CN103556992B - 一种光纤光栅地应力的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅地应力的获取方法，在受力杆杆身上沿轴向微错距布置、沿横截面中心对称布置三组光纤布拉格光栅组粘贴点，把受力杆安装在钻孔中，借助套钻设备对粘贴点处侧壁围岩套钻环形槽来解除围岩应力，计算机系统得到光栅中心波长漂移量后进行处理以得到轴向应变量，并根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到大地坐标系下围岩地应力分量。本发明的优点有：方法便于实现，所需岩芯较短，降低了测量的取岩芯工艺难度；能快速准确地提供地应力测量数据，通过计算机系统能进行自动化信息处理；采用全光测量和光纤传输，能避免复杂恶劣环境及电磁干扰的影响；测量端无需供电，且由于不存在电信号和电子器件，能保证现场的安全。

Description

一种光纤光栅地应力的获取方法

技术领域

本发明涉及一种岩土地下工程测量技术领域的方法，具体是一种光纤光栅地应力的获取方法。

背景技术

地应力状态是岩土地下工程最重要的问题之一，而地应力测量是获取地应力状态最直接的手段。但是，地应力的测量难度很高，测量精度较差，尽管多年来各界学者和科研人员进行了大量的研究和探索，但至今仍未取得较满意的成果。目前使用较为普遍的地应力测量方法中，套芯应力解除法由于工艺问题在深孔中容易断芯而使测量无效，水力压裂法由于主应力方向的假定过于理想而与实际情况可能存在较大误差。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利《基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置》（葛修润，侯明勋，涂光骞，发明专利号201210559619.7，国家知识产权局，2012年12月20日）中提出了适用于地下硐室、矿山巷道中近水平孔内基于BWSRM原理的地应力测量的技术实施途径。但是，该装置对设备依赖性很强，基本上属于传统的安全监测技术手段，并且存在着各种缺点，比如获得的数据误差较大、不能进行全自动信息化处理、易受电磁和井下潮湿环境干扰等。

光纤光栅传感技术是随着光纤光栅制作技术的发展而崛起的一种崭新的传感技术，相比较传统的传感器，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度等优点。因此，将光纤光栅传感器用于石油、岩土、煤矿等领域扩展成为趋势。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种精度高、误差小、原理简单、抗干扰能力强、可自动信息化处理数据的光纤光栅地应力的获取方法。

技术方案：本发明的光纤光栅地应力的获取方法，包括如下步骤：

a、在受力杆的杆身沿轴向横截面中心布置3组互成120°角、轴向错距为D的三个光纤布拉格光栅组粘贴点；

b、在每个粘贴点中固定至少一组沿钻杆径向分布、角度α为0°、45°、90°的三个沿角轴向应变的光纤布拉格光栅组；

c、用钻孔机在地下围岩的巷道壁施工一水平钻孔，孔径与受力杆直径相同，用推进杆将受力杆安装于水平钻孔中，布置在受力杆上的光纤布拉格光栅组的光纤接头引出水平钻孔的外部并与光纤连接，推进杆通过孔口支撑架固定，光纤接入光纤光栅解调仪，光纤布拉格光栅组产生应变后，光纤光栅解调仪将解调后信号传输至计算机系统，得到3组光纤布拉格光栅组的中心波长漂移量数据；

d、借助套钻设备对光纤布拉格光栅组处侧壁围岩套钻环形槽，使套钻环形槽内的岩芯与周围岩体分离从而解除围岩应力；

e、对轴向应变光栅的中心波长漂移量数据进行如下处理以得到轴向应变量：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_B}_{\mathrm{ij}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\λ}}_B}_{\mathrm{ij}}}$

式中，i表示第i组粘贴点，i=1、2、3，分别表示A、B、C三个光纤布拉格光栅组粘贴点；j表示粘贴点中第j个轴向位移光栅，j=1、2、3，分别表示每组粘贴点的角度α为0°、45°、90°三个角轴向应变光栅；及ε_ij分别为第i组第j个轴向应变光栅的中心波长漂移量、轴向应变光栅的初始中心波长和轴向应变光栅的轴向应变量，K_ε为光纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数；

f、得到轴向应变量后，定义钻孔坐标系oxyz与大地坐标系OXYZ，根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到孔壁上某一方向的轴向应变与大地坐标系下围岩地应力分量之间的关系：

