CN106996841B - 具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，属于传感器领域。四分量探头A、B、C之间通过螺纹及平键连接，且探头A、B沿轴向旋转成90°。每个四分量探头分别承载四个应变传感单元，四分量探头A、B上的四个应变传感单元分别组成两组直角应变花；四分量探头C上的四个应变传感单元组成两组等角应变花。应变传感单元由光纤光栅封装到碳纤维复合材料的凹槽内制作而成。优点在于：具有自洽功能，可以直接监测地下岩层空间应力的大小与方向，具体可以应用于对大型边坡岩体稳定性监测、地震断裂带地层应力监测、山体滑坡监测等。大大减少人民生命伤亡与财产的损失。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别涉及一种具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置。
背景技术
固体地壳的应力状态是地壳的最重要的性质之一，地壳表面与内部发生的各种构造现象及其伴生的各种地质灾害都与地壳应力的作用密切相关。地应力测量与监测不仅为深入认识地震的孕育和发生机制，进而为强震预测提供重要的科学依据，而且也是动力学基础研究的重要组成部分，此外，还将为国家重大工程建设，如深埋隧道、水电工程、深部能源开采、核废料处置场地的选址等深部地下工程的勘测设计提供重要的技术支撑。
随着浅部资源的日益枯竭，矿产资源采掘向深矿山进军，地热资源开发、核废料的地下深埋、深埋隧道等的深度越来越大，随之而来的是地应力的增大，深部岩体结构和构造更加复杂。近年来我国大型矿山煤瓦斯突出、岩爆、巷道变形破坏、突水等问题越来越严重，深部矿区地质灾害的频发，促使人们更加关注深部高应力状态下岩体力学形状和岩石破坏机理、灾害预测和防范措施的研究。人们开采地下资源的工程活动同样使相对稳定的原岩应力状态受到扰动，一旦达到岩石的破裂临界值，就会引发各种矿难。如何既能有效地将矿产资源开采出来，又能制约诱发应力集中的因素，减少和防止灾害的发生，是人们长期不懈努力追求的目标。
近年来，国际地球科学界对深井观测技术十分重视。20世纪末，钻井式地壳应力场动态变化观测技术进入新的发展时期，以日、美等国迅速转向研制深井综合观测系统为标志。美国从90年代中期以来加强了地震预测研究，其PBO(板块边界观测)计划包括建立一个主要由GPS接收机(975套)与钻孔应变仪(200套)构成的地壳变形观测网，在对地震与火山喷发之前和临近时现象的观测中将发挥主要作用。Sacks等人积极开发三腔液压体积式应变仪、并于2001年开始的Mini PBO计划中建成5个200米深的综合观测台站，可观测钻孔应变、钻孔倾斜、孔隙压、地震与GPS。
目前用于地应力监测的主要仪器有压磁式应力计、振弦式应力计、体积式应变计、USBM孔径变形计、空心包体应变计等。压磁式应力计时利用镍合金材料的磁致伸缩性来测量岩石应力，在我国广泛应用，但只能测岩石的二维应力状态。振弦式应力计时通过测量刚弦张力的变换推算岩体应力变化，具有很高的稳定性，美国至今还在广泛应用它，但它只是一种单向应力计。孔径变形计是通过测量钻孔直径的变化而计算垂直于钻孔轴线的平面的二维应力状态。同压磁式应力计一样，若想测量确定的一定的三维应力状态，必须通过打三个互不平行且交汇于一点的钻孔方式来测量。空心包体应变计是世界上最广泛采用的地应力测量仪器，它使用电阻应变片组成三维应变花进行三维应力测量，但它需要通过原位岩石参数换算应力，而原位岩石参数很难准确获取。
以上都是基于电学的监测仪器，还存在抗电磁干扰能力差、受钻孔位置和钻孔深度的限制以及仪器在高温高压下长期工作稳定性等问题；另外，传统的电学监测仪只能监测一个平面的应力变化情况，缺少对空间应力变化观测的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明采用光纤传感技术研制，具有无源性、响应速度快、抗电磁干扰、便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点，并且可以同时观测空间中三个相互正交平面的应力变化情况，并可以自行检测观测数据的可靠性，非常适用于恶劣环境下的地应力长期观测。