一种基于膨胀材料的微震传感器装置

1.本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于膨胀材料的微震传感器装置。


背景技术：

2.岩爆是由于岩体的破坏、弹性应变能迅速而猛烈地释放，在临空岩体中发生突发式破坏的现象，对地下工程的安全构成了严重威胁。近年来，随着岩土工程施工深度和强度的增加，发生岩爆的频率越来越高。传统的深部岩体稳定性研究方法包括现场测量、统计方法、数值模拟等，深部岩体的破坏一般通过岩石岩性、地质构造、地压、围岩应力集中等因素进行评价。然而，这些研究并未确定深部岩体微裂隙的萌生、扩展和贯通的时空趋势。岩石的微断裂是岩石宏观变形甚至破坏的前兆特征。因此，需要微震监测技术来研究深部岩体微裂隙的演化，揭示其破坏的内在机制。
3.施工现场噪音较多，微震监测的加速度传感器需要安装在施工附近的岩体的钻孔内。通常先在小纸杯底部钻孔，用螺丝和金属垫片将纸杯固定在传感器尾部，然后将搅拌均匀的水泥锚固剂或树脂锚固剂装满小纸杯，再用安装杆将传感器送入孔底，并用力将纸杯内锚固剂挤出，传感器在锚固剂凝固后粘结在孔底，取出安装杆。在两种情况下需要取出传感器：1当传感器出现监测问题时，需要将传感器从洞中拿出来进行检修。2随掌子面推进，当传感器与掌子面的距离大于传感器的监测范围时，需要将传感器不断向前移动。通常只能使用安装杆将传感器拧出，但是由于水泥锚固剂或树脂锚固剂将传感器固定在孔内很难取出，每个传感器价格昂贵，一旦取不出传感器大大的增加了微震监测的费用，既浪费时间、资金，又影响监测质量，耽误工人施工。
4.近年来，出现了一些微震传感器的安装装置和方法，如使用气囊或膨胀剂固定传感器后用水泥固定底座，或者在传感器外增加套筒后用水泥固定，但这些方法未能在工程中得到推广，主要还存在一些问题：1气囊固定传感器时影响传感器与岩体接触，进而影响监测效果。2普通传感器只有顶部能接受信号，灵敏度差且易受方向影响。3依然使用锚固剂的加固，浪费大量的耗材。4施工工序过于复杂，施工人员不易操作。5当传感器出现问题时，检修非常困难，有时只能重新安装新传感器。6传感器安装处的岩体发生变形时，锚固失效影响监测。7在孔内传感器与锚固剂的偶合很难控制，接触不良时影响监测信号质量。8施工扰动使传感器附近不断震动，导致传感器与锚固剂或者锚固剂与岩体容易脱离，影响监测信号质量。9使用膨胀剂固定时，一般膨胀剂影响监测信号质量，且膨胀能力弱、固定效果差，在受到施工扰动时容易失去膨胀作用。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于膨胀材料的微震传感器装置，该装置使用改良膨胀土代替传统膨胀剂，保障了监测信号质量；改良后改良膨胀土的膨胀能力和强度得到了提高，不会受到施工扰动的影响；除了顶部探头外，传感器周围加了探层，所以不只有顶部能接受信号，周围也可以接收信号，提高了传感器的灵敏度，且消
除方向性的影响。
6.技术方案如下：
7.一种基于膨胀材料的微震传感器装置，包括：安装杆、把手、测力表、导线、传感器、探头、弹力仓、内壳、外壳、膨胀层、弹力层、探层、弹簧、滑槽、卡杆，所述安装杆一端与所述所述把手连接、另一端与所述传感器一端连接，所述传感器另一端与所述弹力仓连接，所述探头与所述弹力仓连接，所述传感器外围由内往外依次设置内壳、探层、膨胀层、外壳、弹力层，所述安装杆上设置所述测力表，所述测力表通过所述导线分别与所述探层、弹力仓连接，所述膨胀层内设置若干所述弹簧，所述弹簧一端连接所述内壳、另一端连接所述外壳，所述外壳与所述滑槽可滑动连接，所述卡杆与所述安装杆连接。
