CN102589767A - 岩芯内应力场测试仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩芯内应力场测试仪，包括一根一端封闭的弹性软管，所述弹性软管的外表面上敷设有若干相连的、不同方向布置的光纤布拉格光栅，所述若干相连的光纤布拉格光栅通过光纤与弹性软管外部的光纤光栅解调器相连，光纤光栅解调器通过线路与数据处理装置相连；所述弹性软管另一端通过管路及法兰与液体加压输入装置相连。本发明同时还公开了该测试仪的使用方法。其采用光纤微小，可各种灵活方式布置、重复使用，测量某点各个方向的应力，结合软管结构，可以测量岩体内部应力场，钻孔很小，工程量少。该测试仪构造简单，测试方便，测量精度高，适用性强。

Description

岩芯内应力场测试仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种岩芯内应力场测试仪及其使用方法，可以测量煤体、岩体内应力的大小和空间分布，组建应力场，从而可以实时监测煤体、岩体地应力变化，内应力大小，随采动和顶板活动、围岩活动的变化规律。属于工程监测技术领域。

背景技术

地应力作用是导致地壳变形、褶皱、断裂乃至地震发生的根本原因，地应力测量及应力状态研究已广泛应用于大陆动力学研究、地震预报监测、地质灾害预警、活动断裂以及矿山、大坝、电站、隧道工程设计及构造应力场研究等领域。地应力研究的核心内容是地应力状态、空间分布规律及其随时间的变化规律。地应力状态通常运用地应力测量手段获得，地应力测量分为绝对应力测量和相对应力测量两种。绝对应力测量主要是确定地壳应力背景值，包括主应力大小和方向。相对应力测量是观测应力随时间的动态变化规律，通常采用地应力监测技术。绝对应力测量方法主要包括压磁应力解除法、空心包体应力解除法、水压致裂法等。相对应力测量方法主要包括压磁法、体应变法、分量应变法及差应变法等(吴满路，廖椿庭等，2004)。在地应力测量与监测的基础上，进行地应力状态空间分布规律及其随时间的变化规律分析，从力学机制上探讨地质作用过程及其作用结果具有重要的科学意义和理论意义。目前，国内外绝对应力测量主要利用水压致裂法和应力解除法。水压致裂法是目前可进行深孔直接应力测量的唯一方法，国外水压致裂应力测量深度已经达到数千米，国内水压致裂应力测量深度还主要在1000米之内，这一领域国内外差距比较明显，主要体现在设备自动化水平、材料性能等诸多方面；压磁法是广泛采用的应力解除方法，国外测量深度已达数百米，国内测量深度仅限于孔深数十米以内，深孔压磁、应力解除测量仍面临深孔元件防水密封、自动化安装及定向、深部小孔成孔及井下数据采集存储等诸多技术难题。由于地壳浅表层地形风化作用等引起的非构造应力的存在，能够代表区域性构造应力的深度往往大于100m，甚至更深，尤其是深切河谷地区(吴满路，2004)。因此，迫切需要开展深孔地应力测量技术方法试验研究，发展深孔地应力测量技术，为深部应力探测提供技术和人才储备，提升我国相关领域研究水平，具有重要的科学意义。

可采用套钻孔应力解除法，来取代岩体表面应力测量方法。根据测量元件安装和测量的物理量不同，套钻孔应力解除测量法可分为钻孔孔壁应变测量法、钻孔孔底应变测量法和钻孔孔径变形测量法三种。瑞典哈斯特研制的压磁式应力计和美国矿务局欧贝特(Obert，L.)等人研制的USBM钻孔变形计，都是测量钻孔直径变化的应力计；南非黎曼(Leeman，E.R.)研制的“CSIR门塞器”是测量钻孔孔底应变的应力计；70年代南非科学及工业委员会CSIRO钻孔三轴应变计则是测量钻孔孔壁应变的测量元件。葡萄牙国家土木研究所罗哈研制的钻孔三向应力张量计，经过70年代改进和完善而成为空心包体式三轴应力计，也是测量钻孔孔壁应变的测量元件。

