CN103994846B - 围岩应力场分布测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种围岩应力场分布测试装置及方法，适用于煤矿井下对工作面巷道围岩/煤岩应力变化监测使用。包括围岩应力场分布测试装置，测试时在围岩体布置钻孔阵列，把测量光纤安装在钻孔中，将测量光纤串联接入矿用光缆，与光纤解调仪相连接，实现光信号从井下至井上的传输；光纤解调仪将光信号解调为数字信号并传输至计算机进行实时监控及分析处理，根据布里渊频移与应变的关系、应变与应力的关系提供了围岩应力场分布的测量方法。本设计采用单端测试，无需形成测试回路，降低了监测成本和监测难度，解决了目前围岩应力监测过程中监测点多、监测范围有限、信号传输线敷设及系统复杂的问题，有助于促进冲击地压等煤岩动力灾害的监测和预警技术的进步。

Description

围岩应力场分布测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置及方法，尤其适用于一种煤矿井下对工作面巷道围岩/煤岩应力变化监测使用的围岩应力场分布测试装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国煤矿开采深度的增加和开采强度的增大，由采掘空间矿压显现及其引起的煤岩动力灾害，如冲击地压、顶板垮落、冒顶、巷道变形等情况越来越严重，其发生频率和发生强度均明显增加，严重威胁我国煤炭资源的安全和高效开采，造成了巨大的损失，严重影响从业人员的生命安全和矿井生产。受采动作用和地质构造的综合影响，围岩应力集中是导致煤岩动力灾害发生的直接因素，因此围岩应力的监测越来越受到重视，特别是不同区域、不同时间段围岩应力场分布、变化规律，及其与煤岩动力灾害演化的关系，关系到能否提前、准确地预测煤岩动力灾害。一种新的围岩应力场分布监测方法的提出，对揭示采掘空间围岩应力场时空分布特征与煤岩动力灾害演化过程的关系，有效地预防和降低冲击地压等煤岩动力灾害的发生具有促进作用。

目前，钻孔应力测试技术是我国目前工程现场测量围岩应力的主要技术，常见的装置主要包括振弦式和液压式应力计两种：振弦式应力计，由钢制空心圆筒，一高度拉紧的钢弦，钢弦两端固定在圆筒筒壁上，内嵌一电磁线圈，测量时，将传感器安装到需要测量应力的煤岩体钻孔中，并给其施加一预应力，在测量过程中，利用钢弦振动频率与压力或拉力成正比的原理，当钻孔周围煤岩体中应力发生变化时，引起传感器内部张力的变化，从而带动钢弦频率的变化，钢弦自然振动频率ƒ和外部拉力σ之间存在一定的关系；液压应力计或液压枕，以格鲁兹（Glotzi）压力盒为基础进行改进，可以在煤岩体深部进行测量。该应力计由两半焊接而成，中心有一浅槽，槽内装有油水汇合液体，槽端部有一薄膜。测量时，钻孔周围应力发生变化时，引起槽内液体压力变化，在将液体压力转换成电信号或者频率信号进行监测和记录。

虽然目前国内外在矿山围岩应力监测领域取得了很大的发展，但现有的围岩应力监测普遍具有以下缺点：1、目前的围岩应力监测为点式监测或者多点组合监测；2、受现场条件的限制，监测点密度低，无法形成网格式的全覆盖监测；3、钻孔应力计的埋设位置、初始压力值的设置、与没掩体刚度的耦合效果等均会影响到围岩应力的测试精度、分布及变化规律的分析。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种受现场影响小，监测点密度高，可以形成网格式检测，精度高的围岩应力场分布测试装置及方法。

技术内容：为实现上述技术目的，本发明的围岩应力场分布测试装置，它包括柱塞和内置有胶结剂的腔体，腔体的腔壁上设有出胶口，柱塞的底部设有插入腔体的活动塞，腔体的上方与柱塞之间连接有保险铁丝，腔体底部设有前端尾端光纤固定圆盘，前端尾端光纤固定圆盘上设有U型固定凹槽，固定凹槽内穿入有测量光纤，测量光纤的两个端头均设有光纤连接头，测量光纤尾端设有尾端光纤固定圆盘，所述测量光纤的两个端头分别从尾端光纤固定圆盘上的两个光纤紧固阀孔中穿出，并通过光纤紧固阀拉紧固定，尾端光纤固定圆盘上设有注浆孔，注浆孔上设有注浆孔封孔片。

