[实用新型]具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，特别涉及一种具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置。

背景技术

固体地壳的应力状态是地壳的最重要的性质之一，地壳表面与内部发生的各种构造现象及其伴生的各种地质灾害都与地壳应力的作用密切相关。地应力测量与监测不仅为深入认识地震的孕育和发生机制，进而为强震预测提供重要的科学依据，而且也是动力学基础研究的重要组成部分，此外，还将为国家重大工程建设，如深埋隧道、水电工程、深部能源开采、核废料处置场地的选址等深部地下工程的勘测设计提供重要的技术支撑。

随着浅部资源的日益枯竭，矿产资源采掘向深矿山进军，地热资源开发、核废料的地下深埋、深埋隧道等的深度越来越大，随之而来的是地应力的增大，深部岩体结构和构造更加复杂。近年来我国大型矿山煤瓦斯突出、岩爆、巷道变形破坏、突水等问题越来越严重，深部矿区地质灾害的频发，促使人们更加关注深部高应力状态下岩体力学形状和岩石破坏机理、灾害预测和防范措施的研究。人们开采地下资源的工程活动同样使相对稳定的原岩应力状态受到扰动，一旦达到岩石的破裂临界值，就会引发各种矿难。如何既能有效地将矿产资源开采出来，又能制约诱发应力集中的因素，减少和防止灾害的发生，是人们长期不懈努力追求的目标。

近年来，国际地球科学界对深井观测技术十分重视。20世纪末，钻井式地壳应力场动态变化观测技术进入新的发展时期，以日、美等国迅速转向研制深井综合观测系统为标志。美国从90年代中期以来加强了地震预测研究，其PBO（板块边界观测）计划包括建立一个主要由GPS接收机（975套）与钻孔应变仪（200套）构成的地壳变形观测网，在对地震与火山喷发之前和临近时现象的观测中将发挥主要作用。Sacks等人积极开发三腔液压体积式应变仪、并于2001年开始的Mini PBO计划中建成5个200米深的综合观测台站，可观测钻孔应变、钻孔倾斜、孔隙压、地震与GPS。

目前用于地应力监测的主要仪器有压磁式应力计、振弦式应力计、体积式应变计、USBM孔径变形计、空心包体应变计等。压磁式应力计时利用镍合金材料的磁致伸缩性来测量岩石应力，在我国广泛应用，但只能测岩石的二维应力状态。振弦式应力计时通过测量刚弦张力的变换推算岩体应力变化，具有很高的稳定性，美国至今还在广泛应用它，但它只是一种单向应力计。孔径变形计是通过测量钻孔直径的变化而计算垂直于钻孔轴线的平面的二维应力状态。同压磁式应力计一样，若想测量确定的一定的三维应力状态，必须通过打三个互不平行且交汇于一点的钻孔方式来测量。空心包体应变计是世界上最广泛采用的地应力测量仪器，它使用电阻应变片组成三维应变花进行三维应力测量，但它需要通过原位岩石参数换算应力，而原位岩石参数很难准确获取。

以上都是基于电学的监测仪器，还存在抗电磁干扰能力差、受钻孔位置和钻孔深度的限制以及仪器在高温高压下长期工作稳定性等问题；另外，传统的电学监测仪只能监测一个平面的应力变化情况，缺少对空间应力变化观测的能力。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型采用光纤传感技术研制，具有无源性、响应速度快、抗电磁干扰、便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点，并且可以同时观测空间中三个相互正交平面的应力变化情况，并可以自行检测观测数据的可靠性，非常适用于恶劣环境下的地应力长期观测。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

具有自洽功能的钻孔式光纤三维地应力观测装置，包括四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15、光纤出口端16及传感装置端头17，所述四分量探头A5、四分量探头B10、四分量探头C15之间通过螺纹及平键连接，且四分量探头A5与四分量探头B10沿轴向旋转成90°，四分量探头A5的一端与光纤出口端16连接，四分量探头C15的一端与传感装置端头17连接；所述四分量探头A5上承载应变传感单元A1、应变传感单元B2、应变传感单元C3及应变传感单元D4，且应变传感单元A~D组成一组直角应变花；所述四分量探头B10上承载应变传感单元E6、应变传感单元F7、应变传感单元G8及应变传感单元H9，且应变传感单元E~H组成一组直角应变花；所述四分量探头C15上承载应变传感单元I11、应变传感单元J12、应变传感单元K13及应变传感单元L14，且应变传感单元I~L组成两组等角应变花。

所述的四分量探头A5、四分量探头B10承载的两组直角应变花分别是将应变传感单元A~D、应变传感单元E~H放置于探头机体18表面上成一定角度的四个凹槽内。