工程实践中，岩体、煤体内相对应力状态测试方法或装置主要有孔底应变法、钻孔变形计、小孔径水压致裂地应力测试(专利申请号：03257022)，和深孔大地应力检测装置的伸缩式贴片头(专利申请号：200420111711.8)，钻孔应力计：煤岩体地应力连续测试装置及方法(专利申请号：200910029898.4)，它们的缺点有的是不能与岩体紧密耦合，使用需要锚固剂或耦合剂，而且不可重复实用，测量效果差，仅仅测量钻孔内孔底或孔壁，或孔径的变形，不能测量岩体内部的空间应力场。

经专利和文献检索，煤岩体地应力连续测试装置及方法(专利申请号：200910029898.4)专利，采用了测试胶囊管内的油液压力方法来测试岩体地应力，通过连接在胶囊管上的电力压力表得到一个胶囊管内的液体压力值，这个专利方法不能测量岩壁内上的各点处压力，不能给出岩壁内矢量应力或应变，不能构建出应力场，而且采用的测试传感器和分析系统是电子数显压力传感器与后续电路分析，干扰严重，信息量少，不便于组网和远距离传输。

检索到的一种光纤光栅测量锚杆(专利申请号：ZL200820020537.4)及一些光纤光栅测量锚杆研究及公布的专利中，都是在锚杆上，敷设多个光纤光栅传感器，与传统的电子应变片锚杆类似，需要将锚杆放入岩体内部，加入锚固剂。另一专利名称为：一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法(专利申请号：201110052556.1)采用在混泥土块的基体上敷设三个方向的光纤光栅传感器来测量岩石内部三维应力，该设计与锚杆上敷设光纤光栅传感器类似，不同的是敷设光纤光栅传感器的基体变化。但是其与岩体耦合效果差、测试到的岩体内受力是个平均效果，难以进行分布式测量，难以给出岩体内空间应力场，测试精度低、使用效果差等。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种岩芯内应力场测试仪及其使用方法，其采用光纤微小，可各种灵活方式布置、重复使用，测量某点各个方向的应力，结合软管结构，可以液体加压充胀软管，使光纤光栅测量传感器与岩壁紧密耦合，可以测量岩体内部应力场，钻孔很小，工程量少。该测试仪构造简单，测试方便，测量精度高，适用性强。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种岩芯内应力场测试仪，包括一根一端封闭的弹性软管，所述弹性软管的外表面上(包括软管封闭端底部)敷设有若干相连的、不同方向布置的光纤布拉格光栅，所述若干相连的光纤布拉格光栅通过光纤与弹性软管外部的光纤光栅解调器相连，光纤光栅解调器数据传输到计算机等数据处理装置；所述弹性软管另一端通过管路及法兰与液体加压输入装置相连。

所述弹性软管管壁至少有三层，内层材料为聚四氟乙烯聚合物，中间层为钢丝网结构，外层为碳纤维层，所述三层与光纤布拉格光栅传感器通过塑性成形技术一次成型，弹性软管壁中间层的钢丝网结构目的是增强软管弹性刚度，最外层是碳纤维层，在碳纤维层刻各种各方向槽后，敷设光纤布拉格光栅，然后一次成型制作出弹性软管。

所述光纤布拉格光栅是光纤刻制后又涂覆上光纤外涂层材料保护，光纤光栅在软管的碳纤维层，敷设成各个方向分布，可感受岩体内壁各个方向的力。

所述弹性软管与液体加压输入装置相连的管路上设有压力显示表。

所述液体加压输入装置包括手动压力杆、油箱，第一单向阀、第二单向阀，液压缸，截止阀，手动压力杆一端铰接于管路的支撑块上，手动压力杆中部与液压缸的活塞杆外端铰接，液压缸的进、出油管路上分别设有方向相反的第一单向阀和第二单向阀，进、出油管路分别与油箱、与弹性软管相连的管路相连，出油管路通过法兰及管路与弹性软管相连，法兰与第一单向阀之间的出油管路上连接有与油箱相通的回油管路，回油管路上设有截止阀，通过截止阀能将弹性软管内的液压油释放到油箱内。

一种岩芯内应力场测试仪的使用方法，步骤如下：

1)在需要测试的岩体内的岩芯上钻孔；

2)将内部敷设有光纤布拉格光栅的弹性软管放入步骤1)中的钻孔中；

3)将弹性软管的接头通过法兰连接到液体加压输入装置的出油管路上，通过手动压力杆操作，经液压缸将油箱内液体抽出，压入弹性软管内，通过压力显示表实时显示，直至达到预定压强为止，使弹性软管膨胀充满整个钻孔，实现与岩壁充分耦合，可保证弹性软管管壁表面封装的光纤布拉格光栅与钻孔内壁充分接触；