一种围岩应力场分布测试方法，其步骤如下：

a．使用钻孔机在工作面巷道围岩壁中垂直巷道壁方向钻孔，所述钻孔为水平孔；钻孔顶端为导向用的喇叭形，钻孔喇叭形顶端上开有用于光纤锚固的小孔；

b．先将测量光纤固定于前端尾端光纤固定圆盘中，再将测试装置推入钻孔顶端的小孔内，使测试装置顶端的柱塞在压力的作用下扯断从其内穿入的保险铁丝，并推动活动塞压入腔体内，腔体中的胶结剂受到挤压通过出胶口排入测试装置与钻孔壁之间的缝隙中，等待胶结剂固化后，将钻孔内的两根测量光纤穿过尾端光纤固定圆盘上光纤紧固阀孔，并通过光纤紧固阀施加同样大小的预拉力，使测量光纤伸直，同时使用膨胀螺栓穿过尾端光纤固定圆盘上的光纤紧固阀孔，将尾端光纤固定圆盘与钻孔外的煤岩壁锚固在一起，之后通过尾端光纤固定圆盘上的注浆孔向钻孔内注浆，待浆体充满整个钻孔后拨动注浆孔封孔片封住注浆孔并等待浆液凝固；

c．在待测试区域内重复上述步骤形成钻孔阵列，钻孔阵列水平相邻钻孔间隔为8~20m，并将各钻孔中的测量光纤尾端的光纤连接头串联后接入矿用光缆，再将矿用光缆接入BOTDR光纤信号解调仪；

d．BOTDR光纤信号解调仪开启工作，先通过矿用光缆向串联起来的测量光纤发送光信号，之后接受从测量光纤返回的光信号，并对返回的光信号进行解调，得到测量光纤上返回的光纤布里渊频移值，通过BOTDR光纤信号解调仪测量的布里渊频移值并计算机处理得到测量光纤上的应变大小，且应变数值与光纤形变幅度成正比；所述解调仪工作过程为，当距离入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到BOTDR光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移变化计算公式为：

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量，考虑到井下围岩温度几乎保持不变，即将近似为0，，故只考虑应变对布里渊频移量的影响；

e．BOTDR光纤信号解调仪对接收到的返回光信号对测量光纤上的发生应变点进行定位，首先判断出测量光纤发生形变处与BOTDR光纤信号解调仪的距离，其公式如下：

式中，为光纤上产生形变点，为形变点至入射端的距离，为真空中的光速；为光纤的折射率，为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔；当光信号在测量光纤内传播过程中受到光纤应变作用时，光信号发生散射，记录光信号入射进入光纤的时刻，记录散射光信号返回入射端的时刻，获得进入光纤的时刻与返回入射端的时刻的时间间隔；之后变化入射脉冲光的频率重复向测量光纤发射光信号，从而获得测量光纤上各采样点的布里渊背向散射光增益谱，定位出光纤上所发生应变的具体位置；

f．当BOTDR光纤信号解调仪得到测量光纤任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

式中，为发生应变位置处的应力，为封孔浆体凝固后的弹性模量，所述弹性模量为预设值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值。

所述步骤f中为避免单根测量光纤受力不均，将钻孔内构成串联回路的两根光纤所测的应力值进行平均，得到修正后的围岩应力：

式中，为修正后的形变点的围岩应力，、为钻孔内构成回路的两根光纤在任意一点分别所测得的围岩应力；即可得到一个测量钻孔内，沿钻孔轴向上的测量光纤上各个采样点的实时围岩应力，， ，并进一步获得沿钻孔轴向上的围岩应力增加幅度、增长速率及其随时间的变化规律，对由采掘空间围岩应力集中危险程度进行空间上和时间上的预警；所述钻孔直径大于等于90mm，钻孔深度为8～15m，最大深度为20m，钻孔上倾5～8°，便于水和岩/煤粉顺利排出；所述钻孔顶端喇叭形深度约7～8cm，所述用于光纤锚固的小孔的孔径为40mm、孔深为35～40cm；在工作面需要回采时，在其回采前，在两巷超前80~200m范围内，提前钻孔施工并布置测量光纤，形成测试回路；随着工作面的推进，可提前将处于割煤区域的钻孔外的测量光纤的光纤连接头断开，并在工作面后方位置新增加钻孔，在新增加钻孔中布置测量光纤并串联，接入矿用光缆，连接到光纤信号解调仪和计算机上。

