弹簧式声发射传感器安装装置的制作方法

本发明属于工程建设中的岩石(体)工程安全监测技术领域，涉及一种弹簧式声发射传感器安装装置。

背景技术：

工程建设中的矿山岩石(体)变形破坏，特别是岩爆动力灾害，会直接危及工程的安全建设，甚至会造成灾难性影响，因此对岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害进行有效监测和预报，是工程安全建设的重要内容之一。目前，声发射作为无损监测的一种重要手段，被用于工程建设中的岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害的监测与预报。

在地下工程围岩开挖建设过程中，为了对可能出现的围岩变形破坏和动力灾害进行准确预测，声发射传感器需要在工程开挖前预先呈三维空间分布的形式布置在被监测的围岩区域，并且布置的传感器数量越多，监测效果相对越准确。

在具体实现方式中，需要在岩石(体)开挖前，利用钻机在石(体)中钻孔，钻孔深度随工程埋深、被监测范围增加而增加；然而钻孔越深，声发射传感器安装越困难。目前，声发射传感器安装方式主要包括以下几种：

(1)在工程现场，直接将声发射探头放在钻孔中，依靠钻孔中残留的液体介质(如水)作为岩体和声发射探头之间信号传输的介质，声发射探头将接收到的探测信号通过线缆传输到地面监测系统；但这种方法存在以下弊端：①这种实现方式仅适合于方向向下的钻孔，而对于完全水平或向上有一定角度的钻孔，由于难以贮存介质而不适用；即使对于向下的钻孔，仍需要钻孔周围的岩体相对完整，从而避免传输介质从钻孔裂隙流失或渗出，确保声发射探头始终处于传输介质中，但是现场实际情况却较难达到该要求，从而影响监测效果；②虽然岩体与声发射探头之间的液体可以作为信号传输的耦合介质，但液体的密度一般相对较低，其信号传输效果不如直接将声发射探头与岩壁有效接触所接收到的探测信号。

(2)为了确保放置在钻孔中声发射探头与钻孔壁之间有效耦合，在工程现场还可采用向钻孔内浇注水泥，使声发射探头和岩壁被浇注为一个整体，这种方法虽然可以解决探测信号的有效传输问题，但仍存在以下缺陷：①浇注后的声发射探头不可回收，导致监测成本过高；②若浇注后发现声发射探头无信号或信号不好，无法进行检查或调整，只能重新钻孔和安装新的声发射探头，不仅导致监测成本过高，而且还导致延长工程进度，甚至延误工期；③向钻孔内注入水泥浆，因钻孔较深，一方面声发射探头安装部位的注浆效果难以保障，可能会出现声发射探头安装部位未能有效注浆的情况，从而导致声发射探头未与岩壁有效耦合而无监测信号；另一方面钻孔越深，浇注的水泥凝固后的总收缩变形量越大，与水泥粘接在一起的声发射探头的信号传输线缆会因水泥收缩变形而承受拉力，导致不能有效传输信号；④开挖过程中的炸药放炮，可能会使注浆面与岩壁面松弛，导致监测信号传输的有效性降低；⑤钻孔内通常比较潮湿，浇注后水泥浆凝固需要较长周期，会导致施工期限延长；且安装过程费时、费力，需要一系列专业注浆设备和注浆人员，从而进一步增加监测成本。

(3)另一种实现方式是采用简易固定安装装置，将声发射探头固定在装置内部，然后用刚性的不可活动的金属传输杆将固定装置送至安装部位后，用压力将声发射探头顶出后与钻孔岩壁接触，实现固定，其优点是实现了非注浆浇注情况下声发射探头与岩壁的接触，但仍存在以下缺点：①这种方式由于固定安装装置与钻孔孔壁之间的距离很近，因此需要固定安装装置与钻孔基本为同心结构，且需要孔壁光滑，但实际施工中这些要求难以保障；②由于固定安装装置尺寸较大，只适用于直径较大的钻孔，导致钻孔成本升高；③整个传输杆和安装装置在钻孔中是通过用力硬性插入到钻孔中，不仅摩擦力大，容易磨坏线缆或声发射探头，还容易被卡到钻孔中，无法送至需要安装的部位；④由于是将固定安装装置通过外力，将其硬性插入钻孔中，因此安装过程不仅费时费力，而且工作效率极低；⑤因钻孔孔壁为圆柱形面，而声发射探头端面为平面，如何确保声发射探头端面有效与钻孔孔壁耦合，也是实际应用中需解决的难题。