8.进一步的，所述膨胀层填充膨胀土，所述膨胀土通过x射线衍射获得如下矿物组成成分以及占比：其中石英占67.13％，方解石占30.27％，蒙脱石占2.6％。
9.进一步的，还包括用于延长所述安装杆的伸缩节，所述伸缩节安装在所述安装杆上。
10.进一步的，还包括进水管、输水泵、出水管、抽水泵，所述进水管、出水管均连接至所述膨胀层，所述输水泵安装在所述进水管上，所述出水管安装在所述出水管上。
11.进一步的，还包括电缆，所述电缆一端连接所述传感器、另一端连接数据采集中心。
12.本发明的有益效果是：
13.本发明所述的基于膨胀材料的微震传感器装置具有以下有益效果：
14.1.使用改良膨胀土代替传统膨胀剂，保障了监测信号质量；
15.2.改良后改良膨胀土的膨胀能力和强度得到了提高，不会受到施工扰动的影响；
16.3.除了顶部探头外，传感器周围加了探层，所以不只有顶部能接受信号，周围也可以接收信号，提高了传感器的灵敏度，且消除方向性的影响；
17.4.不需要使用锚固剂，不浪费耗材，节约成本；
18.5.施工工序非常简单，施工人员易操作；
19.6.当传感器出现问题时，检修非常简单，不需要重新安装新传感器；
20.7.当传感器安装处的岩体发生变形时，装置的膨胀系统会自动调整，保证了持续监测，不会出现接触不良的现象；
21.8.测力系统可以观察到传感器与孔壁的接触情况，保证传感器与孔壁充分接触。
附图说明
22.图1为本发明微震传感器装置整体结构图；
23.图2为本发明微震传感器装置局部俯视图；
24.图3为干密度为1.5g/cm3下改良土的无荷载膨胀率示意图；
25.图4为干密度为1.6g/cm3下改良土的无荷载膨胀率示意图；
26.图5为干密度为1.7g/cm3下改良土的无荷载膨胀率示意图；
27.图6为改良土最大无荷载膨胀率示意图；
28.图7为干密度为1.5g/cm3下轴向应力与轴向应变的关系示意图；
29.图8为干密度为1.6g/cm3下轴向应力与轴向应变的关系示意图；
30.图9为干密度为1.7g/cm3下轴向应力与轴向应变的关系示意图；
31.图10为改良土抗压强度示意图；
32.图中附图标记如下：其中：1.安装杆、2.把手、3.伸缩节、4.测力表、5.导线、6.传感器、7.探头、8.弹力仓、9.内壳、10.外壳、11.膨胀层、12.弹力层、13.探层、14.弹簧、15.滑槽、16.卡杆、17.进水管、18.输水泵、19.出水管、20.抽水泵、21.电缆、22.孔壁。
具体实施方式
33.下面结合附图1
‑
10对做进一步说明。
34.实施例1
35.一种基于膨胀材料的微震传感器装置，包括：安装杆1、把手2、测力表4、导线5、传感器6、探头7、弹力仓8、内壳9、外壳10、膨胀层11、弹力层12、探层13、弹簧14、滑槽15、卡杆16，所述安装杆1一端与所述所述把手2连接、另一端与所述传感器6一端连接，所述传感器6另一端与所述弹力仓8连接，所述探头7与所述弹力仓8连接，所述传感器6外围由内往外依次设置内壳9、探层13、膨胀层11、外壳10、弹力层12，所述安装杆1上设置所述测力表4，所述测力表4通过所述导线5分别与所述探层13、弹力仓8连接，所述膨胀层11内设置若干所述弹簧14，所述弹簧14一端连接所述内壳9、另一端连接所述外壳10，所述外壳10与所述滑槽15可滑动连接，所述卡杆16与所述安装杆1连接。
36.进一步的，所述膨胀层11填充膨胀土，所述膨胀土通过x射线衍射获得如下矿物组成成分以及占比：其中石英占67.13％，方解石占30.27％，蒙脱石占2.6％。