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，包括四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15、光纤出口端16及传感装置端头17，所述四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15之间通过螺纹及平键连接，且四分量探头A5与四分量探头B10沿轴向旋转成90°，四分量探头A5的一端与光纤出口端16连接，四分量探头C15的一端与传感装置端头17连接；所述四分量探头A5上承载应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3及应变传感单元D4，且应变传感单元A～D组成一组直角应变花；所述四分量探头B10上承载应变传感单元E6、应变传感单元F7、应变传感单元G8及应变传感单元H9，且应变传感单元E～H组成一组直角应变花；所述四分量探头C15上承载应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13及应变传感单元L14，且应变传感单元I～L组成两组等角应变花。
所述的四分量探头A5、四分量探头B10承载的两组直角应变花分别是将应变传感单元A～D、应变传感单元E～H放置于探头机体18表面上成一定角度的四个凹槽内。
所述的一定角度为45°。
所述的应变传感单元A～L分别是由光纤光栅20封装到碳纤维复合材料21的凹槽内制作而成，碳纤维复合材料21由碳纤维布经高温模压成型工艺制作而成。
所述的光纤光栅20为外径0.125mm的单模光纤，反射率近似为100％，3dB带宽为1.068nm。
所述的四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15的结构分别由铝合金的探头机体18置于探头保护外壳19内构成。
所述的四分量探头A5、四分量探头B10分别承载的两组应变花具有对四分量探头A5、四分量探头B10自身自洽功能；四分量探头A5的应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3组成一组直角应变花T1，应变传感单元B2、应变传感单元C3、应变传感单元D4组成一组直角应变花T2；如果应变花T1与T2测量计算出的最大主应变εmax、最小主应变εmin、方向角度α满足自洽方程组，则说明传感器监测数据有效且准确；如果当观测数据不自洽时，说明两组应变花的监测数据有偏差，这样的数据是不能用于应变计算与分析；
其中，所述的自洽方程是用来检验每个探头上两组应变花得出的εmax、εmin、α`是否相等；
根据而相应变状态方程
对于任意给出三个方向的角度α1、α2、α3，根据(1)式得出
对于应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3组成的直角应变花，可以得到各自角度：
把(3)带入到(2)中，得到
把公式4带入到下式5中，即可求出最大主应变与最小主应变及其方向如6式所示：
当应力作用于应变传感单元时，可以同时引起ΛB的变化和由弹光效应造成的neff的变化，其表达式为：
式中ΔλB为应力引起的应变传感单元光纤光栅反射波长变化量，ε为应变传感单元中光纤光栅的应变量，Pe为光纤有效弹光系数；
令ke＝(1-Pe)ε×λB，公式(7)可以写成
ΔλB＝keε (8)
对于应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3测量的应变可以表示为
将公式(9)带入到公式(6)中得到最大、小主应变与应变传感单元波长变化之间的关系：
同理，对于四分量探头A5的应变传感单元B2、应变传感单元C3、应变传感单元D4组成的直角应变花，其测量出同一平面内的应变状态ε'max、ε'min、α'0为：
将得到每组应变花测量的应变状态带入到自洽方程组中，看是否自洽，其自洽方程组为
所述的四分量探头C15承载的等角应变花是将应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13、应变传感单元L14放置于探头机体表面成特定角度的凹槽内；其中，四个应变传感单元组成两组等角应变花，应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13组成一组等角应变花，应变传感单元I11、应变传感单元K13、应变传感单元L14组成一组等角应变花，两组等角应变花具有自校验功能以及实现对水平面内应变状态的监测；
其中，两组等角应变花自校验，应变传感单元J12、应变传感单元L14满足波长自校验方程
Δλ12＝Δλ14 (13)。
所述的特定角度为探头机体径向成120°。
本发明的有益效果在于：可以直接监测地下岩层空间应力的大小与方向，具体可以应用于对大型边坡岩体稳定性监测、地震断裂带地层应力监测、山体滑坡监测等。大大减少人民生命伤亡与财产的损失。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的立体分解示意图；
图4为本发明的应变传感单元结构示意图；
图5为本发明的封装后的应变传感单元示意图；
