矿用机械式钻孔应力计工作原理

煤矿钻孔应力计是用于监测井下岩体内部应力变化的关键设备，主要应用于采场周围、巷道围岩或断层带等区域，通过实时捕捉岩体应力的动态变化，为预测冲击地压、顶板垮落等地质灾害提供数据支持。

其工作原理可从力学感知、信号转化、数据输出三个核心环节解析：

一、核心组成与力学感知

• 若岩体受压，压力会挤压探头的弹性元件（如空心圆柱、活塞式结构），使其发生微小形变（压缩或弯曲）；
• 若岩体受拉（少数情况），弹性元件则会产生拉伸形变。
  形变的程度与岩体作用于探头的应力大小成正比（在弹性限度内遵循胡克定律）。

二、应力信号的转化（基于应变效应或液压传递）

1. 应变式钻孔应力计（*常用）

• 核心原理：利用金属电阻应变效应。在弹性元件表面粘贴多组应变片（金属箔片或半导体材料），应变片通过导线连接成惠斯通电桥电路。
• 转化过程：
  当弹性元件因岩体应力发生形变时，应变片随其同步拉伸或压缩，导致自身电阻值变化（拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小）；
  电阻变化打破惠斯通电桥的平衡，输出与电阻变化量对应的微弱电压信号（毫伏级），该信号与岩体应力呈线性关联。

2. 液压式钻孔应力计

• 核心原理：通过液压油传递压力。探头内充满液压油，弹性元件（如金属膜片）直接与岩体接触，另一端连接液压传感器。
• 转化过程：
  岩体应力挤压弹性膜片，使内部液压油压力升高，液压传感器将压力信号转化为电信号（如电压或电流），进而反映岩体应力大小。
  此类应力计抗干扰性强，适用于高湿度、高粉尘的井下环境。

三、信号处理与数据输出

• 有线传输：应力计输出的原始电信号（电压或电流）通过屏蔽电缆传输至井下分站或地面监控系统，经放大、滤波、A/D 转换后，转化为数字信号，直接显示为应力值（单位通常为 MPa）。
• 无线传输：部分*应力计内置电池和无线模块（如 LoRa、4G），信号处理后通过无线方式发送至接收基站，实现远程实时监测。
• 校准与换算：出厂前需通过标准压力源（如压力试验机）对设备进行校准，建立 “电信号值 - 实际应力值” 的对应关系，确保监测数据的准确性。

四、应用逻辑与监测意义

• 当应力计监测到应力持续升高并接近岩体强度极限时，可能预示冲击地压、顶板冒落风险；
• 若应力突然下降，可能表明岩体已发生塑性变形或裂隙扩展，支护结构需及时补强。

结