CN107529615A - 一种采场围岩的三维扰动应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，包括以下步骤：布设测试计至围岩钻孔的待测点处，所述测试计上至少设有六个互不平行的应变传感器，所述应变传感器距离测试计中轴线的距离相等；填充胶体至所述测试计和钻孔之间以使所述测试计和围岩体固结为一体；通过所述应变传感器获取所述待测点处的应变数据，获取所述应变传感器的方位信息，根据所述应变传感器赋存体的弹性模量和泊松比、以及所述应变传感器的方位信息，结合弹性力学的钻孔围岩应力分布公式，将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据，进而得到该测点处的扰动应力状态。

Description

一种采场围岩的三维扰动应力测试方法

技术领域

本发明属于岩土、采矿等地下工程应力测试技术领域，具体涉及一种采场围岩的三维扰动应力测试方法。

背景技术

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一。

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，其中冲击地压的测量属于扰动应力测试技术领域。前者较为成熟的测试有钻孔应力解除法、水压致裂法等；后者的扰动应力测试的代表性技术为单向钻孔应力计法。

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，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。而目前的三维岩石应力测试传感器基材具有明显的流变性，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；目前的扰动应力测试法仅仅测试煤岩体中单一方向而并非三维扰动应力值。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

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种围岩扰动应力场的三维应力测试方法，解决上述的无法获得真实的围岩应力变化情况的问题，使围岩应力场的三维应力测试得以实现。

为了达到本发明的上述目的，提供一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，包括以下步骤：

布设测试计至围岩钻孔的待测点处，所述测试计上至少设有六个互不平行的应变传感器，所述应变传感器距离测试计中轴线的距离相等；

填充胶体至所述测试计和钻孔之间以使所述测试计和围岩体固结为一体；

通过所述应变传感器获取所述待测点处的应变数据，获取所述应变传感器的方位信息，根据所述应变传感器赋存体的弹性模量和泊松比、以及所述应变传感器的方位信息，结合弹性力学的钻孔围岩应力分布公式，将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据，进而得到该测点处的扰动应力状态。

本申请实施例提供的围岩应力场的三维应力测试方法，将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。这种巧妙的思路另辟蹊径当围岩发生变形时，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。由于应变传感器在壳体和固结胶体的双重保护下不易受损，因此能将以往的只能实现一到两天的短期测量，提高到能满足超过数月的长期准确测量，能同时实现围岩应力的三维测量和长期测量，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

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：

图1为本发明实施例一应力测试系统的架构图；

图2为本发明实施例一应力测试装置的结构示意图；

图3为光纤光栅传感器布置截面示意图；

图4为A组光纤光栅应变花示意图；

图5为B组光纤光栅应变花示意图；

图6为C组光纤光栅应变花示意图；

图7为光纤Bragg光栅结构示意图；

图8为光源入射光谱图；

图9为光纤Bragg光栅反射特性图；

图10为光纤Bragg光栅透射特性图；

图11为三维钻孔围岩应力分布状态图；

图12为电阻应变花的受力状态示意图；

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、光栅传感器；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

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。

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。

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。

图1作为本发明的适用例的测试系统的架构图。

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。

其中，传输介质主要包括光缆。

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。

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，可以具有任意数目的终端设备和监测装置。

如背景技术中所提到的，传统的测试方法，需要使孔壁应力计直接裸露的固定在围岩上，相应的传统的原岩应力测试技术采用孔壁应力计，即将应力计直接固定在围岩体的表面，通过测量围岩的应变，根据围岩的弹性模量和泊松比进而得到围岩的扰动应力。这存在以下问题：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。此外，传统测试方法的应变传感器直接裸露在围岩表面，抗干扰性、耐久性和长期稳定性等都较差，且易受酸碱腐蚀等复杂地下环境影响而失效，仅能实现1-2天的短期监测，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监测。

鉴于现有技术的上述缺陷，本申请实施例提供了一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，包括以下步骤：

步骤1：布设测试计至围岩钻孔的待测点处，所述测试计上至少设有六个互不平行的应变传感器，所述应变传感器距离测试计中轴线的距离相等；

步骤2:填充胶体至所述测试计和钻孔之间以使所述测试计和围岩体固结为一体；

步骤3：通过所述应变传感器获取所述待测点处的应变数据，获取所述应变传感器的方位信息，根据所述应变传感器赋存体的弹性模量和泊松比、以及所述应变传感器的方位信息，结合弹性力学的钻孔围岩应力分布公式，将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据，进而得到该测点处的扰动应力状态。