图6为本发明的四分量探头A上的四个应变传感单元之间相对位置角度。
图中：1、应变传感单元A；2、应变传感单元B；3、应变传感单元C；4、应变传感单元D；5、四分量探头A；6、应变传感单元E；7、应变传感单元F；8、应变传感单元G；9、应变传感单元H；10、四分量探头B；11、应变传感单元I；12、应变传感单元J；13、应变传感单元K；14、应变传感单元L；15、四分量探头C；16、光纤出口端；17、传感装置端头；18、探头机体；19、探头保护外壳；20、光纤光栅；21、碳纤维复合材料。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，包括四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15、光纤出口端16及传感装置端头17，所述四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15之间通过螺纹及平键连接，且四分量探头A5与四分量探头B10沿轴向旋转成90°，四分量探头A5的一端与光纤出口端16连接，四分量探头C15的一端与传感装置端头17连接；所述四分量探头A5上承载应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3及应变传感单元D4，且应变传感单元A～D组成一组直角应变花；所述四分量探头B10上承载应变传感单元E6、应变传感单元F7、应变传感单元G8及应变传感单元H9，且应变传感单元E～H组成一组直角应变花；所述四分量探头C15上承载应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13及应变传感单元L14，且应变传感单元I～L组成两组等角应变花。
所述的四分量探头A5、四分量探头B10承载的两组直角应变花分别是将应变传感单元A～D、应变传感单元E～H放置于探头机体18表面上成一定角度的四个凹槽内。
所述的一定角度为45°。
所述的应变传感单元A～L分别是由光纤光栅20封装到碳纤维复合材料21的凹槽内制作而成，碳纤维复合材料21由碳纤维布经高温模压成型工艺制作而成。
所述的光纤光栅20为外径0.125mm的单模光纤，反射率近似为100％，3dB带宽为1.068nm。
所述的四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15的结构分别由铝合金的探头机体18置于探头保护外壳19内构成。
所述的四分量探头A5、四分量探头B10分别承载的两组应变花具有对四分量探头A5、四分量探头B10自身自洽功能；四分量探头A5的应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3组成一组直角应变花T1，应变传感单元B2、应变传感单元C3、应变传感单元D4组成一组直角应变花T2；如果应变花T1与T2测量计算出的最大主应变εmax、最小主应变εmin、方向角度α满足自洽方程组，则说明传感器监测数据有效且准确；如果当观测数据不自洽时，说明两组应变花的监测数据有偏差，这样的数据是不能用于应变计算与分析；
其中，所述的自洽方程是用来检验每个探头上两组应变花得出的εmax、εmin、α`是否相等；
根据而相应变状态方程
对于任意给出三个方向的角度α1、α2、α3，根据(1)式得出
对于应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3组成的直角应变花，可以得到各自角度：
把(3)带入到(2)中，得到
把公式4带入到下式5中，即可求出最大主应变与最小主应变及其方向如6式所示：
当应力作用于应变传感单元时，可以同时引起ΛB的变化和由弹光效应造成的neff的变化，其表达式为：
式中ΔλB为应力引起的应变传感单元光纤光栅反射波长变化量，ε为应变传感单元中光纤光栅的应变量，Pe为光纤有效弹光系数；
令ke＝(1-Pe)ε×λB，公式(7)可以写成
ΔλB＝keε (8)
对于应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3测量的应变可以表示为
将公式(9)带入到公式(6)中得到最大、小主应变与应变传感单元波长变化之间的关系：
同理，对于四分量探头A5的应变传感单元B2、应变传感单元C3、应变传感单元D4组成的直角应变花，其测量出同一平面内的应变状态ε'max、ε'min、α'0为：
将得到每组应变花测量的应变状态带入到自洽方程组中，看是否自洽，其自洽方程组为
