[发明专利]一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统

说明书

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，尤其涉及一种围岩三维扰动应力场的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

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。

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：

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。

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，

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

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；