一种可回收式钻孔应力监测装置及监测方法技术领域
本发明属于矿山开采压力监测领域，具体涉及一种可回收式钻孔应力监测
装置及监测方法。
背景技术
矿山井下开采将迫使围岩应力由原来的空间三维分布变为二维分布，即引
起围岩应力重新分布。实践表明，科学认识并掌握开采引起的应力分布及影响
范围，对于冲击地压的预测及防治具有至关重要作用。因开采引起的深部围岩
应力变化通常借助钻孔应力计来反映，因此，钻孔应力计的研制对于深部开采
冲击地压灾害区域应力的监测具有实际意义。
发明专利“一孔多点测量的钻孔应力计”(申请号：200710120070.0)是将液
压油缸与压力传感器连接，将多个钻孔应力计依次放置于安装导轨中预定位置，
并用同一根总输油管并行连接所有钻孔应力计的单向阀，连同安装导轨一起送
入钻孔内，保证敏感的柱塞始终垂直于水平面。达到预定位置后抽出安装导轨，
往每个压力油缸中注油使柱塞升起至与钻孔顶壁接触良好后停止注油，钻孔应
力计开始正常工作，实现同时在一个钻孔内多点测量位置安装并测试。该发明
结构实现了一孔多点测量，减少了工作量，节省了人力、物力。但该结构作为
将刚性液压油缸与压力传感器连接，由于液压油缸刚度与钻孔围岩不匹配，加
上有时压力变化并不十分明显，因此很难保证及时准确监测，监测效果准确性
有待进一步验证，此外，该装置虽能实线一孔多点测量，但是无法回收再利用，
在大面积使用时，成本投入较高。
发明专利“柔性矿山压应力监测压力枕、监测装置及其监测方法”(申请号：
201110036482.2)用柔性的压力枕代替传统的刚性压力枕，这种柔性压力枕充压
后与孔壁紧密接触，在监测煤岩体压应力时，只要岩体稍微有压力，就可捕捉
到，解决了读数不准确和丢失情况，以及压力枕不灵敏的问题。该发明结构可
对压力变化及时捕捉，但受钻孔应力计复杂结构及现场施工难易程度影响，目
前通常是一个钻孔安装一个钻孔应力计，无法实现一点多孔监测，此外，该装
置虽能及时捕捉变化的压力，但是无法回收再利用，在大面积使用时，成本投
入较高。
发明内容
针对现有技术中的钻孔应力计监测不灵敏，施工复杂、成本高、效率低以
及不可回收等问题，提出了一种可回收式钻孔应力监测装置及监测方法。
本发明采用如下技术方案：一种可回收式钻孔应力监测装置，包括钻进装
置、与其输入端相连的感应装置、外部储油装置和外部存储装置；
所述钻进装置包括矿用地质钻机、与其输出端相连的钻杆和与钻杆内螺纹
相连的若干根相拼接的探杆；所述探杆上等距设置有3-4个椭圆形漏孔；
所述感应装置包括在椭圆形漏孔内设置的椭圆形液压胶囊；所述探杆一侧
内壁上设置有卡槽，卡槽内安装有液压千斤顶，液压千斤顶侧表面设置有防止
与探杆脱离的卡凸，探杆卡槽内设置有与卡凸相对应的固定块；液压千斤顶的
顶端与液压胶囊外部的螺纹套件相焊连；螺纹套件内部设置有感应液压胶囊压
力的压力传感器；
所述外部储油装置包括电动油泵站和外部储油器；所述的电动油泵站通过
进油管路分别与液压千斤顶和液压胶囊相连；所述液压千斤顶和液压胶囊分别
通过出油回路与外部储油器相连；所述的进油管路上设置有进油控制阀，出油
回路上设置有单向出油控制阀；
所述外部存储装置为具有存储记忆功能的数显应力表，数显应力表的输入
端与感应装置中的钻杆、探杆和压力传感器内部的数据输出线相连。
优选方案如下：
漏孔的相邻间距为50-55cm。方便监测数据变化。
漏孔部位设置有防止液压胶囊滑脱的防脱箍。高强度橡胶皮囊作为压力传
感装置，能够及时捕捉变化的压力，灵敏度高，监测效果好。
一种可回收式钻孔应力监测装置的监测方法，步骤如下：
(1)组装本监测装置，矿用地质钻机将探杆送入指定钻孔深度处；