附图说明

图1为本发明的测试装置结构示意图。

图2为本发明的尾端光纤固定圆盘结构示意图。

图3为本发明的测试施工示意图。

图中：1-保险铁丝，2-出浆口，3-前端尾端光纤固定圆盘，4-测量光纤，5-尾端光纤固定圆盘，6-光纤连接头，7-柱塞，8-活动塞，9-腔体，10-光纤紧固阀，11-光纤紧固阀孔，12-注浆孔，13-注浆孔封孔片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一外实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的围岩应力场分布测试装置，包括柱塞7和内置有胶结剂的腔体9，腔体9的腔壁上设有出胶口2，柱塞7的底部设有插入腔体9的活动塞8，腔体9的上方与柱塞7之间连接有保险铁丝1，腔体9底部设有前端尾端光纤固定圆盘3，前端尾端光纤固定圆盘3上设有U型固定凹槽，固定凹槽内穿入有测量光纤4，测量光纤4的两个端头均设有光纤连接头6，如图2所示，测量光纤4尾端设有尾端光纤固定圆盘5，所述测量光纤4的两个端头分别从尾端光纤固定圆盘5上的两个光纤紧固阀孔11中穿出，并通过光纤紧固阀10拉紧固定，尾端光纤固定圆盘5上设有注浆孔12，注浆孔12上设有注浆孔封孔片13。

如图3所示，本发明的围岩应力场分布测试方法，具体步骤如下：

a．使用钻孔机在工作面巷道围岩壁中垂直巷道壁方向钻孔，所述钻孔为水平孔，钻孔直径大于等于90mm，钻孔深度为8～13m，最大深度为20m，钻孔上倾5～8°，便于水和岩/煤粉顺利排出；钻孔顶端为导向用的喇叭形，钻孔顶端喇叭形深度约7～8cm，钻孔喇叭形顶端上开有用于光纤锚固的小孔，所述光纤紧固阀孔的孔径为40cm、孔深为35～40cm；

b．先将测量光纤4固定于前端尾端光纤固定圆盘3中，再将测试装置推入钻孔顶端的小孔内，使测试装置顶端的柱塞7在压力的作用下扯断从其内穿入的保险铁丝1，并推动活动塞8压入腔体9内，腔体9中的胶结剂受到挤压通过出胶口2排入测试装置与钻孔壁之间的缝隙中，等待胶结剂固化后，将钻孔内的两根测量光纤4穿过尾端光纤固定圆盘5上光纤紧固阀孔，并通过光纤紧固阀10施加同样大小的预拉力，使测量光纤4伸直，同时使用膨胀螺栓穿过尾端光纤固定圆盘5上的光纤紧固阀孔11，将尾端光纤固定圆盘5与钻孔外的煤岩壁锚固在一起，之后通过尾端光纤固定圆盘5上的注浆孔12向钻孔内注浆，待浆体充满整个钻孔后拨动注浆孔封孔片13封住注浆孔12并等待浆液凝固；

c．在待测试区域内重复上述步骤形成钻孔阵列，钻孔阵列水平相邻钻孔间隔为8~20m，并将各钻孔中的测量光纤4尾端的光纤连接头6串联后接入矿用光缆，再将矿用光缆接入BOTDR光纤信号解调仪；所述BOTDR光纤信号解调仪选用AQ8603型光纤应变分析仪或AV6419型分布式光纤应变测试仪相关解调仪；

d．BOTDR光纤信号解调仪开启工作，先通过矿用光缆向串联起来的测量光纤4发送光信号，之后接受从测量光纤4返回的光信号，并对返回的光信号进行解调，得到测量光纤4上返回的光纤布里渊频移值，通过BOTDR光纤信号解调仪测量的布里渊频移值并计算机处理得到测量光纤4上的应变大小，且应变数值与光纤形变幅度成正比；所述解调仪工作过程为，当距离入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到BOTDR光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移变化计算公式为：

