CN107402087A - 一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统 - Google Patents

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CN201710499026.9A
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陈卫忠
赵武胜
田洪铭
谭贤君
马池帅
宋万鹏
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Shandong Xingdun Security And Protection Technology Co ltd
Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Shandong University
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Shandong Xingdun Security And Protection Technology Co ltd
Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Shandong University
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infra-red, visible light, ultra-violet
    • G01L1/242Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infra-red, visible light, ultra-violet the material being an optical fibre

Abstract

本申请公开了一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统。监测装置,包括:壳体,呈筒体结构,所述壳体为内外双层结构,内层和外层材料的弹性模量为8‑15GPa、抗拉强度不小于60MPa;至少六个方向互不相同的光纤光栅,其布设在所述壳体的内层和外层之间,所述光纤光栅的栅区长度为2‑4mm。通过对壳体结构的双层设计、对壳体材料的限定、以及对光纤光栅的栅区长度的选择,不仅实现了在长期下对围岩三维扰动应力场的准确监测,而且大大提高了光纤光栅的成活率,使得利用光纤光栅测量围岩三维扰动应力的监测装置可以实现产业化生产,在世界范围内填补了该领域一直存在的技术空白。

Description

一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统
技术领域
[0001] 本公开一般涉及测试技术领域,具体涉及岩土、采矿等地下工程应力测试技术领 域,尤其涉及一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统。
背景技术
[0002] 随煤炭资源开采深度和开采强度的增加,冲击地压已成为国内外煤矿开采领域面 临的主要灾害之一。采矿工程特别是煤矿,地质环境和应力条件复杂,巷道或工作面围岩在 高地应力和强卸荷共同作用下,采动应力重新分布,时空关系复杂,高应力释放、转移、传递 引起的煤岩体的动力学特征明显,在一定条件下将会引起冲击地压动力灾害,严重影响工 程施工进度和安全,常造成施工设备损坏和重大人员伤亡事故。冲击地压发生前期,煤岩中 能量并未释放,但内部的应力集中程度却有突然增高的现象。故灾害的发生首先体现在应 力状态的变化上,应力变化是预测动力灾害的关键,应力状态的测量是实现动力灾害准确 预报的基础。通过现场获取和分析工程建设开挖过程中应力状态的演化过程,可以有效实 现灾害的预警和控制。因此,煤岩体应力测试成为矿业开采中动力灾害研究的重要内容之 〇
[0003] 对于煤岩体中的应力测试主要分为两类:未受工程扰动的原岩地应力测试和施工 过程中的扰动应力测试。前者较为成熟的测试有钻孔应力解除法、水压致裂法等;后者扰动 应力测试的代表性技术为单向钻孔应力计,其中冲击地压的测量属于扰动应力测试技术领 域。。
[0004] 然而,上述现有技术存在以下缺点:
