分析

由圖4可知，由于沿x軸方向受力完全對稱，只需沿y軸方向建立平衡方程，應力計給定初壓后膠管半徑增大Δr，則平衡條件為：

(1)

由于應力計環(huán)向視為彈性材料，彈性模量為EY，則可根據環(huán)向應變計算出F：

由彈性力學知識可得到，圓環(huán)受均布力內壓力σ作用下的內徑變化為：

根據前文分析結論，本文將嬰幼兒配方乳粉的進口量作為因變量，將國內市場規(guī)模、國內產量、匯率水平，進口價格、國產產品的抽檢合格率以及進口產品的抽檢合格率作為自變量，構建多元線性模型，運用Eviews8軟件進行回歸分析。本文構建的模型為

從式(4)中可以看出，p與σ存在明確函數關系，因此，煤體應力可通過柔性鉆孔應力計的油壓監(jiān)測來反映。

2 柔性鉆孔應力計力學性能實驗

柔性鉆孔應力計是否能夠作為一種傳感器進行煤體應力監(jiān)測需要評價的指標較多，這里對線性度、靈敏度、長期穩(wěn)定性、溫度影響四個指標進行了實驗室測試。

2.1 實驗測試設備

實驗采用的主要設備有：壓力機、柔性鉆孔應力計、應力計夾持工裝、四通閥、手動油泵、壓力傳感器(GPD60)、數據采集儀(KJ615-C)、恒溫箱等，如圖5所示。

圖5 實驗照片

2.2 實驗過程

2.2.1 線性度、靈敏度實驗。

將兩個柔性應力計分別固定在加載工裝上并放置在試驗機上，壓力機與上承壓板之間預留4mm空間，模擬現場打孔后的孔徑，將柔性應力計與四通閥、壓力傳感器和采集儀連接。將手動油泵與四通閥快速插頭連接進行打壓，待壓力機與加載工裝上承壓板緊密接觸且初壓值為2～4MPa時停止。通過壓力機給柔性應力計逐級(每級2MPa左右)加載，記錄柔性應力及的壓力值。通過該實驗測試柔性應力計壓力與載荷的關系。

2.2.2 耐久性實驗

將兩個應力計分別固定在夾持工裝上，將應力計初壓值加載至5～8MPa，擰緊四通閥上的錐閥。通過采集儀定期(采樣周期前期5min，穩(wěn)定后1h)測量并記錄柔性應力計的監(jiān)測值，直至壓力值的日變化量小于0.1MPa，并持續(xù)監(jiān)測30d數據。通過實驗分析柔性應力計的初壓穩(wěn)定時間和耐久性。

2.2.3 溫度特性試驗。

將兩個應力計放入恒溫箱中，將溫度分別調至20℃，20.5℃，21℃，…，30℃，每次調溫半個小時后再測量并記錄應力計的油壓。

2.3 實驗數據分析

2.3.1 線性度和靈敏度分析

線性度表征了傳感器輸出-輸入特性與所選定的擬合直線之間的吻合(或偏離程度)，實驗采用線性擬合方法，并以判定系數R2作為判斷應力計線性度的指標，R2越趨向于1說明應力計的線性度越高。1#應力計的加載曲線如圖6所示，當試驗機壓力從8MPa逐級加載至22MPa時，應力計的測量值由4MPa增值8.3MPa，通過線性擬合得到擬合方程為：y=0.2994x+1.6714，并計算得到判定系數R2=0.9974。2#應力計的加載曲線如圖7所示，當試驗機壓力由4MPa加載至22MPa時，應力計測量值由2.5MPa增值8MPa，并獲得2#應力計的擬合方程為：y=0.2917x+1.375，判定系數R2=0.9856。

圖6 1#應力計加載曲線

圖7 2#應力計加載曲線

從實驗數據可以看出，兩個柔性應力計的判定系數均接近于1，即應力計具有較高的線性度。該結果表明柔性應力計具備了作為傳感器進行煤體應力監(jiān)測的線性度條件。

靈敏度表征了傳感器輸出量增量與輸入量增量之間的比例關系，柔性應力計的靈敏度S=Δp/Δσ，其中Δσ為載荷變化量，Δp為載荷變化引起的應力計監(jiān)測值的變化量，從擬合曲線可以得到兩個應力計的靈敏度分別為0.2994、0.2917，平均為0.2956。