4)通过光纤光栅解调器和数据处理装置分析所有光纤布拉格光栅得到的压力信息，结合所有光纤布拉格光栅在弹性软管上的分布，得出弹性软管上外表面各处受到岩体内应力后的形变和压力大小，在光纤布拉格光栅布满弹性软管表面后，就能够计算和模拟出岩芯内的应力场。

与中国专利申请煤岩体地应力连续测试装置及方法(专利申请号：200910029898.4)相比，本发明采用光纤传感、光传输、光传感分布式组网，实现岩壁内应力远距离测量，本质安全、数据量大、信息复用等优点。光纤光栅作为一种串接在光纤上的传感器件，具有准分布式测量应力应变，粘贴方便、易于组网、结构简单、本质安全、不受电磁场干扰等优点。

与中国专利申请：一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法(专利申请号：201110052556.1)相比较，本发明也用了光纤光栅传感器，但与该专利申请有三个不同点：(1)设计了弹性软管三层材料来确保软管内的高压以及软管与岩壁内的有效耦合；(2)采用了软管外表面敷设各种方向布置的光纤光栅传感器，可测量紧密接触点处岩壁产生的应变应力作用到弹性软管外部紧密接触处的光纤光栅传感器上，从受力作用点以及作用方向上与专利申请号：201110052556.1有本质不同；(3)采用了液体加压装置不需要锚固，能重复使用测试装置，快速高效实用，方便。总之，本次发明解决了以前的专利申请方法应用中，与岩体耦合效果差、测试到的岩体内受力是个平均效果，难以进行分布式测量，难以给出岩体内空间应力场，测试精度低、使用效果差等难题。

本发明的有益效果是，测试仪器结构简单、可靠，可现场手动操作和压力表实时显示，将液体加压装置与弹性软管分离，分布在软管表面的光纤光栅可监测到岩体作用在软管表面每个点处的各个方向应力大小，从而知道岩体内部的应力场，通过光纤光栅解调仪实时采集数据，来实时观察地应力作用到软管上的应力场变化，从而监测地应力状态、空间分布规律及其随时间的变化规律。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1中A-A向剖视图；

其中1.光纤布拉格光栅，2.岩芯，3.弹性软管，4.管路，5.压力显示表，6.截止阀，7.第一单向阀，8.光纤光栅解调器，9.数据处理装置，10.法兰，11.聚四氟乙烯聚合物，12.钢丝网结构，13.碳纤维层，14.手动压力杆，15.液压缸，16.第二单向阀，17.油箱，18.支撑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，岩芯内应力场测试仪，包括一根一端封闭的弹性软管3，所述弹性软管3的外表面上敷设有若干相连的、不同方向布置的光纤布拉格光栅1，所述若干相连的光纤布拉格光栅1通过光纤与弹性软管3外部的光纤光栅解调器8相连，光纤光栅解调器8通过线路与数据处理装置9相连；所述弹性软管3另一端通过管路4及法兰10与液体加压输入装置相连。

弹性软管3管壁有三层，内层材料为聚四氟乙烯聚合物11，中间层为钢丝网结构12，外层为碳纤维层13，所述三层与光纤布拉格光栅1通过塑性成形一次成型，弹性软管壁中间层的钢丝网结构12目的是增强软管弹性刚度，最外层是碳纤维层13，在碳纤维层刻各种各方向槽后，敷设光纤布拉格光栅1，然后一次成型制作出弹性软管。

光纤布拉格光栅1是光纤刻制后又涂覆上光纤外涂层材料保护，光纤光栅在软管的碳纤维层，刻成各个方向分布，可感受岩体内壁各个方向的力。

弹性软管3与液体加压输入装置相连的管路4上设有压力显示表5。

液体加压输入装置包括手动压力杆14、油箱17，第一单向阀7、第二单向阀16，液压缸15，截止阀6，手动压力杆14一端铰接于管路的支撑块18上，手动压力杆14中部与液压缸15的活塞杆外端铰接，液压缸15的进、出油管路上分别设有方向相反的第一单向阀7和第二单向阀16，进、出油管路分别与油箱17、与弹性软管3相连的管路4相连，出油管路通过法兰10及管路4与弹性软管3相连，法兰10与第一单向阀7之间的出油管路上连接有与油箱相通的回油管路，回油管路上设有截止阀6，通过截止阀6能将弹性软管3内的液压油释放到油箱17内。