(2)打开所有进油控制阀，启动电动油泵站，液压油通过液压千斤顶进油
管路注入液压千斤顶，液压千斤顶带动其顶部的液压胶囊从椭圆形漏孔中顶出；
同时，向液压胶囊内注入液压油后，将压力传导到压力传感器上，并通过数据
输出线输出到数显应力表上显示出来；待液压胶囊从椭圆形漏孔移出后，关闭
液压千斤顶进油管上的进油控制阀；同时观察外部数显应力表的数值变化，当
压力传感器传导过来的压力达到设定值时，关闭电动油泵站，并同时关闭液压
胶囊进油管路上的进油控制阀，进入钻孔应力监测状态，并记录数显应力表数
值变化；
(3)待监测结束，打开所有出油控制阀，则液压胶囊和液压千斤顶内的液
压油经出油回路流入外部储油器，液压胶囊随液压千斤顶的回缩而退入探杆内，
恢复原位；
(4)控制矿用地质钻机，将探杆从钻孔中移出，完成回收。
优选方案如下：
步骤(2)中P0为2-3MPa。
监测结束后，可根据采煤工作面的推进，从数显应力表上显示并记录钻孔
应力的变化情况，以工作面距监测钻孔距离为横坐标，钻孔应力读数为纵坐标，
绘制二者关系曲线，进一步分析研究钻孔应力的变化情况。
本发明具有如下有益效果：可根据监测要求将多根探杆串联组合使用，实
现一孔多点测量，减少了钻孔数量，降低了工人劳动强度，提高了探测效率。
本发明不仅适用于深部矿井开采钻孔应力监测，对于浅部开采钻孔应力监测同
样有效，具有可回收重复使用、监测灵敏度高、安装操作简单、效率高等优点，
便于大规模推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施
例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描
述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出
创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中装置整体结构示意图；
图2是本发明装置中漏孔放大示意图；
图3是本发明装置中液压千斤顶与探杆装配剖视图；
图4是本发明方法中进油管路和出油回路示意图；
图5是本发明中液压胶囊加压后与钻孔壁接触示意图；
图6是本发明实施例1中1#测站距离-应力曲线图；
图7是本发明实施例1中2#测站距离-应力曲线图；
图8是本发明实施例1中3#测站距离-应力曲线图。
图中，1-矿用地质钻机，2-钻杆，3-电动油泵站，4-探杆，5-漏孔，6-液压
胶囊，7-防脱箍，8-液压千斤顶，9-卡凸，10-外部储油器，11-螺纹套件，12-压
力传感器，13-数据输出线，14-数显应力表，15-液压胶囊输油管线，16-液压千
斤顶输油管线，17-固定块，201、202-进油控制阀，203，204-出油控制阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1：
待监测处的地质条件：某矿目前可采煤层为7#、8#、11-1#、12-2#煤层。具
体情况如下：
(1)7#煤层位于煤系中部，直接顶多为砂质泥岩，基本顶以粉、细砂岩为
主，局部含有中粗砂岩；
(2)8#煤层距7#煤层间距15m左右，其老顶河北区由粉砂岩和中粗砂岩
组成，向西渐变为粉、细砂互层；
(3)11#煤位于煤系下部，距8#煤层间距35m左右。煤层层位稳定，结构
较简单。顶板以细砂岩为主，组织致密、胶结良好、抗压强度较高，煤系地层
为侏罗系大同组，煤层具有灰分低，挥发分高的特点，煤质单一，为良好的优
质动力煤；11#8709工作面面长160m，煤厚2.8m左右，工作面采用走向长壁后
退式全部垮落法综合机械化开采。