37.进一步的，还包括用于延长所述安装杆1的伸缩节3，所述伸缩节3安装在所述安装杆1上。
38.进一步的，还包括进水管17、输水泵18、出水管19、抽水泵20，所述进水管17、出水管19均连接至所述膨胀层11，所述输水泵18安装在所述进水管17上，所述出水管19安装在所述出水管19上。
39.进一步的，还包括电缆21，所述电缆21一端连接所述传感器6、另一端连接数据采集中心。
40.参见图1，
41.安装杆1上包括把手2、伸缩节3、测力表4、卡杆16，内部有导线5，作用是将装置放入/拿出孔内。
42.把手2方便拿起装置。
43.伸缩节3可以伸缩和延长，调整装置在孔内的位置。
44.测力表4测量弹力仓8和弹力层12的压力大小，判断装置与孔壁22的接触情况。
45.导线5将弹力仓8和弹力层12的压力大小传输到测力表4。
46.传感器6连接安装杆1，收集探头7和探层13接收的信号，通过电缆21传输到数据采集中心。
47.探头7安装在传感器6上，主要接收孔壁前侧信号。
48.弹力仓8在探头7上，可以自动调整探头7位置；弹力仓8具有弹性，能伸缩。由于正常振动后可能有间隙，影响接收信号，这时候弹力仓8可进行自动调整。
49.由传感器6向外依次为内壳9、探层13、膨胀层11、外壳10、弹力层12。
50.膨胀层11内部为纳米石墨粉改良后的膨胀土，提供膨胀力。
51.弹力层12在外壳10上，可以自动调整传感器周围与孔壁22的接触。
52.探层13接收孔壁22周围信号。探层13类似于探头都用于接收信号，探层13里面设有多个接收点。
53.弹簧14连着内壳9和外壳10，它的作用是当回收装置时，膨胀层11收缩，弹簧14拉着外壳10收缩。
54.滑槽15的作用是外壳10在收缩和扩张时沿着滑槽15移动，且保证了装置内部的密封性。
55.卡杆16的作用是将装置卡在内壁22上，避免装置前后移动。
56.进水管17和出水管19连接膨胀层11，进水管17和出水管19上分别有输水泵18和抽水泵20，负责控制膨胀层11内的进出水。
57.电缆21连接传感器6，负责将采集的数据输送到数据采集中心进行分析处理。
58.安装时：拿着把手2将传感器装置放进预制好的孔洞中，当洞比较深时可延长安装杆1的伸缩节3，将探头7紧贴前面的孔壁22，此时弹力仓8会被压缩，弹力仓8通过导线5将力的大小反映给测力表4，测力表4会显示一定大小的数值，当测力表4的数值达到预定值后说明探头7与前孔壁22紧贴。这时调整卡杆16，使卡杆16卡在孔壁22两侧，保证装置不会前后移动。
59.将进水管17放入水中，关闭出水管19，打开输水泵18向膨胀层11输水，当改良土遇水后会发生膨胀，外壳10会沿着滑槽15向孔壁22移动，外壳10外侧的弹力层12随外壳10一起向孔壁22移动，在膨胀力的作用下弹簧14会被拉长，当弹力层12与孔壁22接触后会被压缩，压力通过导线5传到测力表4，当测力表4达到一定数值后说明装置与孔壁22完全接触。关闭输水泵18，收起进水管17，调整伸缩节3，安装完成。
60.当发生微破裂时，顶部的探头7和在内壳9上的探层13都能接收信号，提高了传感器灵敏度，接收到的信号依次传给传感器6、电缆21，再到数据采集中心进行分析处理。
61.回收时：采集一段时间后，随着掌子面不断向前推移，微震传感器装置需要向前移动，或者当传感器出现问题时需要检修，此时需要拆卸微震传感器装置。打开出水管19和抽水泵20进行吸水，膨胀层11内部的改良土失水收缩，弹簧14拉着外壳10、弹力层12沿着滑槽15进行收缩，此时，弹力层12压力减小，测力表4数值减小，当测力表4数值为0时说明弹力层12脱离孔壁22。关闭抽水泵20，收起出水管19。