ε_ij＝[0,cos²θ_j,sin²θ_j,sinθ_jcosθ_j,0,0]·[T_rθz][C][F][T_σ][σ₀]_XYZ

式中，θ_j为第j个轴向应变光栅与受力杆径向的夹角，[T_rθz]为孔边应变在圆柱坐标系与大地坐标系间的变换矩阵，[C]为各向同性线弹性岩体本构矩阵，[F]为钻孔围岩的远场地应力分量矩阵与孔边应力分量矩阵间的变换矩阵，[T_σ]为大地坐标系下远场围岩地应力分量矩阵与钻孔坐标系下远场围岩地应力分量矩阵间的变换矩阵，[σ₀]_XYZ为大地坐标系下围岩地应力分量矩阵；

i、对轴向应变量进行计算处理，得到大地坐标系下围岩地应力为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_X=E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{23}+{\mathrm{\ϵ}}_{11}-2{\mathrm{\ϵ}}_{12}}{2\mathrm{\υ}}+E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{32}-8{\mathrm{\ϵ}}_{33}+8\mathrm{\υ}{\mathrm{\ϵ}}_{33}}{3\mathrm{\υ}+9}\\ {\mathrm{\σ}}_Y=16E\frac{(8+\mathrm{\υ}-{4\mathrm{\υ}}^2){\mathrm{\ϵ}}_{21}+({8\mathrm{\υ}}^2-16){\mathrm{\ϵ}}_{22}-({3\mathrm{\υ}}^2-\frac{3}{16}\mathrm{\υ}-8){\mathrm{\ϵ}}_{23}}{3\mathrm{\υ}}\\ {\mathrm{\σ}}_Z=E\frac{4\mathrm{\υ}{\mathrm{\ϵ}}_{33}+4{\mathrm{\ϵ}}_{31}}{15-9\mathrm{\υ}-15\mathrm{\υ}}-E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{11}+\mathrm{\υ}{\mathrm{\ϵ}}_{13}}{{3\mathrm{\υ}}^2-3}\end{array}\right.$

式中，σ_X、σ_Y、σ_Z为大地坐标系下的三维地应力，其中σ_Z为垂直地应力，σ_X、σ_Y为水平地应力。

有益效果：本发明将受力杆杆身上沿轴向微错距布置、沿横截面中心对称布置三组光纤布拉格光栅组粘贴点，把受力杆安装在钻孔中，借助套钻设备对粘贴点处侧壁围岩套钻环形槽来解除围岩应力，由计算机系统得到光栅中心波长漂移量后进行处理以得到轴向应变量，并进一步根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到大地坐标系下围岩地应力分量。与传统技术相比的优点有：方法便于实现，所需岩芯较短，降低了测量的取岩芯工艺难度，适于普遍推广应用；能快速准确地提供地应力测量数据，通过计算机系统能进行自动化信息处理，便于指导现场施工及科研工作；采用全光测量和光纤传输，能有效避免复杂恶劣环境及电磁干扰的影响；地下测量端无需供电，使测量过程简洁、方便进行，且由于不存在电信号和电子器件，能保证现场的安全。主要优点有：

1.方法便于实现，所需岩芯较短，降低了测量的取岩芯工艺难度，适于普遍推广应用；

2.能快速准确地提供地应力测量数据，通过计算机系统能进行自动化信息处理，便于指导现场施工及科研工作；

3.采用全光测量和光纤传输，能有效避免复杂恶劣环境及电磁干扰的影响；

4.地下测量端无需供电，使测量过程简洁、方便进行，且由于不存在电信号和电子器件，能保证现场的安全。

附图说明

图1为本发明的现场实施示意图。

图2(a)为本发明的杆体上光纤布拉格光栅组粘贴点布置示意图。

图2(b)为本发明的光纤布拉格光栅组的布置示意图。

图3为本发明的图2(a)的俯视图。

图4为本发明的围岩钻孔套钻解除围岩应力示意图。

图5为钻孔坐标系与大地坐标系相互关系示意图

图中：A、B、C－光纤布拉格光栅组粘贴点；D－粘贴点轴向错距；θ－套钻方向角；1－地下围岩；2－光纤布拉格光栅组；3－套钻环形槽；4－岩芯；5－推进杆；6－孔口支撑架；7－光纤连接头；8－水平钻孔；9－受力杆；10－光纤；11－光纤光栅解调仪；12－计算机系统；α—光纤光栅组中光纤光栅之间的夹角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例1、本发明的光纤光栅地应力的获取方法，具体步骤如下：