[0005] 在井下监测预警冲击地压时,需要提前在通风或运输巷道的顶板岩层中埋设传感 器,随着开采工作面向传感器位置的推进,监测顶板岩层扰动应力的变化,进而对冲击地压 进行预测与预警。监测预警周期一般从传感器埋设开始到工作面超过监测面一段距离后结 束,其一般要持续十几天到数月不等,这就对监测装置能够实现动态长期监测提出了较高 的要求。而目前的三维岩石应力测试传感器仅能实现一到两天的短期测量,当进行长期测 量时测量数据会出现严重偏差,无法得到准确的测量结果,无法实现地应力的长期测量;另 一方面,扰动应力的三维测量技术仅处于实验室水平的探索阶段,不能满足工业化生产的 要求。因此现有技术中,地下空间复杂环境下冲击地压三维应力演化过程的动态长期监测 非常困难,业内在该领域一直存在技术空白。
发明内容
[0006] 鉴于现有技术中的上述缺陷或不足,期望提供一种围岩三维扰动应力场的监测装 置及监测系统。
[0007] 第一方面,本申请实施例提供了一种围岩三维扰动应力场的监测装置,包括:
[0008] 壳体,呈筒体结构,所述壳体为内外双层结构,内层和外层材料的弹性模量为8-15GPa、抗拉强度不小于60MPa;
[0009] 至少六个方向互不相同的光纤光栅,其布设在所述壳体的内层和外层之间,所述 光纤光栅的栅区长度为2_4mm。
[0010] 第二方面,本申请实施例还提供了一种围岩三维扰动应力场的监测系统,包括上 述的围岩三维扰动应力场的监测装置,
[0011] 还包括终端设备、波长解调仪和定向仪,所述光纤光栅通过所述波长解调仪与所 述终端设备连接,所述定向仪与所述终端设备连接;
[0012] 所述终端设备通过所述光纤光栅的波长信号得到所述光纤光栅对应测点处的应 变数据,所述终端设备根据所述定向仪获得所述光纤光栅的方位信息;
[0013] 所述终端设备根据所述光纤光栅赋存体的弹性模量和泊松比、以及所述光纤光栅 的方位信息,将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据,进而得到测点处的应力状态。
[0014] 本申请实施例提供的围岩三维扰动应力场的监测方案,通过对壳体结构的双层设 计、对壳体材料的限定、以及对光纤光栅的栅区长度的选择,不仅实现了在长期下对围岩三 维扰动应力场的准确监测,而且大大提高了光纤光栅的成活率,使得利用光纤光栅测量围 岩三维扰动应力的监测装置可以实现产业化生产,在世界范围内填补了该领域一直存在的 技术空白。
附图说明
[0015] 通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它 特征、目的和优点将会变得更明显:
[0016] 图1为本发明实施例一应力测试系统的架构图;
[0017] 图2为本发明实施例一应力测试装置的结构示意图;
[0018] 图3为光纤光栅传感器布置截面示意图;
[0019] 图4为A组光纤光栅应变花示意图;
[0020] 图5为B组光纤光栅应变花示意图;
[0021] 图6为C组光纤光栅应变花示意图;
[0022]图7为光纤Bragg光栅结构不意图;
[0023] 图8为光源入射光谱图;
[0024] 图9为光纤Bragg光栅反射特性图;
[0025] 图10为光纤Bragg光栅透射特性图;
[0026] 图11为三维钻孔围岩应力分布状态图;
[0027] 图12为电阻应变花的受力状态示意图;
[0028] 图13为传统壳体(环氧树脂:typeA)流变时程曲线;
[0029] 图14为传统壳体(环氧树脂:typeB)流变时程曲线;;
[0030] 图15为本发明壳体流变实验结果;
[0031] 图16为本发明传感器在标定实验中的测试结果。
[0032] 其中,1、导向杆;2、密封圈卡槽;3、出胶孔;4、柱塞;5、出胶通道;6、固定销;7、壳体 储胶腔;8、测量光纤光栅;9、独立光栅传感器;10、补偿光栅传感器;11、定向销;12、光纤; 13、前端封垫;14、后端封垫;15、壳体,16、连接杆。
具体实施方式
[0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例 中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然,所描述的实施例是 本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述,附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0034] 需要说明的是,在不冲突的情况下,通常在此附图中描述和示出的本发明实施例 的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅 仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0035] 在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,属于“设置”、 “连接”应作广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体的连接;可以是 机械连接,也可以是电连接;可以是直接连接,也可以通过中间媒介间接连接,可以是两个 元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。
