[发明专利]围岩应力场分布测试装置及方法

权利要求书

1.一种围岩应力场分布检测装置，其特征在于：它包括柱塞（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）。

2.  一种使用权利要求1所述装置的围岩应力场分布测试方法，其特征在于步骤如下：

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。