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。

步骤1中，所述测试计的壳体为双层结构，所述位移传感器布设在所述壳体内层和外层的中间，所述位移传感器采用抗弯光纤光栅，所述光纤光栅的栅区长度为2-4mm。光纤光栅应变传感器通过解调仪将应变数据的信号传输给具有计算分析模块的终端设备，终端设备将应变数据转换为围岩的扰动应力数据。壳体采用双层结构，并将光纤光栅布设在壳体内侧和外层的中间，可以更好的起到对光纤光栅的保护作用，进而实现长期监测。其制作过程是：先采用模板制作内层，待成型后黏贴光栅；然后再采用模板制外层。外层在运输、安装和监测过程中可有效保护光栅。

为解决温度变化较大的环境中易出现温度漂移而使光纤光栅测量数据失效的问题，在监测过程中，获取待测点处的温度信息，剔除温度扰动引起的光纤光栅传感器的波长漂移，计算得到不受环境温度变化影响的所述应变数据。

其中，温度信息可以通过温度补偿光栅传感器获得，该温度补偿光栅传感器以可自由伸缩的方式固定在所述测试计内。

为了使温度补偿的数据更加准确简便，温度补偿光栅传感器中的光栅与所述光纤光栅应变传感器中的光栅为同一种基体材料。

步骤1中，钻进的所述测试钻孔的深度为巷道跨度的3-5倍，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。以向上大于5°的倾角打设所述测试钻孔，以便排水和清洗钻孔。

步骤2中，将现场配置的胶体注入测试计的内腔，固定好柱塞，并将测试计送入孔中预定位置，推断固定销，使胶体从所述测试计的内腔挤出进入测试计与钻孔孔壁之间的间隙中。

其中，胶体为胶体粘结剂，其注入壳体储胶腔后，在25-35度环境下，初凝时间约30-45分钟，终凝时间约15-17小时，抗拉强度60-90MPa，弹性模量10GPa，泊松比0.19，20MPa应力下没有流变。采用该材料，凝结时间既可以满足施工要求，又可以尽快实现检测；胶体的抗拉强度可以大幅降低胶体与围岩脱胶的风险，提高监测成功率；胶体的弹性模量能够保证胶体的长期稳定性，提高监测精度。

等到所述胶体固化后，通过随所述测试计一同布入至待测点处的定向仪，获取测试计的所述方位信息，所述方位信息包括所述测试计的偏角以及钻孔的方位和倾角。

采用本实施例测试方法的监测装置，其监测时间可以提高到能满足超过数月的长期准确测量，能同时实现围岩应力的三维测量和长期测量，在世界范围内填补了该领域一直存在的技术空白。

在所述三维扰动应力测试之前，获取所述测点处的原岩应力状态；在获取测点处的所述扰动应力状态之后，通过将所述扰动应力状态与所述原岩应力状态叠加，得到围岩测点处的动态三维应力状态参量。

通过中间介质的弹性模量和泊松比，来换算得到围岩应力的三维应力状态，一方面由于避免了必须直接测量孔壁应力，因此可以不必采用电桥采集方式，增加测试计的选择范围，进而可以保证应力测试的抗干扰性、耐久性和长期稳定性。

利用围岩扰动应力场的三维应力测试方法填补了以往无法准确测量冲击地压、无法实现准确长期远距离动态监测的技术空白，处于国际领先地位，填补业内的技术空白。

采用围岩扰动应力场的三维应力测试方法的具体实施方案如下。

步骤1：进行地应力测试，具体实施方式为：

在所选测试位置使用SGM—1A型地质钻机，配φ42mm接长钻杆，运用特制的取心套筒及钻头(φ130mm)，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。

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。

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；

步骤4：安装光纤光栅三维测试装置：现场配制固化胶体，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。

步骤5：待胶结剂完全固化后，即可进行应力解除试验。在解除之前，将光纤光栅三维测试装置连接光纤解调仪，然后注水，这时光纤光栅三维测试装置读数会有所变化，待读数稳定后对光纤光栅三维测试装置进行调零，再开始进尺。在套芯过程中进行监测，每隔3cm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。