[0036] 实施例一:
[0037] 图1作为本发明的适用例的测试系统的架构图。
[0038] 如图1所示,测量系统架构可以包括监测装置101、102、103、104,传输介质和测量 仪201。传输介质用以实现监测装置101、102、103、104和测量仪201之间的通信连接。
[0039] 其中,传输介质主要包括光缆。
[0040] 终端设备可以是单独的测量仪,也可以是各种电子设备,包括但不限于个人电脑、 智能手机、智能电视、平板电脑等等。
[0041] 应该理解,图1中的监测装置、终端设备的数目仅仅是示意性的。根据实现需要,一 个终端设备可以连接有限数目的监测装置,例如,若每支传感器有两根通讯光纤,32通道终 端设置可连接16支传感器。
[0042] 如背景技术中所提到的,在井下监测预警冲击地压时,监测预警周期一般从传感 器埋设开始到工作面超过监测面一段距离后结束,其一般要持续十几天到数月不等,其中 重要的一点是:传感器必须要具有长期稳定性,在一定的应力水平下不能有明显的流变性。 而传统的原岩应力测试技术由于采用电桥采集方式,必须在整个检测过程中保证稳定供 电,因此存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较差的缺点,此外,相应的传感器基材具有 明显的流变性,且易受酸碱腐蚀等复杂地下环境影响而失效,难以适应长期工程监测的要 求,无法实现准确的长期远距离动态检测。而扰动应力测试尚不成熟,目前已有但是其仅仅 测试煤岩体中单一方向而并非三维扰动应力值,且不能实现实时长期在线监测。
[0043] 在本领域的实验室探索方面,有直接将光纤光栅布设到壳体中的初步尝试。但是 在这种尝试下,光纤光栅的成活率特别低,绝大部分的光纤光栅应变传感器会发生失效,根 本无法实现监测装置的产业化生产。而长期监测的准确性就更无从谈起。
[0044] 鉴于现有技术的上述缺陷,本申请实施例提供了一种可以长期测量扰动地应力的 三维应力监测装置,如图2所示,三维应力监测装置可以包括:呈筒体结构的壳体,所述壳体 为内外双层结构,内层和外层材料的弹性模量为8_15GPa、抗拉强度不小于60MPa;在壳体的 内层和外层之间,至少设置有六个方向互不相同的测量光纤光栅8,所述测量光纤光栅的栅 区长度为2-4mm。
[0045] 对于光纤光栅监测装置成活率和长期准确监测的影响因素非常隐蔽,因此现有技 术中,至今没有一种理想的能够实现三维扰动应力长期监测的装置。在经历了大量的研究 分析和试验操作后,本方案找到了影响光纤光栅监测装置成活率和长期测量结果准确性的 关键性因素:影响光纤光栅监测装置成活率的关键性因素为光纤光栅的栅区长度;影响光 纤光栅监测装置长期测量结果准确性的关键性因素为壳体的弹性模量。
[0046] 试验过程中,当选择光纤光栅的栅区长度为Imm时,光纤光栅全部失效。而当光线 光栅的栅区长度为6mm时,有83%的光纤光栅出现了严重的啁嗽现象,导致测量结果出现错 误。当光纤光栅的栅区长度为2_4mm时,均未发生啁嗽现象,并且光纤光栅的成活率达到 90%,符合监测装置工业化生产的要求。
[0047] 此外,传统的监测装置的壳体,普遍采用工业塑料制成,其弹性模量为2_3GPa,并 采用单层结构。由于在以往的研究中并未意识到壳体的材料会影响长期测量结果的准确 性,因此壳体的选择一直没有得到重视。
[0048] 通过试验发现,这种壳体材料具有较强的流变性,将严重影响长期监测的精度,无 法用于长期监测。当壳体改用由环氧树脂制成的双层结构时,光纤光栅布设在两层结构之 间,并且内层和外层的弹性模量为8_15GPa时,壳体的流变性大幅降低,保证了长期监测时 的测量精度。
[0049] 可以理解的是,当壳体采用其他材料时,只要该材料能满足弹性模量、抗拉强度和 泊松比的相关要求,即可达到相应的效果,均在本申请的保护范围之内。
