CN207248395U - 一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置及监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置及监测系统。长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置包括：壳体，其为内外双层结构，在内层和外层之间设有光纤光栅，所述壳体的弹性模量为8‑15GPa。通过对壳体结构的双层设计和对壳体材料的限定，大大提高了测量时间：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，实现了在长期下对围岩三维扰动应力场的准确监测，使光纤光栅传感器在测量围岩扰动应力方面的应用得以实现，在世界范围内填补了该领域一直存在的技术空白。

Description

一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置及监测系统

技术领域

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，尤其涉及一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置及监测系统。

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。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。

然而，上述现有技术存在以下缺点：

在实际工程施工过程中测量冲击地压时，需要在施工准备之前埋设监测装置，并在施工准备就绪之后才能进行冲击地压的测量，因此监测装置从预埋到开始施工测量阶段前后共需要十几天至一两个月不等的时间，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。而目前的扰动应力测试技术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。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。

实用新型内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置及监测系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于，包括：

壳体，其为内外双层结构，在内层和外层之间设有光纤光栅，所述壳体的弹性模量为8-15GPa。

第二方面，本申请实施例还提供了一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测系统，包括上述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，所述围岩应力监测装置上至少设有六个方向互不相同的所述光纤光栅；

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。

本申请实施例提供的长期监测的光纤光栅围岩应力监测方案，通过对壳体结构的双层设计和对壳体材料的限定，大大提高了测量时间：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，实现了在长期下对围岩三维扰动应力场的准确监测，使光纤光栅传感器在测量围岩扰动应力方面的应用得以实现，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为本实用新型实施例一应力测试系统的架构图；

图2为本实用新型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光栅传导光谱透射特性图；

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；

图13为传统壳体流变时程曲线；

图14为有机玻璃Φ50×100流变实验；

图15为Φ36×72mm流变时程曲线；

图16为地应力传感器在有机玻璃加载实验中的测试结果；

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，17、纤芯，18、包层，19、入射光，20、反射光，21、透射光。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

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实用新型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实用新型，而非对该实用新型的限定。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

实施例一：

图1作为本实用新型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，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。

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。传统的原岩应力测试技术具有长期稳定性较差的缺点，相应的传感器基材具有明显的流变性，只能实现一到两天的准确测量，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，目前已有的技术仅仅能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。

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，长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置包括：壳体，其为内外双层结构，在内层和外层之间设有光纤光栅，所述壳体的弹性模量为8-15GPa。

其中，壳体的抗拉强度不小于60MPa。由于不同位置处围岩应力变化不同，围岩应变可拉可压，当围岩与壳体间发生拉伸变形时，壳体可能会出现脱胶导致两者分离，试验失败。壳体抗拉强度越高，能有效降低这种风险，大幅提高传感器的成活率与检测精度。

对于光纤光栅监测装置如何实现长期准确监测一直是困扰业内技术发展的关键性问题。由于地下工程的施工环境非常复杂，导致了光纤光栅监测装置的考虑因素异常多，这也导致其实质的影响因素变得非常隐蔽。因此现有技术中，至今没有一种理想的能够实现长期准确监测的光纤光栅围岩应力监测装置。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长期准确监测的关键性因素：壳体的弹性模量。

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。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。

然而，本方案的研究过程通过试验发现，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。当壳体改用弹性模量为8-15GPa材料，并采用双层结构时，光纤光栅布设在两层结构之间，壳体的流变性大幅降低，保证了长期监测时的测量精度。

采用双层结构可以方便固定光栅。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。

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，本实用新型采用的壳体材料为德国polytec TC 451型环氧树脂，其弹性模量为10GPa，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，采用本实用新型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。

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。

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。

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。

本实用新型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。

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。

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，能够测量3-5年后更长时间，具有显著的进步。

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。

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。

测量光纤光栅可以采用抗弯光纤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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

塞体结构的另一种结构形式为：塞体结构的截面积小于壳体15的内壁尺寸，塞体结构截面小于壳体15内壁的部分作为出胶通道5。胶体直接从壳体15的前端开口处挤出，结构简单。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本申请实施例还提供了一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测系统，包括上述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，所述围岩应力监测装置上至少设有六个方向互不相同的所述光纤光栅；

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。

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。

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。

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。

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。

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：

Δε＝(Δλ_B1/λ_B1-γΔλ_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：

Δε＝(Δλ_B1/λ_B1-Δλ_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(K₁、K₂、K₃、K₄)，获得修正后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。

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。

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。

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。

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。

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，不需套取岩芯；

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。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别为：

壳体采用德国polytec TC452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。

实施例三：

本实施例与实施例一的区别为：

壳体采用德国polytec TC 418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。

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，本申请中所涉及的实用新型范围，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实用新型构思的情况下，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 (9)

1.一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于，包括：

壳体，其为内外双层结构，在内层和外层之间设有光纤光栅，所述壳体的弹性模量为8-15GPa；

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。

2.根据权利要求1所述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于：所述壳体的抗拉强度不小于60MPa。

3.根据权利要求1所述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于：所述胶体粘结剂的初凝时间为30-45分钟。

4.根据权利要求1所述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于：所述胶体粘结剂的终凝时间为15-17小时。

5.根据权利要求1所述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于：所述胶体粘结剂的弹性模量为8-15GPa。

6.根据权利要求1所述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于：所述光纤光栅为抗弯光纤Bragg光栅。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置，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。

8.一种适用于如权利要求1-7任一所述的监测装置的应力监测系统，其特征在于：包括围岩应力监测装置，所述围岩应力监测装置上至少设有六个方向互不相同的光纤光栅；

此外，监测系统还包括终端设备、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。

9.根据权利要求8所述的应力监测系统，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。