为研究多煤层开采下11#工作面矿山压力显现规律，采用本发明进行实施。
首先布置测站，在采煤工作面前方50m轨道巷处布置第一测站，距第一测
站30m处布置第二测站，距第二测站30m处布置第三测站，每个测站均朝向煤
壁打钻，安装可回收式钻孔应力监测装置并采用本发明中提供的监测方法进行
监测。
一种可回收式钻孔应力监测装置，包括钻进装置、与其输入端相连的感应
装置、外部储油装置和外部存储装置；
所述钻进装置包括矿用地质钻机1、与其输出端相连的钻杆2和与钻杆2内
螺纹相连的3根相拼接的探杆4；所述探杆4上等距设置有4个椭圆形漏孔5；
所述感应装置包括在椭圆形漏孔5内设置的椭圆形液压胶囊6；所述探杆4
一侧内壁上设置有卡槽，卡槽内安装有液压千斤顶8，液压千斤顶8侧表面设置
有防止与探杆脱离的卡凸9，探杆卡槽内设置有与卡凸9相对应的固定块17；
液压千斤顶8的顶端与液压胶囊6外部的螺纹套件11相焊连；螺纹套件11内
部设置有感应液压胶囊6压力的压力传感器12；
所述外部储油装置包括电动油泵站3和外部储油器10；所述的电动油泵站
3通过进油管路分别与液压千斤顶8和液压胶囊6相连；所述液压千斤顶8和液
压胶囊6分别通过出油回路与外部储油器10相连；所述的进油管路上设置有进
油控制阀，出油回路上设置有单向出油控制阀；
所述外部存储装置为具有存储记忆功能的数显应力表14，数显应力表14的
输入端与感应装置中的钻杆2、探杆4和压力传感器12内部的数据输出线13相
连。
漏孔5的相邻间距为55cm。方便监测数据变化。
漏孔5部位设置有防止液压胶囊6滑脱的防脱箍7。高强度橡胶皮囊作为压
力传感装置，能够及时捕捉变化的压力，灵敏度高，监测效果好。
一种可回收式钻孔应力监测装置的监测方法，步骤如下：
(1)组装本监测装置，矿用地质钻机1将探杆4送入指定钻孔深度处；
(2)打开所有进油控制阀202和203，启动电动油泵站3，液压油通过液
压千斤顶进油管路15注入液压千斤顶8，液压千斤顶8带动其顶部的液压胶囊
6从椭圆形漏孔中顶出；同时，向液压胶囊6内注入液压油后，将压力传导到压
力传感器12上，并通过数据输出线13输出到数显应力表14上显示出来；待液
压胶囊6从椭圆形漏孔移出后，关闭液压千斤顶进油管16上的进油控制阀202；
同时观察外部数显应力表14的数值变化，当压力传感器12传导过来的压力达
到设定值3MPa时，关闭电动油泵站3，并同时关闭液压胶囊进油管路15上的
进油控制阀203，进入钻孔应力监测状态，并记录数显应力表14数值变化；
(3)待监测结束，打开出油控制阀201和204，则液压胶囊6和液压千斤
顶8内的液压油经液压胶囊输油管线15和液压千斤顶输油管线16的出油回路
流入外部储油器10，液压胶囊6随液压千斤顶8的回缩而退入探杆4内，恢复
原位；
(4)控制矿用地质钻机1，将探杆4从钻孔中移出，完成回收。
监测结束后，根据采煤工作面的推进，从数显应力表14上显示并记录钻孔
应力的变化情况，以工作面距监测钻孔距离为横坐标，钻孔应力读数为纵坐标，
绘制二者关系曲线(如附图6、7、8所示)进一步分析研究钻孔应力的变化情
况。由图可知：
(1)工作面距测站超过45m时，煤柱内的应力基本保持稳定；
(2)距测站小于45m时，随着工作面的推进，煤柱内的应力逐渐增大；
(3)当距测站8-23m时，煤柱内的应力达到最大，随后，煤柱内的应力逐
渐减小。
(4)由此可知，8709工作面超前支承压力影响范围为工作面前方0-45m，
峰值位于工作面前方8-23m范围内。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或停
换，也应属于本发明的保护范围。