[0050] 从图13-图14可以看出,传统的环氧树脂壳体在20MPa应力水平下,在应力不变的 情况下,应变不断增加,具有较强的流变性。从图15可以看出,本发明采用的壳体材料为德 国polytec TC 451型环氧树脂,其弹性模量为lOGPa,抗拉强度60MPa,泊松比0.19,在20MPa 应力水平下,在应力不变的情况下,应变几乎不变,说明该材料具有较好的长期稳定性。从 图16可以看出,采用本发明提出的传感器用于应力测量时,同样具有较好的稳定性,解决了 无法实现围岩三维扰动应力长期测量的技术难题。实验证明,当监测装置的壳体采用上述 材料时,可以实现长达3-5年的长期监测。
[0051] 此外,根据钻孔围岩应力分布公式可知,围岩应力共有6个独立分量,因此设置至 少6个互不平行的应变传感器,即可保证方程有6个独立分量,可以求解所需求解的应力分 量。
[0052] 具体的,测量光纤光栅可以采用光纤Bragg光栅。光纤光栅传感器通过Bragg光栅 反射波长的移动来感应外界微小应变变化而实现对结构的在线测量,具有本质安全、抗电 磁干扰、防水防潮、抗腐蚀、耐久性长及测试精度高等特点,且信号传输距离远,可进行远 程、长久监测,为复杂条件下工程长期、有效的三维应力及其分布测试提供可能。
[0053] 测量光纤光栅8沿同一圆周分为三组等间距布设,每组测量光纤光栅8至少设有三 个,分别沿周向、轴向、以及与轴向间隔45°的方向布设。采用这种布置方式,计算原理更加 简单明确。得到的独立方程多于6个,通过数据处理,可以保证采集结果更加科学准确。
[0054] 进一步的,如图2所示,为某种监测装置的结构示意图,其壳体的前端开口、后端封 闭,壳体的内部构成用以容纳胶体粘结剂的壳体储胶腔7;在壳体上固定有用以测量的所述 光纤光栅,光纤12经由连接壳体后端的刚性连接杆内引出,分别接入在波长解调仪上,波长 解调仪与计算机通过信号线连接。
[0055] 作为围岩三维扰动应力场的监测装置的传感器可以采用如下具体结构,在壳体的 前端开口处通过临时固定件固定设置的塞体结构,当监测装置被推送至钻孔底部时,壳体 的前端被钻孔底部阻挡,继续推进监测装置,当壳体和塞体结构之间的受力强度大于临时 固定件的强度时,临时固定件失效。在推力的作用下,塞体结构的部分塞体被容纳于壳体 内,储胶腔内的胶体粘结剂在塞体结构的挤压下沿着塞体结构内的出胶通道5流出至壳体 的外侧。在塞体结构的前端和壳体的后端分别设有用以封堵胶体粘结剂的前端封垫13和后 端封垫14,在前端封垫和后端封垫的作用下,使胶体粘结剂在壳体外侧和钻孔内壁之间充 分填充,并迅速凝结固化。
[0056] 本发明提出的环氧树脂胶具有相对较高的刚度与抗拉强度,胶体粘结剂的初凝时 间为30-45分钟,终凝时间为15-17小时,弹性模量为8-15GPa,抗拉强度不小于60MPa。
[0057] 现有技术中普遍使用水泥砂浆作为粘结材料来填充壳体与钻孔之间的空隙。由于 壳体与钻孔之间的粘结材料属于辅助性因素,因此本领域内对这一因素长期没有进行关 注。本方案通过试验发现:水泥砂浆材料在固化过程中会发生收缩,且水泥砂浆材料的抗拉 强度通常小于2MPa,用于长期监测时传感器与围岩易发生滑脱,导致监测失败。
[0058] 本方案提出采用环氧树脂胶作为粘结剂,并对粘结剂的弹性模量和抗拉强度进行 限定,能够保证传感器的长期稳定性及与围岩间粘结的可靠性,避免了传感器与围岩发生 滑脱而造成的监测失败,大大提高了监测的成功概率,而且可以明显提高监测精度,具有显 著的进步。
[0059] 以下为某种具体的胶体粘结剂的相关参数:胶体粘结剂注入壳体储胶腔,在25-35 度环境下,初凝时间约30-45分钟,终凝时间约16小时,抗拉强度60-90MPa,弹性模量IOGPa, 泊松比〇· 19,20MPa应力下没有流变。
[0060] 可以理解,当给出这种胶体粘结剂的需求时,总能在市场上购买到满足上述参数 的胶体粘结剂。而胶体参数的选择对实现传感器的长期稳定监测、提高监测准确性具有重 要意义。
[0061] 在刚性连接杆内还设有可自由伸缩的温度补偿光栅传感器,温度补偿光栅与所述 光纤光栅为同一种基体材料,所述温度补偿光栅传感器的参数与所述光栅传感器的参数一 致。
[0062] 测量光纤光栅8和温度补偿光栅传感器10的具体布设方案如下:
[0063] 如图3-图6所示,圆柱刚筒外表面沿同一圆周等间距(120°)嵌埋A、B、C三组光纤光 栅应变花,每组由4个测量光纤光栅8组成,相互间隔45°。高精度温度补偿光栅传感器10参 数与测量光纤光栅8—致,布置在刚性连接杆内部,剔除温度扰动引起的波长漂移,使应变 测量不受环境温度变化的影响。
[0064] 为解决光纤光栅温度与应变的交叉敏感问题,基于光栅法的温度补偿原理制作智 能温补结构,实现了复杂温度环境下对温度和应变的同时监测,大大提高岩体变形或破坏 的测试精度,更有利于灾害的预防。