基于上述各种实现方式中存在的弊端和缺陷，导致声发射探测在岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害监测的应用推广过程中受到一定限制。

因而，如何便捷、有效地将声发射探头安装在钻孔中，并使安装后的声发射探头有效与孔壁耦合，仍是目前现场监测和研究的难点，缺乏相关测试方法和技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的旨在针对现有技术中的不足，提供一种弹簧式声发射传感器安装装置，不仅安装方便，而且易于使声发射探头与钻孔孔壁实现有效耦合，确保声发射探头探测信号的有效性。

本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置，包括套筒组件、导向组件、端盖、弹簧、限位销和用于与传送装置组合的连接组件；所述套筒组件由探头套筒和弹簧套筒组成，探头套筒为下端封闭、上端开口的筒体，探头套筒的内孔与声发射探头为间隙配合，下端面为与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面，上端筒壁设置有供声发射探头的线缆接头伸出的一个或两个槽口，若为两个槽口，两槽口相对于探头套筒的中心线呈轴对称分布，簧套筒为下端封闭、上端开口的筒体，其数量为两个，两弹簧套筒相对于探头套筒的中心线呈轴对称固定在探头套筒外壁，且两弹簧套筒的中心线在水平面投影的连线与所述槽口的中心线在水平面的投影垂直；所述端盖为与探头套筒上端面的形状和尺寸匹配的板状体，或者端盖由盖板和盖板顶面设置的连接件构成，盖板与探头套筒上端面的形状和尺寸匹配，连接件上设有供限位销穿过的过孔；所述导向组件由支承板和两根上部段设置有轴肩的导向杆构成，若端盖为板状体，支承板为顶面与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面、底面是平面的结构，两根导向杆的轴肩之上部段设置有第二插销孔，两弹簧套筒的上端设置有第一插销孔，若端盖由盖板和盖板顶面设置的连接件构成，支承板为顶面与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面、底面为平面的结构，且支承板中心部位设置有与端盖连接件形状和尺寸匹配的中心孔，该中心孔的孔壁设置有第三插销孔，两根导向杆的轴肩之上部段和两弹簧套筒的上端均不再设插销孔，两根导向杆相对于支撑板的中心线呈轴对称固定在支承板底面，两根导向杆中心线之间的间距与两个弹簧套筒中心线之间的间距相同；所述弹簧的数量为两根，两根弹簧分别装入两个弹簧套筒内，其下端与弹簧套筒的底壁接触；若端盖为板状体，端盖覆盖在探头套筒上端面并与探头套筒为可拆卸式连接，导向组件的两根导向杆分别与两根弹簧组合，它们轴肩的下环面分别与两根弹簧的上端接触，限位销为两根，分别连接有绳索，两根限位销分别插入两弹簧套筒设置的第一插销孔和两导向杆设置的第二插销孔将弹簧套筒与导向杆连接后使两根弹簧处于压缩状态；若端盖由盖板和盖板顶面设置的连接件构成，端盖的盖板覆盖在探头套筒上端面并与探头套筒为可拆卸式连接，导向组件的支承板套装在端盖的连接件上，其底面与端盖的盖板接触，限位销为一根，连接有绳索，限位销插入支承板所设第三插销孔和端盖连接件所设过孔将支承板和端盖连接后使两根弹簧处于压缩状态；所述连接组件为两套，两套连接组件以探头套筒的中心线为对称轴对称安装在探头套筒外壁上，且两套连接组件的中心线在水平面的投影与两个弹簧套筒的中心线在水平面投影的连线垂直。