步骤6：岩心测试：套芯取出来后，立即进行双轴压力测试，以确定岩石的弹性模量和泊松比。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。

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。

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：

重复步骤1-步骤4，不需进行应力解除套取岩心；

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围岩三维应力变化值；而后与原岩地应力值相加获得围岩动态三维应力状态参量。

应力测试装置的某一种具体结构如下，如图2所示，测试装置主要由导向杆1、活塞和壳体15三部分组成：最端部为导向杆11；导向杆11 与柱塞4连接，柱塞4前端设置多层橡胶密封圈作为前端封垫13，前端封垫13通过密封圈卡槽2固定。连接杆16上设有多层橡胶密封圈作为后端封垫14。

壳体15的内部构成用以容纳胶体的壳体储胶腔7。柱塞4通过固定销6临时固定设于壳体15的前端开口处，固定销6上设有豁口。当壳体 15和柱塞4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，并将胶体挤出到壳体15的前端封垫 13和后端封垫14之间。

密封圈下部设置一圈出胶孔3，其与内部出胶通道5相连；主体部分的壳体15为圆柱状空心筒，分两步制作，第一步制作直径35mm空心金属圆筒，在规定位置采用激光焊接技术封装好光纤光栅传感器8，之后再浇注外面一层环氧树脂，使外径达到37mm；圆筒底部设有独立光栅传感器9、橡胶密封圈和定向销11。

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。

壳体储胶腔的后端设有的独立光栅传感器9，当塞体到达壳体储胶腔底部，独立光栅传感器挤断，该通道传输数据缺失，以此推断胶体全部挤出，与孔壁粘合。

光纤12经由刚性连接杆内引出，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。

光栅传感器8具体布设方案如下：

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6，每组由4个光栅传感器8组成，相互间隔45°。高精度温度补偿光栅传感器10参数与光栅传感器8一致，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。

步骤1中，所述测试钻孔包括主钻孔和位于主钻孔前端连接孔底的同心小孔，之后在所述同心小孔的孔底安装所述测试计，并注入胶体；等到胶体完全固化后，使用内径大于所述同心小孔直径的钻头对所述测试计钻设套芯，所述套芯的内部为所述测试计，外部为原岩，在套芯过程中进行应力监测，钻孔结束后并取出套芯，对所述套芯进行双轴压力测试，以确定岩石的弹性模量和泊松比。根据测试计的应变原理获取动态应变数据，进而通过弹性模量和泊松比的换算计算原岩三维地应力的大小和方向。

所述同心小孔的孔深为40-60cm，所述同心小孔的直径比所述主钻孔的直径小70-90mm。钻设套芯时往往使用孔径与主钻孔相同的钻头，当同心小孔的直径比主钻孔的直径小70-90mm时，可以保证测试计外周的岩芯具有足够的厚度，确保所测量的弹性模量和泊松比足够准确。

所述同心小孔打好后，用水冲洗干净，再用酒精或丙酮擦洗，之后安装所述测试计，以保证胶体对测试计和钻孔孔壁的粘结效果。

每隔设定距离读取测试计的测试读数，待所述测试读数不随进尺变化时停止套芯。

所述扰动应力状态与原岩地应力值相加获得动态三维应力状态参量。

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：

(1)光纤Bragg光栅结构及传感原理

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。

根据耦合模理论，反射光信号的中心波长λ_B跟光栅周期Λ和纤芯的有效折射率n_eff有关，得到光纤Bragg光栅反射波长的基本公式为：

λ_B＝2n_effΛ (1)

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

式中，P_e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；K_ε1为应变系数；K_T1为温度灵敏度系数。

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。

假设补偿光栅的初始波长为λ_B2，温度灵敏度系数为K_T2，光纤光栅温度与波长的完整表达式为：

式中，k_wg2表示波导效应引起的波长漂移系数。

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：

联立式(2)、(4)，令γ＝K_T1/K_T2得：

△ε＝(△λ_B1/λ_B1-γ△λ_B2/λ_B2)/K_ε1 (5)