[0065] 应变测量需要剔除温度扰动引起的波长漂移,使应变测量不受环境温度变化的影 响,即为光纤光栅的温度偿方法。本申请中采用不受力温度补偿法,将光纤Bragg光栅布设 于被测对象,用于材料的变形测试,另一根布设于相同材料且不受力的构件上,仅感受温度 变化;以不受力光栅为参考,即可得到材料的真实应变。采用高精度温度补偿光栅传感器10 作温度补偿,解决了应变-温度交叉敏感问题,剔除了由温度扰动引起的应变测量误差。
[0066] 壳体15的直径为36mm,一般,测试钻孔的钻杆直径多为37mm (成孔直径约38mm),壳 体15的直径略小于钻杆直径,一方面能保证壳体15可以伸入至钻孔内,另一方面保证固结 的胶体厚度适宜,既有足够的粘结强度,又不至于使用胶体过多而产生浪费。
[0067] 塞体结构通过临时固定件固定设于壳体15的前端开口处。临时固定件为固定销6, 固定销6在预设折断处设有缺口,当壳体15和塞体结构之间的受力强度大于固定销6的强度 时,固定销6在缺口处被折断,使柱塞4推入壳体15内。这种结构设计简单,使用方便,成本低 廉。
[0068] 在塞体结构的前端可以设置有可拆卸的导向杆1,导向杆1的端部具有向前方的凸 出体,本实施例中可以为呈圆锥体的导向箭头,以方便监测装置向钻孔内的推进。便于掌握 孔底位置,确保后续挤胶过程推力的稳定。
[0069] 后端封垫14和前端封垫13均为环形密封垫,环形密封垫的外径尺寸与钻孔的尺寸 相匹配,连接杆16上设有密封圈卡槽2,后端封垫14通过密封圈卡槽2固定在连接杆16上。
[0070] 本实施例中,为了提高对胶体粘结剂的封堵性能,前端封垫和后端封垫均由三层 间隔设定距离的橡胶密封圈构成。应该理解,构成前端封垫和后端封垫的橡胶密封圈的数 目仅仅是示意性的,根据实现需要,可以具有一个或其他数目的橡胶密封圈。密封圈下部设 置一圈出胶孔3,其与内部出胶通道5相连。
[0071] 壳体储胶腔的后端设有一独立光栅传感器9,当塞体结构到达壳体储胶腔底部时, 独立光栅传感器9可被挤断,该通道传输数据相应缺失,以此推断胶体粘结剂全部挤出,与 孔壁粘合。
[0072] 连接杆16上设有定向销11,定向销11与推送杆定位槽嵌接,避免推送过程中测试 装置旋转,保证传感器安装方位的相对稳定。
[0073] 本申请实施例还提供了一种可以长期测量扰动地应力的三维应力监测系统,该监 测系统包括上述的围岩三维扰动应力场的监测装置,此外还包括终端设备、波长解调仪和 定向仪,所述光纤光栅通过所述波长解调仪与所述终端设备连接,所述定向仪与所述终端 设备连接;
[0074] 所述终端设备通过所述光纤光栅的波长信号得到所述光纤光栅对应测点处的应 变数据,所述终端设备根据所述定向仪获得所述光纤光栅的方位信息;
[0075] 所述终端设备根据所述光纤光栅赋存体的弹性模量和泊松比、以及所述光纤光栅 的方位信息,将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据,进而得到测点处的应力状态。
[0076] 所述赋存体是指光纤光栅赋存环境的结构体,包括壳体和胶体粘结剂,以及钻孔 孔壁处的围岩。
[0077] 进一步的,监测装置上还设有可沿轴向自由伸缩的温度补偿光栅传感器,所述温 度补偿光栅传感器的参数与所述光栅传感器的参数一致,所述终端设备与所述温度补偿光 栅传感器连接,可以使终端设备直接计算出消除温度影响之后的准确的三维应力值。
[0078] 传统的应力测量方法,是将测得的应变结合围岩的弹性模量和泊松比来确定围岩 的应力变化情况。这存在以下问题:即实际测量的是应变片载体的应变值,虽然应变片载体 赋存在围岩中,但是应变片载体的应变值与围岩真实的应变值之间有差别,即:所测量的应 变值并不是围岩真实的应变值,用这一应变值结合围岩自身的弹性模量和泊松比无法获得 真实的围岩应力的变化情况。
[0079] 本实施例中,应变传感器固定在壳体上,壳体与围岩之间通过固结胶体紧密贴合。 当围岩发生变形时,会挤压胶体和设有应变传感器的相应的壳体也发生变形,由于壳体的 弹性模量小于围岩,围岩的变形等于壳体的变形,而导致壳体发生的变形又等于传感器检 测到的变形。利用设置于壳体上的应变传感器,得到壳体或围岩的应变值,根据壳体、固结 胶体、及围岩的弹性模量和泊松比,可计算得到围岩的扰动应力值。这种巧妙的思路另辟蹊 径,通过间接的测量壳体的应变值,来测量围岩的应力值,结构简单,成本低廉,施工方便, 不易损坏,测试结果更加准确。