a、在受力杆9的杆身沿轴向横截面中心布置3组互成120°角，粘贴点轴向错距为D的光纤布拉格光栅组粘贴点A、B、C；

b、光纤布拉格光栅组粘贴点A、B、C中粘贴的光纤布拉格光栅组2由三个沿受力杆9轴向呈0°、45°、90°角的光纤布拉格光栅组成；

c、用钻孔机在地下围岩1的巷道壁布置水平钻孔8，孔径与受力杆9直径相同，用推进杆5将受力杆9安装于水平钻孔8中，布置在受力杆9上的光纤布拉格光栅组2的光纤接头7引出水平钻孔8的外部并与光纤10连接，推进杆5利用孔口支撑架6固定，光纤10接入光纤光栅解调仪11，光纤布拉格光栅组2产生应变后，光纤光栅解调仪11将解调后信号传输至计算机系统12，得到3组光纤布拉格光栅组2的中心波长漂移量数据；

d、借助套钻设备对光纤布拉格光栅组2处侧壁围岩套钻方向角θ套钻环形槽3，使套钻环形槽3内的岩芯4与周围岩体分离从而解除围岩应力；见图4，套钻方向角取决于套钻方向与水平方向的夹角，套钻方向角θ为20～40°，由于每次套钻施工时角度一般是不一样的，有这个角度才能计算水平方向的应力，只能是施工时才能准确的量出套钻方向角θ；

e、对轴向应变光栅的中心波长漂移量数据进行如下处理以得到轴向应变量：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}_B}_{\mathrm{ij}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_{B_{\mathrm{ij}}}}$

式中，i表示第i组粘贴点，i=1、2、3，分别表示A、B、C三个光纤布拉格光栅组粘贴点；j表示粘贴点中第j个轴向位移光栅，j=1、2、3，分别表示每组粘贴点的角度α为0°、45°、90°三个角轴向应变光栅；及ε_ij分别为第i组第j个轴向应变光栅的中心波长漂移量、轴向应变光栅的初始中心波长和轴向应变光栅的轴向应变量，K_ε为光纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数；

f、得到轴向应变量后，定义钻孔坐标系oxyz与大地坐标系OXYZ，根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到孔壁上某一方向的轴向应变与大地坐标系下围岩地应力分量之间的关系：

ε_ij＝[0,cos²θ_j,sin²θ_j,sinθ_jcosθ_j,0,0]·[T_rθz][C][F][T_σ][σ₀]_XYZ

式中，θ_j为第j个轴向应变光栅与受力杆径向的夹角，[T_rθz]为孔边应变在圆柱坐标系与大地坐标系间的变换矩阵(

)，[C]为各向同性线弹性岩体本构矩阵（ $\left[C\right]=\frac{1}{E}\left[\begin{array}{cccccc}1& -\mathrm{\υ}& -\mathrm{\υ}& 0& 0& 0\\ -\mathrm{\υ}& 1& -\mathrm{\υ}& 0& 0& 0\\ -\mathrm{\υ}& -\mathrm{\υ}& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 2(1+\mathrm{\υ})& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 2(1+\mathrm{\υ})& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 2(1+\mathrm{\υ})\end{array}\right],$ υ为上覆岩层泊松比，E为上覆岩层的弹性模量），[F]为钻孔围岩的远场地应力分量矩阵与孔边应力分量矩阵间的变换矩阵（ ），[T_σ]为大地坐标系下远场围岩地应力分量矩阵与钻孔坐标系下远场围岩地应力分量矩阵间的变换矩阵( $\left[T_{\mathrm{\σ}}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& -1& 0\end{array}\right]$ )，[σ₀]_XYZ为大地坐标系下围岩地应力分量矩阵；

i、对轴向应变量进行计算处理，得到大地坐标系下围岩地应力为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_X=E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{23}+{\mathrm{\ϵ}}_{11}-2{\mathrm{\ϵ}}_{12}}{2\mathrm{\υ}}+E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{32}-8{\mathrm{\ϵ}}_{33}+8\mathrm{\υ}{\mathrm{\ϵ}}_{33}}{3\mathrm{\υ}+9}\\ {\mathrm{\σ}}_Y=16E\frac{(8+\mathrm{\υ}-{4\mathrm{\υ}}^2){\mathrm{\ϵ}}_{21}+({8\mathrm{\υ}}^2-16){\mathrm{\ϵ}}_{22}-({3\mathrm{\υ}}^2-\frac{3}{16}\mathrm{\υ}-8){\mathrm{\ϵ}}_{23}}{3\mathrm{\υ}}\\ {\mathrm{\σ}}_Z=E\frac{4\mathrm{\υ}{\mathrm{\ϵ}}_{33}+4{\mathrm{\ϵ}}_{31}}{15-9\mathrm{\υ}-{15\mathrm{\υ}}^2}-E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{11}+\mathrm{\υ}{\mathrm{\ϵ}}_{13}}{{3\mathrm{\υ}}^2-3}\end{array}\right.$