62.然后拆卸卡杆16，弹力仓8压力减小，测力表4数值减小，当测力表4数值为0时说明弹力仓8没有被压缩，探头7与孔壁22没有接触。此时，拿着把手2将微震传感器装置取出即可。
63.实施例2
64.作为一种新的实施例或者是对实施例1中膨胀层部分所用材料的补充。
65.一种基于膨胀材料的微震传感器装置，该装置包括五个系统，分别为控水系统、膨胀系统、采集系统、安装系统、测力系统。
66.(1)控水系统包括：进水管17；输水泵18；出水管19；抽水泵20。
67.(2)膨胀系统包括：内壳9；外壳10；膨胀层11；弹簧14；滑槽15。
68.(3)采集系统包括：传感器6；探头7；探层13；电缆21。
69.(4)安装系统包括：安装杆1；把手2；伸缩节3；卡杆16；孔壁22。
70.(5)测力系统包括：测力表4；导线5；弹力仓8；弹力层12。
71.其中针对膨胀层中的膨胀材料(膨胀性强度)说明如下：
72.1、目的
73.安装微震传感器时需要高强度和高膨胀率的膨胀材料，因为强度增加可以抗扰动能力，膨胀率增加可以使传感器安装更牢固，且这种材料不能影响传感器接受信号的质量。为了寻找一种用于安装微震传感器的膨胀材料，本发明使用纳米石墨粉改良膨胀土。
74.2、材料
75.通过x射线衍射(xrd)得到了膨胀土的矿物组成，其中石英占67.13％，方解石占30.27％，蒙脱石占2.6％。蒙脱石为膨胀土的主要膨胀矿物。
76.纳米石墨粉的纯度为99.9％，纳米石墨粉体积小，表面能高，比表面积大，表面原子和挂键数量多，化学活性大大增强。与普通石墨粉相比，它具有吸附、耐磨、润滑、磁性、催化性能、稳定性和高导电性等优良性能。
77.3、试验方案
78.在膨胀土中加入纳米石墨粉，得到不同质量分数(0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％和2.5％)的混合样品。然后将蒸馏水喷洒至最佳含水率20.95％，搅拌均匀，装入塑料袋密封24小时，使其充分混合。获得了改良土样品。
79.(1)无荷载膨胀率试验
80.分别称量改良土108.86g、116.11g、123.37g，然后将不同质量的土壤样品压入环刀中，依次得到干密度分别为1.5g/cm3、1.6g/cm3和1.7g/cm3的环刀样品。将环刀样品安装在固结仪上，注入蒸馏水。记录了改良土在48h内膨胀率的变化。
81.(2)无侧限抗压强度试验
82.将质量分别为174.17g、185.78g、197.39g的改良土样品在取样器中分6层压实。用干密度分别为1.5g/cm3、1.6g/cm3和1.7g/cm3制备直径为39.1mm、高度为80mm的圆柱形样品，然后饱和。在样品的两端涂上一层薄薄的凡士林，将样品放置在无侧限压缩仪器的底座上，随着底座缓慢上升，样品与压缩板接触。测力计读数被调整到零，最后加压直到样品被破坏。
83.4、测试结果
84.(1)无荷载膨胀率试验
85.不同干密度下改良土的无荷载膨胀率如图3
‑
5所示。在图3
‑
5中，本发明将48小时对应的无荷载膨胀率定义为最大无荷载膨胀率。纳米石墨粉含量与膨胀土最大无荷载膨胀率的关系曲线如图6所示。
86.从图3
‑