[0080] 根据本申请实例提供的技术方案,通过对壳体材料进行改进,使壳体具有较好的 长期稳定性;通过在壳体内设置光纤光栅应变传感器,使测试装置的耐腐蚀性、抗地下水和 电磁干扰的性能大幅提高,且不受信号强弱和衰减的影响,对于岩体工程复杂地质和水文 条件的适应性强,不仅实现对工程建设期的岩体应力测试,更能应用于工程运行中的长期 跟踪监测,稳定性好,可靠性高。该技术处于国际领先地位,填补业内空白。
[0081] 采用应力测试预埋技术真实反映了岩体中的三维应力状态及扰动应力空间分布 及其演化过程,为复杂条件下工程长期、有效的三维应力及其分布测试提供了可能,为工程 灾害的预警和控制提供了原位基础数据。
[0082] 由此可见,本申请提供的技术方案可以实现地下空间复杂环境下冲击地压三维应 力演化过程的动态长期监测,从而解决以往无法实现冲击地压三维应力的动态监测问题。
[0083] 基于光纤光栅传感与孔壁应变测量技术的长期动态三维应力监测装置的应力测 试原理如下:
[0084] (1)光纤Bragg光栅结构及传感原理
[0085]当光纤中的光波通过Bragg光栅时,满足Bragg光栅波长条件的光被反射回来而成 为反射光,其余的光成为透射光。外界参量的变化将引起反射光波长的漂移,而通过对波长 漂移量的检测即可得到外界参量的变化量,这就是光纤Bragg光栅传感的基本原理,如图7-图10所示。光纤Bragg光栅传感满足麦克斯韦经典方程,再结合光纤耦合模理论,利用光纤 光栅传输模式的正交关系,充分考虑光纤光栅折射率的微扰关系,即可推证出光纤光栅的 传输理论。
[0086]根据耦合模理论,反射光信号的中心波长λΒ跟光栅周期Λ和纤芯的有效折射率 nrff有关,得到光纤Bragg光栅反射波长的基本公式为:
Figure CN107402087AD00091
(1)
[0088] 光纤光栅是一种对应变和温度同时敏感的光学元件,且温度灵敏度是应变灵敏度 的10倍左右。所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光的中心波 长发生变化。光纤光栅的中心波长与温度、应变的关系为
Figure CN107402087AD00092
[0090]式中,Pe为光纤光栅的应变灵敏度系数;ξ为折射率温度系数;α为线性热膨胀系 数;Κεί为应变系数;Kti为温度灵敏度系数。
[0091] 在使用光纤光栅进行测试时,必须考虑光纤光栅的应变-温度交叉敏感问题。应变 测量需要剔除温度扰动引起的波长漂移,使应变测量不受环境温度变化的影响,即为光纤 光栅的温度偿方法。实际应用中常采用不受力温度补偿法,将一根光纤Bragg光栅布设于被 测对象,用于材料的变形测试,另一根布设于相同材料且不受力的构件上,仅感受温度变 化;以不受力光栅为参考,即可得到材料的真实应变。
[0092] 假设补偿光栅的初始波长为λΒ2,温度灵敏度系数为Kt2,光纤光栅温度与波长的完 整表达式为:
Figure CN107402087AD00101
[0094] 式中,kwg2表示波导效应引起的波长漂移系数。
[0095] 由于线性热膨胀系数较折射率温度系数要小两个数量级,再加之波导效应对温度 灵敏度系数的影响极其微弱,较弹光效应小许多,故在分析光纤光栅温度灵敏度系数时可 以完全忽略波导效应所产生的影响,温度灵敏度系数基本上取决于材料的折射率温度系 数。因此,上式可化简为:
Figure CN107402087AD00102
[0099] 选用光纤光栅为同一种基体材料,贝lJ光栅的温度传感系数一致,γ =Κτι/Κτ2= 1, 上式变为:
Figure CN107402087AD00103
(6)
[0101] 基于上述分析,即可由光纤光栅的波长变化及传感特性求得应变变化。
[0102] (2)应力求解原理
[0103] a、钻孔围岩应力分布公式
[0104] 弹性理论给出了钻孔围岩应力分布公式,在获得测点钻孔表面应变的基础上利用 该公式可以获得该处围岩应力状态。原岩应力场是一三维应力场,其六个应力分量(〇x、〇y、 Oz、Txy、τγζ、τζχ)的分布参照图11。
[0105] 弹性理论给出的钻孔围岩应力分布公式如下:
Figure CN107402087AD00104
Figure CN107402087AD00111
[0112] 式中,a表示钻孔半径,〇r为极坐标系下径向应力,〇θ为极坐标系下环向应力,为 极坐标系下轴向应力,Tre为极坐标系下r-θ平面内的剪应力,τθζ为极坐标系下Θ-Ζ平面内的 剪应力,Trz为极坐标系下r-Z平面内的剪应力。