上述弹簧式声发射传感器安装装置，可以通过多种方式实现套筒组件与导向组件之间的可插拔式连接，本发明采用的具体实现方式包括以下两种：(1)端盖为与探头套筒上端面的形状和尺寸匹配的板状体，导向组件支承板为顶面与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面、底面是平面的结构，两根导向杆的轴肩之上部段设置有第二插销孔，两弹簧套筒的上端设置有第一插销孔；端盖覆盖在探头套筒上端面并与探头套筒为可拆卸式连接，导向组件的两根导向杆分别与两根弹簧组合，它们轴肩的下环面分别与两根弹簧的上端接触，两根限位销分别插入两弹簧套筒设置的第一插销孔和两导向杆设置的第二插销孔，将弹簧套筒与导向杆连接后使两根弹簧处于压缩状态；(2)端盖由盖板和盖板顶面设置的连接件构成，支承板为顶面与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面、底面为平面的结构，且支承板中心部位设置有与端盖连接件形状和尺寸匹配的中心孔，该中心孔的孔壁设置有第三插销孔，两根导向杆的轴肩之上部段和两弹簧套筒的上端均不再设插销孔，两根导向杆相对于支撑板的中心线呈轴对称固定在支承板底面，两根导向杆中心线之间的间距与两个弹簧套筒中心线之间的间距相同；端盖的盖板覆盖在探头套筒上端面并与探头套筒为可拆卸式连接，导向组件的支承板套装在端盖的连接件上，其底面与端盖的盖板接触，限位销插入支承板所设第三插销孔和端盖连接件所设过孔，将支承板和端盖连接后使两根弹簧处于压缩状态。

上述弹簧式声发射传感器安装装置，弹簧套筒上的第一插销孔位于轴肩的上方，这样便可避免弹簧套筒与导向杆对接过程中弹簧浮动所产生的影响。

上述弹簧式声发射传感器安装装置，为了使安装装置与钻孔孔壁的有效接触，从而保证声发射探头信号传输效果，所述探头套筒和支承板均为柱形结构。

上述弹簧式声发射传感器安装装置，连接组件由螺母和至少两副连接支架组成，各连接支架的一端环绕螺母外壁均匀分布并与螺母外壁铰连，各连接支架的另一端与探头套筒外壁固连；这种连接组件可以使安装装置在一定范围内实现小幅度转动，从而进一步保证支承板顶面及探头套筒底部与钻孔孔壁有效耦合接触。

上述弹簧式声发射传感器安装装置，为了便于将与声发射探头连接的线缆引出，所述探头套筒上端筒壁设置的供声发射探头线缆接头伸出的槽口为u型槽口；所述u型槽口的宽度大于声发射探头线缆接头的直径。

上述弹簧式声发射传感器安装装置的工作原理：通过导向组件与套筒组件或端盖可插拔式连接方式，能够将声发射探头锁定在探头套筒内，使装入声发射探头后的安装装置(声发射探头9和安装装置的组合体)的整体尺寸小于被监测岩体钻孔尺寸，便于在钻孔内自由移动，方便安装；将导向组件与套筒组件或端盖连接的限位销拔出，在弹簧弹性作用下，导向组件与套筒组件向相反的两个方向移动，从而使导向组件支承板顶面和套筒组件探头套筒底部分别与钻孔内壁紧密接触，因此可以保证声发射探头与钻孔孔壁的有效耦合，满足声发射探头信号监测的工作条件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置，通过导向组件与套筒组件或端盖之间的可插拔式连接组合，并利用安装在套筒组件弹簧套筒内的弹簧弹性恢复力的作用，可实现对导向组件与套筒组件移动方向的控制，使装入声发射探头后的安装装置整体尺寸可控，从而解决声发射探头有效安装和耦合的难题；

2、本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置，组成安装装置的支承板顶面与探头套筒底部为与钻孔孔壁适配的弧形耦合面，两者与钻孔孔壁的有效接触，从而确保声发射探头与钻孔孔壁的有效耦合，增强对岩石(体)稳定性及岩爆动力灾害的监测与预报可靠性。