2.3.2 耐久性試驗分析

鉆孔應力計常用作長期監(jiān)測，一般埋設時間較長，這對應力計的耐久性和長期穩(wěn)定性提出了很高的要求。1#、2#應力計的長期測試曲線如圖8、圖9所示，從曲線可以看出，柔性應力計打壓后一段時間會有明顯的壓力值下降，之后逐漸趨于穩(wěn)定。其中，1#應力計在3d后數據趨于穩(wěn)定，2#應力計在2.5d后數據趨于穩(wěn)定。應力計數據穩(wěn)定后持續(xù)監(jiān)測到30d，數據未出現大的波動，應力計未出現破損、漏液現象。試驗證明柔性應力計在實驗室環(huán)境下具有較好的耐久性。

另外，兩個應力計的初壓穩(wěn)定期分別為2.5d、3d，即柔性應力計安裝打壓后2.5～3d后才能進入工作狀態(tài)，穩(wěn)定期較油枕式鉆孔應力計長。兩個柔性應力計穩(wěn)定后壓力值與初始打壓值之比分別為：0.84和0.77。

圖8 1#應力計長期測試曲線

圖9 2#應力計長期測試曲線

2.3.3 柔性應力計溫度特性分析

由于1#應力計油管焊接處開裂，只對2#應力計進行了溫度特性試驗，2#應力計溫度—壓力曲線試驗結果如圖10所示。從圖10可以看出，當環(huán)境溫度由20℃升高到30℃時，應力計在固定約束條件下監(jiān)測值由4.9MPa增長到7MPa。應力計監(jiān)測時隨溫度變化近似線性，通過數據擬合得到二者關系曲線為：y=0.2248x+0.2864，R2=0.995。可見柔性應力計監(jiān)測值受溫度變化影響明顯，在現場使用時需要考慮溫度因素。煤礦的埋藏深度一般較深，煤體的日溫度變化較小，在煤體應力監(jiān)測時柔性應力計的溫度效應可忽略，但在溫度變化較大的煤巖應力監(jiān)測時于淺部巖土工程鉆孔應力的監(jiān)測，需要考慮應力計的溫度效應，解決辦法是通過增加環(huán)境溫度的監(jiān)測對應力監(jiān)測數據進行溫度補償。

圖10 2#應力計溫度—壓力曲線

3 工程應用

3.1 現場測試方案

為驗證柔性應力計的實用性，將2#柔性應力計安裝在某沖擊地壓礦井3802工作面回風巷，測點編號為S1。柔性應力計安裝時距離工作面158m，安裝深度為15m。在距離S1測點不超過2m的位置布置有原應力在線監(jiān)測系統(tǒng)的31#、32#測點，測點采用充液膨脹枕式應力計，兩測點安裝深度分別為14m、8m，測點布置如圖11所示。柔性應力計安裝后接入原系統(tǒng)的采集儀進行實時在線監(jiān)測。

圖11 測點布置

3.2 測試效果對比

8月1日至8月21日的監(jiān)測數據如圖12所示，在此期間工作面共推進136m。從圖12可以看出隨著工作面的推進，S1測點、32#測點監(jiān)測數據都有明顯的增長，而31#測點監(jiān)測數據變化不明顯，主要原因為31#測點埋深淺，煤體已塑性破壞，支承壓力向深部轉移。比較S1測點、32#測點曲線可以看出S1測點曲線增速要大于32#測點，8月13日出現的一次大能量震動事件引起了3個測點不同程度的突增或突降，其中S1測點增幅也明顯高于32#測點?，F場實驗初步證明，柔性鉆孔應力計能夠很好的反應采動應力變化趨勢，且靈敏度要優(yōu)于充液膨脹枕式應力計。

圖12 監(jiān)測數據

4 結 論

1)針對充液膨脹枕式應力計存在的技術缺陷，設計了一種新型柔性鉆孔應力計，并通過力學分析給出了新型應力計的監(jiān)測原理。

2)通過實驗室測試發(fā)現，柔性鉆孔應力計具有較好的線性度，測試靈敏度約0.29，初始穩(wěn)定時間約2～3d，長期穩(wěn)定性較好。

3)柔性鉆孔應力計監(jiān)測數據受溫度影響較大，若在溫度變化較小的條件下使用，可以保證監(jiān)測效果；若在溫度變化較大的條件下使用，需要增加溫度監(jiān)測，并根據溫度變化情況做數據修正。

4)經現場實測對比發(fā)現，柔性鉆孔應力計較充液膨脹枕式應力計監(jiān)測精度高，可以更加準確的反映監(jiān)測體應力變化。

5)柔性鉆孔應力計尚未在煤礦現場進行大面積推廣應用，滿足沖擊地壓監(jiān)測預警精度的柔性鉆孔應力計，需要通過大量的現場實踐不斷優(yōu)化。