所述的四分量探头C15承载的等角应变花是将应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13、应变传感单元L14放置于探头机体表面成特定角度的凹槽内；其中，四个应变传感单元组成两组等角应变花，应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13组成一组等角应变花，应变传感单元I11、应变传感单元K13、应变传感单元L14组成一组等角应变花，两组等角应变花具有自校验功能以及实现对水平面内应变状态的监测；
其中，两组等角应变花自校验，应变传感单元J12、应变传感单元L14满足波长自校验方程
Δλ12＝Δλ14 (13)。
所述的特定角度为探头机体径向成120°。
实施例：
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行一步详细说明。应当理解，此处所叙述的实施例仅用来以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1、图2及图6所示，本实施例所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置具有三个四分量探头，四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15之间通过螺纹及平键等机械结构连接，在空间相对位置，四分量探头A5与四分量探头B10沿轴线旋转成90°。四分量探头A5承载应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3、应变传感单元D4，应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3组成一组直角应变花，应变传感单元B2、应变传感单元C3、应变传感单元D4组成一组直角应变花，两组应变花对所监测平面内的应力大小与方向具有自校验功能；四分量探头B10也承载四个应变传感单元，即应变传感单元E6、应变传感单元F7、应变传感单元G8、应变传感单元H9，应变传感单元E6、应变传感单元F7、应变传感单元G8组成一组直角应变花，应变传感单元F7、应变传感单元G8、应变传感单元H9组成一组直角应变花，两组应变花也具有自校验功能；四分量探头C15承载四个应变传感单元，即应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13、应变传感单元L14，其中应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13组成一组等角应变花，应变传感单元I11、应变传感单元K13、应变传感单元L14组成一组等角应变花，两组等角应变对所监测平面内的应力大小与方向具有自校验功能。
如图3所示，探头机体18采用圆柱形铝合金实体结构，每个探头机体上分别有四个成不同角度的凹槽，用于放置应变传感单元并确定应变传感单元的空间角度位置。每个四分量探头分别承载四个应变传感单元，组成两组应变花。两组应变花同时对空间中的一个正交平面测量，并互相校验。探头保护外壳19保护走线光纤以及防止泥浆进入传感装置内部。每个应变传感单元是将光纤光栅21经过一定的工艺封装到碳纤维复合材料21的凹槽内制作而成。
所述的三个四分量探头之间的螺纹及平键等机械结构，保证了三个四分量探头之间的连接以及防止三个四分量探头之间的相对旋转。
所述的不同角度凹槽是：四分量探头A、B的圆柱形的探头机体表面的四个凹槽分别成90°、45°、0°、-45°；四分量探头C的探头机体表面的凹槽沿圆柱体表面径向成120°。
所述的光纤光栅20为外径0.125mm的单模光纤，反射率近似为100％，3dB带宽为1.068nm。
所述的碳纤维复合材料是碳纤维布经一定的高温模压成型工艺制造出的一种复合材料体，其具有各向异性、耐腐蚀等优点。其材料弹性模量受碳纤维布粘贴方向的影响，可以根据自身的设计需要来选择碳纤维布的粘贴方向。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：包括四分量探头A(5)、四分量探头B(10)、四分量探头C(15)、光纤出口端(16)及传感装置端头(17)，所述四分量探头A(5)、四分量探头B(10)、四分量探头C(15)之间通过螺纹及平键连接，且四分量探头A(5)与四分量探头B(10)沿轴向旋转成90°，四分量探头A(5)的一端与光纤出口端(16)连接，四分量探头C(15)的一端与传感装置端头(17)连接；所述四分量探头A(5)上承载应变传感单元A(1)、应变传感单元B(2)、应变传感单元C(3)及应变传感单元D(4)，且应变传感单元A～D组成一组直角应变花；所述四分量探头B(10)上承载应变传感单元E(6)、应变传感单元F(7)、应变传感单元G(8)及应变传感单元H(9)，且应变传感单元E～H组成一组直角应变花；所述四分量探头C(15)上承载应变传感单元I(11)、应变传感单元J(12)、应变传感单元K(13)及应变传感单元L(14)，且应变传感单元I～L组成两组等角应变花；