5可以看出，不同干密度和不同纳米石墨粉用量下，膨胀土的无荷载膨胀率随时间变化。改良土样浸泡后的自由膨胀势良好。所有改良土样的膨胀率在5h内都相对稳定。不同干密度膨胀土的无荷载膨胀率在加入纳米石墨粉后均有所提高。与纳米石墨粉含量增加的规律不同。当加入1.5g/cm3的干密度时，0.5％和1.0％的溶胀率随时间的变化趋势相同，其他投加量称为逐步变化。当干密度为1.6g/cm3时，纳米石墨粉的加入使膨胀土的膨胀率发生了明显的变化。改良土的非载膨胀率随纳米石墨粉含量的增加而降低。当干密度为1.7g/cm3时，曲线间距均减小。干密度越大，纳米石墨粉含量对膨胀土无荷载膨胀率的
影响越小。
87.由图6可知，干密度越大，改良土的最大无荷载膨胀率越大。在相同体积下，干密度越大，亲水性矿物越多，吸水率越显著。干密度1.5g/cm3和1.6g/cm3的最大膨胀率随纳米石墨粉含量的变化波动显著。两种干密度下改良土的最大膨胀率差异不大。在干密度为1.5g/cm3的条件下，纳米石墨粉含量为2.5％时膨胀率达到最大值，比未添加纳米石墨粉的膨胀土膨胀率高93.88％。当干密度为1.6g/cm3和1.7g/cm3时，纳米石墨粉含量为0.5％时膨胀率最高，分别提高了82.8％和19.81％。当干密度为1.7g/cm3时，最大膨胀比随纳米石墨粉含量的变化较为稳定，说明在此干密度下，纳米石墨粉对膨胀土的膨胀性影响不大。此时，干密度对膨胀土最大膨胀比的影响比纳米石墨粉显著得多。
88.(2)无侧限抗压强度试验
89.以轴向应力为纵坐标，将轴向应力为横坐标。绘制轴向应力与轴向应变的关系曲线，如图7
‑
9所示。以曲线上的最大轴向应力作为无侧限抗压强度。改良土抗压强度随纳米石墨粉含量的拟合曲线如图10所示。
90.由图7
‑
9可知，以峰值强度作为土样的无侧限抗压强度，加入纳米石墨粉后，膨胀土的无侧限抗压强度有所提高。当干密度为1.5g/cm3和1.6g/cm3时，抗压强度最高为1.5％，分别提高了136.544％和67.459％。当干密度为1.7g/cm3时，掺量为1.0％时抗压强度最高，增加了41.054％。随着干密度的增加，不同纳米石墨粉用量下的土壤峰值强度差值逐渐减小。干密度越显著，纳米石墨粉对膨胀土抗压强度的增强作用越弱。
91.由图10可知，随着纳米石墨粉含量的增加，膨胀土抗压强度呈指数变化(exp)。干密度与抗压强度成正比。随着纳米石墨粉含量的增加，抗剪强度先增大后减小。干密度为1.5g/cm3时，掺量为1.519％，抗压强度y
max
＝271.239kpa。当干密度为1.6g/cm3时，抗压强度y
max
＝331.292kpa，当干密度为1.7g/cm3时，抗压强度y
max
＝1.306％，抗压强度y
max
＝444.522kpa。当膨胀土干密度不确定时，三种干密度的最优掺量为1.450％作为最终的纳米石墨粉改善膨胀土的最优掺量。当最佳掺量为1.450％时，干密度为1.5g/cm3、1.6g/cm3和1.7g/cm3时，膨胀土抗压强度分别为270.697kpa、330.961kpa和442.748kpa，分别提高了127.773％、59.132％和41.821％。
92.综上所述，纳米石墨明显提高膨胀土的膨胀率和强度，可以结合实验结果在不同的安装环境下改变膨胀土的干密度与纳米石墨粉的掺量，调整膨胀力和强度。
93.本发明主要创新点是：(1)改性后的膨胀土强度和膨胀率增加，强度增加可以抗扰动，膨胀率增加可以使传感器安装更牢固。(2)传感器按装简单、便于回收，也不需要用加固水泥。(3)传感器更灵敏。
94.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。