煤礦鉆孔應(yīng)力計是用于監(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，通過實時捕捉巖體應(yīng)力的動態(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、信號轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)輸出三個核心環(huán)節(jié)解析：
鉆孔應(yīng)力計通常由承壓探頭（彈性元件）、傳感組件（如應(yīng)變片、壓電元件）、信號傳輸線（或無線模塊）及保護(hù)外殼組成，整體安裝在預(yù)先鉆好的巖體鉆孔內(nèi)（孔徑與應(yīng)力計匹配，一般為 50-100mm）。
當(dāng)巖體因開采活動（如采煤、掘進(jìn)）或地質(zhì)運動發(fā)生應(yīng)力變化時，應(yīng)力通過鉆孔孔壁傳遞至應(yīng)力計的承壓探頭：
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若巖體受壓，壓力會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）；
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若巖體受拉（少數(shù)情況），彈性元件則會產(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）。
根據(jù)傳感原理的不同，鉆孔應(yīng)力計可分為應(yīng)變式和液壓式兩類，信號轉(zhuǎn)化方式略有差異：
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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。
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轉(zhuǎn)化過程：
當(dāng)彈性元件因巖體應(yīng)力發(fā)生形變時，應(yīng)變片隨其同步拉伸或壓縮，導(dǎo)致自身電阻值變化（拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減?。?；
電阻變化打破惠斯通電橋的平衡，輸出與電阻變化量對應(yīng)的微弱電壓信號（毫伏級），該信號與巖體應(yīng)力呈線性關(guān)聯(lián)。
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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。
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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轉(zhuǎn)化為電信號（如電壓或電流），進(jìn)而反映巖體應(yīng)力大小。
此類應(yīng)力計抗干擾性強，適用于高濕度、高粉塵的井下環(huán)境。
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有線傳輸：應(yīng)力計輸出的原始電信號（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，直接顯示為應(yīng)力值（單位通常為 MPa）。
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無線傳輸：部分*應(yīng)力計內(nèi)置電池和無線模塊（如 LoRa、4G），信號處理后通過無線方式發(fā)送至接收基站，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。
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校準(zhǔn)與換算：出廠前需通過標(biāo)準(zhǔn)壓力源（如壓力試驗機）對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，建立 “電信號值 - 實際應(yīng)力值” 的對應(yīng)關(guān)系，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
巖體應(yīng)力變化是反映其穩(wěn)定性的核心指標(biāo)：
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當(dāng)應(yīng)力計監(jiān)測到應(yīng)力持續(xù)升高并接近巖體強度極限時，可能預(yù)示沖擊地壓、頂板冒落風(fēng)險；
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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展，支護(hù)結(jié)構(gòu)需及時補強。
因此，鉆孔應(yīng)力計的本質(zhì)是通過 “巖體應(yīng)力→彈性元件形變→電信號” 的鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)化，實現(xiàn)對隱蔽巖體內(nèi)部受力狀態(tài)的可視化監(jiān)測，為煤礦安全生產(chǎn)提供預(yù)警依據(jù)。
煤礦鉆孔應(yīng)力計的核心工作原理是 **“巖體應(yīng)力→力學(xué)形變→電信號轉(zhuǎn)化→數(shù)據(jù)輸出”**，通過應(yīng)變效應(yīng)或液壓傳遞將難以直接測量的巖體內(nèi)部應(yīng)力轉(zhuǎn)化為可量化的電信號。其精度依賴于彈性元件的穩(wěn)定性、傳感組件的靈敏度及定期校準(zhǔn)，是煤礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測體系中的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。