[0113] 需要注意的是,计算原岩应力的坐标系与孔边围岩应力状态的坐标系是不同的, 前者是直角坐标系,后者是柱坐标系,但两者也有共同之处即两者z轴一致。此外,在柱坐标 系中,Θ角的正方向取X轴的逆时针旋转方向。公式(9)中的〇'、〜意义不同,前者是孔边围岩 应力z轴应力分量而后者是原岩应力分量,只有当钻孔半径才会有二者相等。
[0114] b、光栅应力计应变与围岩三维应力分量关系式
[0115] 根据各个光栅应变花的受力状态图(如图12所示),得出应变花所测应变值与孔壁 应力分量之间的关系:
Figure CN107402087AD00112
[0119] 式中,εθ,εζ,ε±45分别是孔壁周向、轴向和与钻孔轴线成±45°方向的应变值,γθζ 是剪切应变值。
[0120] 利用孔壁应力分量(σθ^^τθζ)与该处围岩应力分量(σχ、σγ、σζ、τχγ、τγζ、τζχ)之间 的关系式⑵_ (12),可得到下列方程:
Figure CN107402087AD00113
[0125] 由光栅应力计的构造可知,三组等间距分布的3组应变花会得到12个方程。围岩应 力共有6个独立分量,而所得到的12个方程中至少有6个是独立的,因此应力分量是可以求 解的。
[0126] 与孔壁应力计不同的是:为了保证胶结质量,光栅应力计的筒体是由两层环氧树 脂浇筑而成,光栅传感器置于两者之间,并非像孔壁应力计那样直接黏贴在孔壁上,因而测 得应变值与孔壁应力计所测结果有着一定区别。引入受岩石物理力学性质、应力计自身及 钻孔半径等因素影响的修正系数K (KhKhKhK4),获得修正后的计算公式具体如式(20)- (26)所示:
Figure CN107402087AD00121
[0137] 式中,εθ为光栅应力计测得的周向应变,εζ为轴向应变,γθζ是剪切应变值;ao、GLS V1则分别是应力计的内半径、筒体材料的剪切模量及泊松比;ai是安装小孔半径;6、7则分别 为岩石的剪切模量和泊松比;P为三维测试装置中应变花所处位置的径向距离。
[0138] 修正系数K与应力计材料弹性模量、泊松比、几何形状、钻孔半径等相关,并非普适 常数。对于每一处应力计安装位置,都须计算该处修正系数K值。
[0139] 此即为光纤光栅三维测试装置的应力求解原理,通过对光栅波长漂移量的检测得 到钻孔表面的应变,基于孔壁应力测量技术计算出准确的动态三维应力。
[0140] 采用三维应力测试装置进行扰动应力动态长期监测的具体实施方案如下。
[0141] 步骤1:进行地应力测试,具体实施方式为:
[0142] 在所选测试位置使用SGM — IA型地质钻机,配Φ42πιπι接长钻杆,运用特制的取心套 筒及钻头(Φ 130mm),在所测巷道壁上钻进测试孔,至巷道跨度的3 — 5倍深处,以保证应变 计安装位置位于原岩应力区。钻孔上倾大于5°,以便排水和清洗钻孔。
[0143] 步骤2:用平钻头将孔底磨平,并用锥形钻头打出喇叭口,然后从孔底打直径为 38mm的同心小孔,小孔深50cm;小孔打好后,用水冲洗干净,再用酒精或丙酮擦洗。
[0144] 步骤3:检查监测装置的可靠性及稳定性,将光纤出线端与解调仪连接,通过计算 机软件调整运行参数;
[0145] 步骤4:安装光纤光栅三维测试装置:现场配制固化胶体粘结剂,将其注入应力计 的内腔,固定好柱塞,用带有定向器的安装杆将三维测试装置送入孔中预定位置,推断固定 销,将粘结剂从应力计内腔挤出进入应力计与小孔之间的间隙中,等到粘结剂固化后,记下 应力计的偏角以及钻孔的方位和倾角。
[0146] 步骤5:待胶结剂固化后,即可进行套芯试验。每套取3cm岩芯进行一次仪器读数, 待读数不随进尺变化时(大约为钻头超过应力计中心45°角)停止套芯。套芯结束后,取出带 有应力计的岩芯。
[0147] 步骤6:岩芯测试:套芯取出来后,立即进行岩石的弹性模量和泊松比的测定试验。 然后根据测试光栅传感器的波长变化,基于光纤光栅传感技术原理获取动态应变数据;进 而通过孔壁应力测量技术计算三维地应力大小和方向。
[0148] 上述步骤可以用以获取围岩的原岩应力。可以理解的是,还可以采用其他传统的 方法来获取原岩应力。
[0149] 获取原岩应力后,进行施工过程中扰动应力监测,具体实施方式为:
[0150] 重复步骤1-步骤4,不需套取岩芯;
[0151] 根据测试光栅传感器的波长变化,基于光纤光栅传感技术原理和孔壁应力测量技 术计算三维应力变化值;而后与原岩地应力值相加获得动态三维应力状态参量。
[0152] 实施例二:
[0153] 本实施例与实施例一的区别为:
[0154] 壳体采用德国polytec TC451 (改进型)环氧树脂材料,弹性模量为8GPa,抗拉强度 为90MPa,持续监测时间能达到三个月以上。