3、本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置，由于固连于探头套筒的连接支架与螺母之间是转动连接，探头套筒相对于传送装置在一定范围内可以小幅度转动，不仅可以有助于声发射传感器的传送，而且有助于声发射传感器的安装调节，进一步确保支承板顶面和探头套筒底部与钻孔孔壁有效耦合接触。

4、本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置，还具有结构简单，安装、拆卸方便的特点，达到降低劳动强度，节约大量人力成本的效果。

附图说明

图1为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置中套筒组件、导向组件、端盖、弹簧、限位销的一种组合示意图。

图2为图1的a-a的剖视图。

图3为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置中套筒组件的一种结构示意图；

图4为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置中导向组件的一种结构示意图。

图5为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置中套筒组件与连接组件的组合示意图。

图6为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置中连接组件的连接支架与螺母的连接方式示意图。

图7为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置中套筒组件、导向组件、端盖、弹簧、限位销的又一种组合示意图。

图8为图7的b-b剖视图。

图9为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置中导向组件的又一种结构示意图。

图10为声发射探头的示意图。

图11为图10的俯视图。

图12为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置与传送装置的组合示意图。

图13为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置与声发射传感器的组合体处于安装状态时的示意图。

图14为本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置与声发射传感器的组合体处于检测状态时的示意图。

图中：1、套筒组件，1-1、探头套筒，1-2、弹簧套筒，1-3、第一插销孔，1-4、槽口，2、导向组件、2-1、支承板，2-1-1、中心孔，2-1-2、第三插销孔，2-2、导向杆，2-3、第二插销孔，2-4、轴肩，3、端盖，3-1、盖板，3-2、连接件，3-3、过孔，4、弹簧，5、限位销，6、绳索，7、连接支架，8、螺母，9、声发射探头，9-1、线缆接头，10、传送装置。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述弹簧式声发射传感器安装装置的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例提供的弹簧式声发射传感器安装装置，如图1及图2所示，包括套筒组件1、导向组件2、端盖3、弹簧4、限位销5和用于与传送装置组合的连接组件。

如图1至图3所示，上述套筒组件1包括探头套筒1-1和弹簧套筒1-2；探头套筒1-1为下端封闭、上端开口的筒体，探头套筒的内孔与声发射探头9为间隙配合，下端面为与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面，上端筒壁设置有供声发射探头的线缆接头9-1伸出的一个u型槽口1-4；弹簧套筒1-2为下端封闭、上端开口的筒体，其数量为两个，两弹簧套筒相对于探头套筒的中心线呈轴对称焊接固连于探头套筒外壁，且两弹簧套筒的中心线在水平面投影的连线与槽口1-4的中心线在水平面的投影垂直，两弹簧套筒1-2的上端设置有供限位销5穿过的第一插销孔1-3。

如图3所示，端盖3为与探头套筒1-1上端面的形状和尺寸匹配的板状体。

如图1、图2及图4所示，导向组件2由支承板2-1和两根上部段设置有轴肩2-4的导向杆2-2构成，支承板2-1为顶面与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面、底面是平面的结构，两根导向杆2-2的轴肩之上部段设置有供限位销5穿过的第二插销孔2-3，两根导向杆相对于支撑板的中心线呈轴对称焊接固定在支承板底面，两根导向杆中心线之间的间距与两个弹簧套筒1-2中心线之间的间距相同。

为了便于对限位销5的操作，限位销5系有控制限位销5拔出的绳索6，绳索6的另一端伸出钻孔，本实施例中采用的绳索为钢丝绳。

如图5及图6所示，上述连接组件为两套，两套连接组件以探头套筒的中心线为对称轴对称焊接在探头套筒1-1外壁上，且两套连接组件的中心线在水平面的投影与两个弹簧套筒的中心线在水平面投影的连线垂直。每套连接组件由螺母8和两副连接支架7组成，连接支架7可根据探头套筒1-1与螺母8的大小关系进行弯折，其一端用于与探头套筒1-1组合，另一端与螺母8外壁铰连(见图6)。