岩芯内应力场测试仪的使用方法，步骤如下：

1)在需要测试的岩体内的岩芯2上钻孔；

2)将内部敷设有光纤布拉格光栅1的弹性软管3放入步骤1)中的钻孔中；

3)将弹性软管3的接头通过法兰10连接到液体加压输入装置的出油管路上，通过手动压力杆14操作，经液压缸15将油箱17内液体抽出，压入弹性软管3内，通过压力显示表5实时显示，直至达到预定压强为止，使弹性软管3膨胀充满整个钻孔，实现与岩壁充分耦合，可保证弹性软管3管壁表面封装的光纤布拉格光栅1与钻孔内壁充分接触；

4)通过光纤光栅解调器8和数据处理装置9分析所有光纤布拉格光栅1得到的压力信息，结合所有光纤布拉格光栅1在弹性软管3上的分布，得出弹性软管3上外表面各处受到岩体内应力后的形变和压力大小，在光纤布拉格光栅1布满弹性软管3表面后，就能够计算和模拟出岩芯内的应力场。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种岩芯内应力场测试仪，其特征是，包括一根一端封闭的弹性软管，所述弹性软管的外表面上敷设有若干相连的、不同方向布置的光纤布拉格光栅，所述若干相连的光纤布拉格光栅通过光纤与弹性软管外部的光纤光栅解调器相连，光纤光栅解调器通过线路与数据处理装置相连；所述弹性软管另一端通过管路及法兰与液体输入装置相连。

2.如权利要求1所述的岩芯内应力场测试仪，其特征是，所述弹性软管管壁至少有三层，内层材料为聚四氟乙烯聚合物，中间层为钢丝网结构，外层为碳纤维层，所述三层与光纤布拉格光栅通过塑性成形一次成型。

3.如权利要求2所述的岩芯内应力场测试仪，其特征是，所述光纤布拉格光栅为光纤刻制后又涂覆上光纤外涂层材料保护，光纤布拉格光栅在弹性软管的碳纤维层，刻成各个方向分布。

4.如权利要求1所述的岩芯内应力场测试仪，其特征是，所述弹性软管与液体加压输入装置相连的管路上设有压力表。

5.如权利要求1所述的岩芯内应力场测试仪，其特征是，所述液体加压输入装置包括手动压力杆、油箱，第一单向阀、第二单向阀，液压缸，截止阀，手动压力杆一端铰接于管路的支撑块上，手动压力杆中部与液压缸的活塞杆外端铰接，液压缸的进、出油管路上分别设有方向相反的第一单向阀和第二单向阀，进、出油管路分别与油箱、与弹性软管相连的管路相连，出油管路通过法兰及管路与弹性软管相连，法兰与第一单向阀之间的出油管路上连接有与油箱相通的回油管路，回油管路上设有截止阀。

6.一种如权利要求1所述的岩芯内应力场测试仪的使用方法，其特征是，步骤如下：

1)在需要测试的岩体内的岩芯上钻孔；

2)将内部敷设有光纤布拉格光栅的弹性软管放入步骤1)中的钻孔中；

3)将弹性软管的接头通过法兰连接到液体加压输入装置的出油管路上，通过手动压力杆操作，经液压缸将油箱内液体抽出，压入弹性软管内，通过压力显示表实时显示，直至达到预定压强为止，使弹性软管膨胀充满整个钻孔，实现与岩壁充分耦合，可保证弹性软管管壁表面封装的光纤布拉格光栅与钻孔内壁充分接触；

4)通过光纤光栅解调器和数据处理装置分析所有光纤布拉格光栅得到的压力信息，结合所有光纤布拉格光栅在弹性软管上的分布，得出弹性软管上外表面各处受到岩体内应力后的形变和压力大小，在光纤布拉格光栅布满弹性软管表面后，就能够计算和模拟出岩芯内的应力场。

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