煤礦鉆孔應(yīng)力計(jì)是用于監(jiān)測井下巖體內(nèi)部應(yīng)力變化的關(guān)鍵設(shè)備，主要應(yīng)用于采場周圍、巷道圍巖或斷層帶等區(qū)域，通過實(shí)時(shí)捕捉巖體應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，為預(yù)測沖擊地壓、頂板垮落等地質(zhì)災(zāi)害提供數(shù)據(jù)支持。

其工作原理可從力學(xué)感知、信號(hào)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)輸出三個(gè)核心環(huán)節(jié)解析：

一、核心組成與力學(xué)感知

• 若巖體受壓，壓力會(huì)擠壓探頭的彈性元件（如空心圓柱、活塞式結(jié)構(gòu)），使其發(fā)生微小形變（壓縮或彎曲）；
• 若巖體受拉（少數(shù)情況），彈性元件則會(huì)產(chǎn)生拉伸形變。
  形變的程度與巖體作用于探頭的應(yīng)力大小成正比（在彈性限度內(nèi)遵循胡克定律）。

二、應(yīng)力信號(hào)的轉(zhuǎn)化（基于應(yīng)變效應(yīng)或液壓傳遞）

1. 應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計(jì)（*常用）

• 核心原理：利用金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)。在彈性元件表面粘貼多組應(yīng)變片（金屬箔片或半導(dǎo)體材料），應(yīng)變片通過導(dǎo)線連接成惠斯通電橋電路。
• 轉(zhuǎn)化過程：
  當(dāng)彈性元件因巖體應(yīng)力發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片隨其同步拉伸或壓縮，導(dǎo)致自身電阻值變化（拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減?。?；
  電阻變化打破惠斯通電橋的平衡，輸出與電阻變化量對(duì)應(yīng)的微弱電壓信號(hào)（毫伏級(jí)），該信號(hào)與巖體應(yīng)力呈線性關(guān)聯(lián)。

2. 液壓式鉆孔應(yīng)力計(jì)

• 核心原理：通過液壓油傳遞壓力。探頭內(nèi)充滿液壓油，彈性元件（如金屬膜片）直接與巖體接觸，另一端連接液壓傳感器。
• 轉(zhuǎn)化過程：
  巖體應(yīng)力擠壓彈性膜片，使內(nèi)部液壓油壓力升高，液壓傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（如電壓或電流），進(jìn)而反映巖體應(yīng)力大小。
  此類應(yīng)力計(jì)抗干擾性強(qiáng)，適用于高濕度、高粉塵的井下環(huán)境。

三、信號(hào)處理與數(shù)據(jù)輸出

• 有線傳輸：應(yīng)力計(jì)輸出的原始電信號(hào)（電壓或電流）通過屏蔽電纜傳輸至井下分站或地面監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，直接顯示為應(yīng)力值（單位通常為 MPa）。
• 無線傳輸：部分*應(yīng)力計(jì)內(nèi)置電池和無線模塊（如 LoRa、4G），信號(hào)處理后通過無線方式發(fā)送至接收基站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。
• 校準(zhǔn)與換算：出廠前需通過標(biāo)準(zhǔn)壓力源（如壓力試驗(yàn)機(jī)）對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，建立 “電信號(hào)值 - 實(shí)際應(yīng)力值” 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

四、應(yīng)用邏輯與監(jiān)測意義

• 當(dāng)應(yīng)力計(jì)監(jiān)測到應(yīng)力持續(xù)升高并接近巖體強(qiáng)度極限時(shí)，可能預(yù)示沖擊地壓、頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)；
• 若應(yīng)力突然下降，可能表明巖體已發(fā)生塑性變形或裂隙擴(kuò)展，支護(hù)結(jié)構(gòu)需及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)。

結(jié)