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值，布里渊频移基础值为预先检测值，或者为计算方便可将预设为零；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，初始应变值为预先检测值，或者为计算方便可将预设为零，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量，考虑到井下围岩温度几乎保持不变，即将近似为0，，故只考虑应变对布里渊频移量的影响；

e．BOTDR光纤信号解调仪对接收到的返回光信号对测量光纤4上的发生应变点进行定位，首先判断出测量光纤4发生形变处与BOTDR光纤信号解调仪的距离，其公式如下：

式中，为光纤上产生形变点，为形变点至入射端的距离，为真空中的光速；为光纤的折射率，为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔；当光信号在测量光纤4内传播过程中受到光纤应变作用时，光信号发生散射，记录光信号入射进入光纤的时刻，记录散射光信号返回入射端的时刻，获得进入光纤的时刻与返回入射端的时刻的时间间隔；之后变化入射脉冲光的频率重复向测量光纤4发射光信号，从而获得测量光纤4上各采样点的布里渊背向散射光增益谱，定位出光纤上所发生应变的具体位置；

f．当BOTDR光纤信号解调仪得到测量光纤4任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

式中，为发生应变位置处的应力，为封孔浆体凝固后的弹性模量，所述弹性模量为预设值，为前期实验测试数值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值，通常为零；

为避免单根测量光纤4受力不均，将钻孔内构成串联回路的两根光纤所测的应力值进行平均，得到修正后的围岩应力：

式中，为修正后的形变点的围岩应力，、为钻孔内构成回路的两根光纤在任意一点分别所测得的围岩应力；即可得到一个测量钻孔内，沿钻孔轴向上的测量光纤4上各个采样点的实时围岩应力，， ，并进一步获得沿钻孔轴向上的围岩应力增加幅度、增长速率及其随时间的变化规律，对由采掘空间围岩应力集中危险程度进行空间上和时间上的预警。

当工作面需要回采时，在其回采前，在两巷超前80~200m范围内，提前钻孔施工并布置测量光纤4，形成测试回路；随着工作面的推进，可提前将处于割煤区域的钻孔外的测量光纤4的光纤连接头6断开，并在工作面后方位置新增加钻孔，在新增加钻孔中布置测量光纤4并串联，接入矿用光缆，连接到光纤信号解调仪和计算机上；从而得到工作面采动过程中围岩应力场的分布及变化规律。

Claims (5)

1.一种围岩应力场分布测试方法，其特征在于使用围岩应力场分布检测装置包括柱塞（7）和内置有胶结剂的腔体（9），腔体（9）的腔壁上设有出胶口（2），柱塞（7）的底部设有插入腔体（9）的活动塞（8），腔体（9）的上方与柱塞（7）之间连接有保险铁丝（1），腔体（9）底部设有前端尾端光纤固定圆盘（3），前端尾端光纤固定圆盘（3）上设有U型固定凹槽，固定凹槽内穿入有测量光纤（4），测量光纤（4）的两个端头均设有光纤连接头（6），测量光纤（4）尾端设有尾端光纤固定圆盘（5），所述测量光纤（4）的两个端头分别从尾端光纤固定圆盘（5）上的两个光纤紧固阀孔（11）中穿出，并通过光纤紧固阀（10）拉紧固定，尾端光纤固定圆盘（5）上设有注浆孔（12），注浆孔（12）上设有注浆孔封孔片（13）；