式中，σ_X、σ_Y、σ_Z为大地坐标系下的三维地应力，其中σ_Z为垂直地应力，σ_X、σ_Y为水平地应力。

Claims (1)

1.一种光纤光栅地应力的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、在受力杆(9)的杆身沿轴向横截面中心布置3组互成120°角、轴向错距为D的三个光纤布拉格光栅组粘贴点(A、B、C)；

b、在每个粘贴点中固定至少一组沿受力杆(9)径向分布、角度α为0°、45°、90°的三个沿角轴向应变的光纤布拉格光栅组(2)；

c、用钻孔机在地下围岩(1)的巷道壁施工一水平钻孔(8)，孔径与受力杆(9)直径相同，用推进杆(5)将受力杆(9)安装于水平钻孔(8)中，布置在受力杆(9)上的光纤布拉格光栅组(2)的光纤接头(7)引出水平钻孔(8)的外部并与光纤(10)连接，推进杆(5)通过孔口支撑架(6)固定，光纤(10)接入光纤光栅解调仪(11)，光纤布拉格光栅组(2)产生应变后，光纤光栅解调仪(11)将解调后信号传输至计算机系统(12)，得到3组光纤布拉格光栅组(2)的中心波长漂移量数据；

d、借助套钻设备对光纤布拉格光栅组(2)处侧壁围岩套钻环形槽(3)，使套钻环形槽(3)内的岩芯(4)与周围岩体分离从而解除围岩应力；

e、对轴向应变光栅的中心波长漂移量数据进行如下处理以得到轴向应变量：

${\mathrm{\ϵ}}_{ij}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B_{ij}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_{B_{ij}}}$

式中，i表示第i组粘贴点，i＝1、2、3，分别表示三个光纤布拉格光栅组粘贴点A、B、C；j表示粘贴点中第j个轴向位移光栅，j＝1、2、3，分别表示每组粘贴点的角度α为0°、45°、90°三个角轴向应变光栅；及ε_ij分别为第i组第j个轴向应变光栅的中心波长漂移量、轴向应变光栅的初始中心波长和轴向应变光栅的轴向应变量，K_ε为光纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数；

f、得到轴向应变量后，定义钻孔坐标系oxyz与大地坐标系OXYZ，根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到孔壁上某一方向的轴向应变与大地坐标系下围岩地应力分量之间的关系：

ε_ij＝[0,cos²θ_j,sin²θ_j,sinθ_jcosθ_j,0,0]·[T_rθz][C][F][T_σ][σ₀]_XYZ

式中，θ_j为第j个轴向应变光栅与受力杆径向的夹角，[T_rθz]为孔边应变在钻孔坐标系与大地坐标系间的变换矩阵，[C]为各向同性线弹性岩体本构矩阵，[F]为钻孔围岩的远场地应力分量矩阵与孔边应力分量矩阵间的变换矩阵，[T_σ]为大地坐标系下远场围岩地应力分量矩阵与钻孔坐标系下远场围岩地应力分量矩阵间的变换矩阵，[σ₀]_XYZ为大地坐标系下围岩地应力分量矩阵；

g、对轴向应变量进行计算处理，得到大地坐标系下围岩地应力为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_X=E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{23}+{\mathrm{\ϵ}}_{11}-2{\mathrm{\ϵ}}_{12}}{2\mathrm{\υ}}+E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{32}+8{\mathrm{\ϵ}}_{33}+8{\mathrm{\υ\ϵ}}_{\mathrm{33}}}{3\mathrm{\υ}\mathrm{+9}}\\ {\mathrm{\σ}}_Y=\mathrm{16}E\frac{(8+\mathrm{\υ}-4{\mathrm{\υ}}^2){\mathrm{\ϵ}}_{21}+(8{\mathrm{\υ}}^2-16){\mathrm{\ϵ}}_{22}-(3{\mathrm{\υ}}^2-\frac{3}{16}\mathrm{\υ}-8){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{23}}}{3\mathrm{\υ}}\\ {\mathrm{\σ}}_Z=E\frac{4{\mathrm{\υ\ϵ}}_{\mathrm{33}}+4{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{31}}}{15-9\mathrm{\υ}-15{\mathrm{\υ}}^2}-E\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{11}+{\mathrm{\υ\ϵ}}_{\mathrm{13}}}{3{\mathrm{\υ}}^2-3}\end{array}\right.$

式中，σ_X、σ_Y、σ_Z为大地坐标系下的三维地应力，其中σ_Z为垂直地应力，σ_X、σ_Y为水平地应力。