所述的四分量探头A(5)、四分量探头B(10)分别承载的两组应变花具有对四分量探头A(5)、四分量探头B(10)自身自洽功能；四分量探头A(5)的应变传感单元A(1)、应变传感单元B(2)、应变传感单元C(3)组成一组直角应变花T1，应变传感单元B(2)、应变传感单元C(3)、应变传感单元D(4)组成一组直角应变花T2；如果应变花T1与T2测量计算出的最大主应变εmax、最小主应变εmin、方向角度α满足自洽方程组，则说明传感器监测数据有效且准确；如果当观测数据不自洽时，说明两组应变花的监测数据有偏差，这样的数据是不能用于应变计算与分析；
其中，所述的自洽方程是用来检验每个探头上两组应变花得出的εmax、εmin、α`是否相等；
根据而相应变状态方程
对于任意给出三个方向的角度α1、α2、α3，根据(1)式得出
对于应变传感单元A(1)、应变传感单元B(2)、应变传感单元C(3)组成的直角应变花，可以得到各自角度：
把(3)带入到(2)中，得到
把公式4带入到下式5中，即可求出最大主应变与最小主应变及其方向如6式所示：
当应力作用于应变传感单元时，可以同时引起ΛB的变化和由弹光效应造成的neff的变化，其表达式为：
式中ΔλB为应力引起的应变传感单元光纤光栅反射波长变化量，ε为应变传感单元中光纤光栅的应变量，Pe为光纤有效弹光系数；
令ke＝(1-Pe)ε×λB，公式(7)可以写成
ΔλB＝keε (8)
对于应变传感单元A(1)、应变传感单元B(2)、应变传感单元C(3)测量的应变可以表示为
将公式(9)带入到公式(6)中得到最大、小主应变与应变传感单元波长变化之间的关系：
同理，对于四分量探头A(5)的应变传感单元B(2)、应变传感单元C(3)、应变传感单元D(4)组成的直角应变花，其测量出同一平面内的应变状态ε'max、ε'min、α'0为：
将得到每组应变花测量的应变状态带入到自洽方程组中，看是否自洽，其自洽方程组为
2.根据权利要求1所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：所述的四分量探头A(5)、四分量探头B(10)承载的两组直角应变花分别是将应变传感单元A～D、应变传感单元E～H放置于探头机体(18)表面上成一定角度的四个凹槽内。
3.根据权利要求2所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：所述的一定角度为45°。
4.根据权利要求1所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：所述的应变传感单元A～L分别是由光纤光栅(20)封装到碳纤维复合材料(21)的凹槽内制作而成，碳纤维复合材料(21)由碳纤维布经高温模压成型工艺制作而成。
5.根据权利要求4所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：所述的光纤光栅(20)为外径0.125mm的单模光纤。
6.根据权利要求1所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：所述的四分量探头A(5)、四分量探头B(10)、四分量探头C(15)的结构分别由铝合金的探头机体(18)置于探头保护外壳(19)内构成。
7.根据权利要求1所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：所述的四分量探头C(15)承载的等角应变花是将应变传感单元I(11)、应变传感单元J(12)、应变传感单元K(13)、应变传感单元L(14)放置于探头机体表面成特定角度的凹槽内；其中，四个应变传感单元I～L组成两组等角应变花，应变传感单元I(11)、应变传感单元J(12)、应变传感单元K(13)组成一组等角应变花，应变传感单元I(11)、应变传感单元K(13)、应变传感单元L(14)组成一组等角应变花，两组等角应变花具有自校验功能以及实现对水平面内应变状态的监测；
其中，两组等角应变花自校验，应变传感单元J(12)、应变传感单元L(14)满足波长自校验方程
Δλ12＝Δλ14 (13)。
8.根据权利要求7所述的具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，其特征在于：所述的特定角度为探头机体径向成120°。
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