[0155] 实施例三:
[0156] 本实施例与实施例一的区别为:
[0157] 壳体采用德国polytec TC 417(改进型)环氧树脂材料,弹性模量为15GPa,抗拉强 度为80MPa,持续监测时间能达到三个月以上。
[0158] 以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人 员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术 方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行 任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功 能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1. 一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于,包括: 壳体,呈筒体结构,所述壳体为内外双层结构,内层和外层材料的弹性模量为8-15GPa、 抗拉强度不小于60MPa; 至少六个方向互不相同的光纤光栅,其布设在所述壳体的内层和外层之间,所述光纤 光栅的栅区长度为2-4mm。
2. 根据权利要求1所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于:所述光纤 光栅为抗弯光纤Bragg光栅,所述壳体材料米用有机玻璃。
3. 根据权利要求1所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于:所述光纤 光栅沿同一圆周分为三组等间距布设,每组所述光栅传感器至少设有三个,分别沿周向、轴 向、以及与轴向间隔45°的方向布设。
4. 根据权利要求1-3任一所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于:监 测装置上还设有可自由伸缩的温度补偿光栅,所述温度补偿光栅与所述光纤光栅为同一种 基体材料。
5. 根据权利要求1所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于:所述壳体 的内部具有用以容纳胶体粘结剂的壳体储胶腔,所述胶体粘结剂用以实现所述壳体外侧与 钻孔孔壁的粘结。
6. 根据权利要求5所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于:所述胶体 粘结剂的初凝时间为30-45分钟,终凝时间为15-17小时,弹性模量为9-12GPa,抗拉强度不 小于60MPa。
7. 根据权利要求1-6任一所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于:在 所述壳体的前端开口处设有塞体结构,所述塞体结构通过临时固定件与所述壳体固定连 接,当所述壳体和所述塞体结构之间的受力强度大于所述临时固定件的强度时,所述临时 固定件失效,所述塞体结构的至少部分塞体可被容纳于所述壳体内,所述塞体结构与所述 壳体之间具有可将所述胶体粘结剂挤压至所述壳体的外侧与孔壁之间的出胶通道。
8. 根据权利要求1-6任一所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置,其特征在于:所 述壳体储胶腔的后端设有一独立光栅传感器,当塞体到达壳体储胶腔底部,所述独立光栅 传感器挤断,该通道传输数据缺失。
9. 根据权利要求1-8任一所述的一种围岩三维扰动应力场的监测系统,其特征在于:还 包括终端设备、波长解调仪和定向仪,所述光纤光栅通过所述波长解调仪与所述终端设备 连接,所述定向仪与所述终端设备连接; 所述终端设备通过所述光纤光栅的波长信号得到所述光纤光栅对应测点处的应变数 据,所述终端设备根据所述定向仪获得所述光纤光栅的方位信息; 所述终端设备根据所述光纤光栅赋存体的弹性模量和泊松比、以及所述光纤光栅的方 位信息,将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据,进而得到测点处的应力状态。
10. 根据权利要求9所述的一种围岩三维扰动应力场的监测系统,其特征在于:所述监 测装置上还设有可自由伸缩的温度补偿光栅传感器,所述温度补偿光栅传感器的参数与所 述光栅传感器的参数一致,所述终端设备与所述温度补偿光栅传感器连接。
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