围岩应力场分布测试方法步骤如下：

a．使用钻孔机在工作面巷道围岩壁中垂直巷道壁方向钻孔，所述钻孔为水平孔；钻孔顶端为导向用的喇叭形，钻孔喇叭形顶端上开有用于光纤锚固的小孔；

b．先将测量光纤（4）固定于前端尾端光纤固定圆盘（3）中，再将测试装置推入钻孔顶端的小孔内，使测试装置顶端的柱塞（7）在压力的作用下扯断从其内穿入的保险铁丝（1），并推动活动塞（8）压入腔体（9）内，腔体（9）中的胶结剂受到挤压通过出胶口（2）排入测试装置与钻孔壁之间的缝隙中，等待胶结剂固化后，将钻孔内的两根测量光纤（4）穿过尾端光纤固定圆盘（5）上光纤紧固阀孔，并通过光纤紧固阀（10）施加同样大小的预拉力，使测量光纤（4）伸直，同时使用膨胀螺栓穿过尾端光纤固定圆盘（5）上的光纤紧固阀孔（11），将尾端光纤固定圆盘（5）与钻孔外的煤岩壁锚固在一起，之后通过尾端光纤固定圆盘（5）上的注浆孔（12）向钻孔内注浆，待浆体充满整个钻孔后拨动注浆孔封孔片（13）封住注浆孔（12）并等待浆液凝固；

c．在待测试区域内重复上述步骤形成钻孔阵列，钻孔阵列水平相邻钻孔间隔为8~20m，并将各钻孔中的测量光纤（4）尾端的光纤连接头（6）串联后接入矿用光缆，再将矿用光缆接入BOTDR光纤信号解调仪；

d．BOTDR光纤信号解调仪开启工作，先通过矿用光缆向串联起来的测量光纤（4）发送光信号，之后接受从测量光纤（4）返回的光信号，并对返回的光信号进行解调，得到测量光纤（4）上返回的光纤布里渊频移值，通过BOTDR光纤信号解调仪测量的布里渊频移值并计算机处理得到测量光纤（4）上的应变大小，且应变数值与光纤形变幅度成正比；所述解调仪工作过程为，当距离入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到BOTDR光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移变化计算公式为：

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量，考虑到井下围岩温度几乎保持不变，即将近似为0，故只考虑应变对布里渊频移量的影响；

e．BOTDR光纤信号解调仪对接收到的返回光信号对测量光纤（4）上的发生应变点进行定位，首先判断出测量光纤（4）发生形变处与BOTDR光纤信号解调仪的距离，其公式如下：

式中，为光纤上产生形变点，为形变点至入射端的距离，为真空中的光速；为光纤的折射率，为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔；当光信号在测量光纤（4）内传播过程中受到光纤应变作用时，光信号发生散射，记录光信号入射进入光纤的时刻，记录散射光信号返回入射端的时刻，获得进入光纤的时刻与返回入射端的时刻的时间间隔；之后变化入射脉冲光的频率重复向测量光纤（4）发射光信号，从而获得测量光纤（4）上各采样点的布里渊背向散射光增益谱，定位出光纤上所发生应变的具体位置；

f．当BOTDR光纤信号解调仪得到测量光纤（4）任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

式中，为发生应变位置处的应力，为封孔浆体凝固后的弹性模量，所述弹性模量为预设值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值。

2.据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：所述步骤f中为避免单根测量光纤（4）受力不均，将钻孔内构成串联回路的两根光纤所测的应力值进行平均，得到修正后的围岩应力：

式中，为修正后的形变点的围岩应力，、为钻孔内构成回路的两根光纤在任意一点分别所测得的围岩应力；即可得到一个测量钻孔内，沿钻孔轴向上的测量光纤（4）上各个采样点的实时围岩应力，， ，并进一步获得沿钻孔轴向上的围岩应力增加幅度、增长速率及其随时间的变化规律，对由采掘空间围岩应力集中危险程度进行空间上和时间上的预警。

3.根据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：所述钻孔直径大于等于90mm，钻孔深度为8～15m，最大深度为20m，钻孔上倾5～8°，便于水和岩/煤粉顺利排出。

4.根据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：所述钻孔顶端喇叭形深度为7～8cm，所述用于光纤锚固的小孔的孔径为40mm、孔深为35～40cm。

5.根据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：在工作面需要回采时，在其回采前，在两巷超前80~200m范围内，提前钻孔施工并布置测量光纤（4），形成测试回路；随着工作面的推进，可提前将处于割煤区域的钻孔外的测量光纤（4）的光纤连接头（6）断开，并在工作面后方位置新增加钻孔，在新增加钻孔中布置测量光纤（4）并串联，接入矿用光缆，连接到光纤信号解调仪和计算机上。