如图1、图2、图10至图12所示，上述弹簧式声发射传感器安装装置与声发射探头的组装方式为：将声发射探头9安装在探头套筒1-1内，其涂覆有黄油的一端与探头套筒1-1的底部接触，其电缆接头9-1从探头套筒筒壁设置的u型槽口1-4伸出，两根弹簧4分别装入两个弹簧套筒1-2内，其下端与弹簧套筒的底壁接触；端盖3覆盖在探头套筒1-1上端面并与探头套筒经螺钉固定连接，导向组件的两根导向杆2-2分别与两根弹簧4组合，它们轴肩的下环面分别与两根弹簧的上端接触，两根限位销5分别插入两弹簧套筒设置的第一插销孔1-3和两导向杆设置的第二插销孔2-3，将弹簧套筒与导向杆连接后使两根弹簧4处于压缩状态，即完成声发射探头和安装装置的组装，形成发射探头9和安装装置的组合体。

如图12、图13及图14所示，弹簧式声发射传感器安装装置的使用方法为：通过连接组件的螺母8与传送装置10组合，然后将发射探头9和安装装置的组合体放入钻孔内，推动传送装置的传送杆，将发射探头9和安装装置的组合体送至需要监测的位置，继后牵拉绳索6，拔出限位销5，在弹簧4的弹性力作用下，套筒组件1和导向组件2向相反的方向移动，从而使支承板2-1的顶面和探头套筒1-1的底端分别与钻孔孔壁紧密接触；由于支承板2-1的顶面和探头套筒1-1的底端均为与钻孔孔壁型面适配的圆弧面，从而可以保证两者与钻孔孔壁的有效接触，确保声发射探头所接收信号的有效性和稳定性；此外，连接支架7与螺母8之间铰连，可以使发射探头9和安装装置的组合体在安装过程实现小幅度转动，确保支承板2-1的顶面和探头套筒1-1的底端与钻孔孔壁有效接触。

本实施例中的焊接固连方式，也可以通过螺栓固连方式、一体式固化成型等其它固连方式替代；螺钉固连方式，也可以通过卡扣、磁性连接件等其它可拆卸固连方式替代。

实施例2

本实施例提供的弹簧式声发射传感器安装装置，相对于实施例1，对套筒组件1、导向组件2和端盖3的结构进行了一定的改进，具体结构如图7至图9所示。所述端盖3由盖板3-1和盖板顶面设置的连接件3-2构成，盖板3-1与探头套筒1-1上端面的形状和尺寸匹配，连接件3-2上设有供限位销5穿过的过孔3-3；导向组件的支承板2-1为顶面与被监测岩体的钻孔弧度匹配的圆弧面、底面为平面的结构，且支承板2-1中心部位设置有与端盖连接件3-2形状和尺寸匹配的中心孔2-1-1，该中心孔的孔壁设置有共限位销穿过的第三插销孔2-1-2，两根导向杆2-2的轴肩之上部段和两弹簧套筒1-2的上端均不再设插销孔，两根导向杆相对于支撑板的中心线呈轴对称固定在支承板底面，两根导向杆中心线之间的间距与两个弹簧套筒1-2中心线之间的间距相同。

上述弹簧式声发射传感器安装装置与声发射探头的组装方式为：将声发射探头9安装在探头套筒1-1内，其涂覆有黄油的一端与探头套筒1-1的底部接触，其电缆接头9-1从探头套筒筒壁设置的u型槽口1-4伸出，两根弹簧4分别装入两个弹簧套筒1-2内，其下端与弹簧套筒的底壁接触；端盖的盖板3-1覆盖在探头套筒1-1上端面并与探头套筒经螺钉连接固定，导向组件的支承板2-1套装在端盖的连接件3-2上，其底面与端盖3的盖板接触，限位销5插入支承板所设第三插销孔2-1-2和端盖连接件所设过孔3-3，将支承板和端盖连接后使两根弹簧5处于压缩状态，即完成声发射探头和安装装置的组装，形成发射探头9和安装装置的组合体。

本实施例提供的弹簧式声发射传感器安装装置的使用方法与实施例1相同。