选用光纤光栅为同一种基体材料，则光栅的温度传感系数一致，γ＝K_T1/K_T2＝1，上式变为：

△ε＝(△λ_B1/λ_B1-△λ_B2/λ_B2)/K_ε1 (6)

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。

(2)应力求解原理

a、钻孔围岩应力分布公式

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(σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx)的分布参照图11。

弹性理论给出的钻孔围岩应力分布公式如下：

式中，a表示钻孔半径，σ_r为极坐标系下径向应力，σ_θ为极坐标系下环向应力，σ_z为极坐标系下轴向应力，τ_rθ为极坐标系下r-θ平面内的剪应力，τ_θz为极坐标系下θ-Z平面内的剪应力，τ_rz为极坐标系下r-Z平面内的剪应力。

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σ′_z、σ_z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r→∞才会有二者相等。

b、光栅应力计应变与围岩三维应力分量关系式

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：

式中,ε_θ,ε_z,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，γ_θz是剪切应变值。

利用孔壁应力分量(σ_θ、σ′_z、τ_θz)与该处围岩应力分量(σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx)之间的关系式(7)-(12)，可得到下列方程：

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。

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一层刚性金属筒体和一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(K₁、K₂、K₃、K₄)，，获得修正后的的计算公式具体如式(20)-(26)所示：

式中：

x₁＝3-4υ₁；x₂＝3-4υ₂；

D＝(1+x₂n)[x₁+n+(1-n)(3m²-6m⁴+4m⁶)]+(x₁-x₂n)m²[(1-n)m⁶+(x₁+n)]

式中，ε_θ为光栅应力计测得的周向应变，ε_z为轴向应变，γ_θz是剪切应变值；a₀、G₁及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；a₁是安装小孔半径；G、v则分别为岩石的剪切模量和泊松比；ρ为三维测试装置中应变花所处位置的径向距离。

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。

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。

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)

1.一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

布设测试计至围岩钻孔的待测点处，所述测试计上至少设有六个互不平行的应变传感器，所述应变传感器距离测试计中轴线的距离相等；

填充胶体至所述测试计和钻孔之间以使所述测试计和围岩体固结为一体；

通过所述应变传感器获取所述待测点处的应变数据，获取所述应变传感器的方位信息，根据所述应变传感器赋存体的弹性模量和泊松比、以及所述应变传感器的方位信息，结合弹性力学的钻孔围岩应力分布公式，将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据，进而得到该测点处的扰动应力状态。

2.根据权利要求1所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：所述测试计的壳体为双层结构，所述位移传感器布设在所述壳体内层和外层的中间，所述位移传感器采用抗弯光纤光栅，所述光纤光栅的栅区长度为2-4mm。

3.根据权利要求2所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：获取待测点处的温度信息，剔除温度扰动引起的光纤光栅传感器的波长漂移，计算得到不受环境温度变化影响的所述应变数据。

4.根据权利要求3所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：通过温度补偿光栅传感器获得所述温度信息，并以可自由伸缩的方式固定在所述测试计内。

5.根据权利要求4所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：步骤1中，所述温度补偿光栅传感器中的光栅与所述光纤光栅应变传感器中的光栅为同一种基体材料。

6.根据权利要求1所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：钻进的所述测试钻孔的深度为巷道跨度的3-5倍，以向上大于5°的倾角打设所述测试钻孔。

7.根据权利要求2所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：步骤2中，将现场配置的胶体注入测试计的内腔，固定好柱塞，并将测试计送入孔中预定位置，推断固定销，使胶体从所述测试计的内腔挤出进入测试计与钻孔孔壁之间的间隙中。

8.根据权利要求1所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：步骤2中，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，抗拉强度为60-90MPa，弹性模量8-15GPa。

9.根据权利要求4所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：等到所述胶体固化后，通过随所述测试计一同布入至待测点处的定向仪，获取测试计的所述方位信息，所述方位信息包括所述测试计的偏角以及钻孔的方位和倾角。

10.根据权利要求1所述的一种采场围岩的三维扰动应力测试方法，其特征在于：在所述三维扰动应力测试之前，获取所述测点处的原岩应力状态；在获取测点处的所述扰动应力状态之后，通过将所述扰动应力状态与所述原岩应力状态叠加，得到围岩测点处的动态三维应力状态参量。