[发明专利]一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量装置，包括外钢筒，外钢筒上设置有三个三向传感单元，每个三向传感单元的三个应力测量方向两两垂直，三个三向传感单元的九个应力测量方向均不相同。还公开了一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量方法，本发明采用斜向三垂直方向测量应力，较好地解决了钻孔中三维应力测量的难题；采用三个三向传感单元，测得了空间应力值，进而计算出该钻孔处扰动主应力大小及方向。本发明采用了应变片测得的应变来推弹簧钢的弯曲段位移，进而得到传动杆上的推力，从而得到围岩压力，避免了混凝土和围岩的弹性模量测量的不准确造成的误差。

技术领域

本发明涉及微震监测领域，具体涉及一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量装置，还涉及一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量方法，适用于矿山(煤矿和非煤矿山)开采、油气田开发、水利水电与道路交通建设、水库蓄水、核废料储存、温室气体地下封存、海底资源开采、国防建设诱发的岩爆、顶板坍塌、地压冲击、滑坡、地震等工程灾害的安全监测、评估与管理。

背景技术

岩土工程灾害的发生多是由于开挖/开采等外界变化的扰动或影响下，致使工程体的应力场发生了变化而导致的，但应力如何变化，其大小如何演化，其方向如何旋转，至今仍是研究的热点和难点。为此，发明了诸多应力监测设备和装置，但深入研究发现现有应力监测设备仍有以下不足需要进一步改进与提高：

1)现有钻孔监测装置监测的应力方向分为沿洞轴方向或者横截面方向，大多监测线性或者平面应力，所测得的应力只能反映该点一维和二维的受扰动状况，不能很好的反应地层钻孔中的空间扰动情况。

2)现有的钻孔监测装置，很少考虑监测扰动应力的主应力大小及方向演化。

3)现有的钻孔监测装置多测量钻孔的位移和应变特征，进而根据周围岩体的弹性常数来计算围岩的应力，但由于耦合剂、岩体和弹性外壳材料的弹性常数与耦合质量的不同，计算得出的应力与实际应力有很大的误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量装置，还提供一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量方法。能够监测工程开挖/开采扰动下应力大小与方向的变化，具有结构简单、体积小、灵敏度高、现场施工环境影响小的优势。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量装置，包括外钢筒，外钢筒上设置有三个三向传感单元，每个三向传感单元的三个应力测量方向两两垂直，三个三向传感单元的九个应力测量方向均不相同。

如上所述的三向传感单元包括设置在外钢筒内的等效模量外壳，等效模量外壳中心设置有正方体固定架，正方体固定架的每个面的中心均设置有矩形槽，矩形槽的槽沿与弹簧钢的项端连接，弹簧钢的自由端位于矩形槽的中心处，弹簧钢靠近项端的两面设置有应变片，弹簧钢的自由端与传动杆的内端上的传动头连接，传动杆的内端通过外螺纹与等效模量外壳上的螺纹贯通孔连接，传动杆的外端贯穿外钢筒并位于外钢筒外部，正方体固定架的两个相对面对应的传动杆同轴且轴线方向为应力测量方向。

如上所述的外钢筒上设置有安装管槽，安装管槽内设置有传动杆安装座，传动杆穿过传动杆安装座，传动杆和安装管槽内壁之间设置有弹性密封圈。

一种开采扰动下三维扰动应力动态演化测量方法，包括以下步骤：

步骤1、建立基础坐标系，基础坐标系的X轴为外钢筒的轴线，基础坐标系的Y轴和Z轴垂直且位于垂直于外钢筒的轴线的平面上，外钢筒的轴线与钻孔的轴线重合，基础坐标系的X轴和Y轴位于水平面上；

步骤2、将基础坐标系按照右手螺旋原则，