[发明专利]多点式光纤光栅孔底应变计

说明书

本发明公开了一种多点式光纤光栅孔底应变计，包括测量锥体部分、储胶腔体和活塞杆部分；测量锥体部分包括光纤光栅应变传感器、出胶孔和粘结剂挡圈、储胶腔体和销钉孔，光纤光栅应变传感器粘贴在圆锥形橡胶帽外壁上，其引线布设在引线槽中；通过活塞杆向储胶腔体方向运动将储胶腔体中的胶从下端出胶孔挤出，将光纤光栅应变传感器转贴到锥形孔底岩体上，与周围岩体一起变形，获得应力解除过程中岩体应变信息。本发明具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小精度高、测量范围大、引线数量少、传输距离长等优点，且结构简单，尺寸较小，对岩体完整性要求低，安装与测量流程快速方便，可以实现在Φ76mm安装子孔中的孔底应变测量。

技术领域

本发明涉及地球物理岩体应力测量领域，具体地说，涉及一种多点式光纤光栅孔底应变计。主要应用于基于套芯应力解除方法的地应力测量领域，其功能是采用布设在圆锥头上的多个带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器，测量套芯过程由于应力解除引起的子孔孔底应变及其变化，通过孔底应变测量应力计算原理及公式求出小孔周围的原地应力状态。

背景技术

地应力测量是测量固体地球物理现象背后物理机制的力学基本参数，在地下隧道、铁路、公路、采矿工程围岩、高边坡及岩土开挖等地质工程中应用十分广泛。随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”问题（高地应力、高地温、高水压）将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题（何满潮等，2005）。准确确定深部开发空间区域的地应力时空分布特征和规律是解决以上难题的必要途径之一，也是地质工程问题稳定性研究和设计分析、实现岩土工程决策科学化的必要前提，因此地应力测量理论、方法及技术的研究，具有重要的科学意义。

深部地壳应力状态的观测与估算是地应力实测工作的一个重要难点问题，从地应力概念提出至今，各国科学家提出的数十种地应力测试方法按照其数据来源归类，大概可以分为五大类：基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法（或地震学方法）、基于地下空间的方法（Hill et al.，1994；Amadei and Stephasson，1997）。在这些地应力测量方法中，只有套芯应力解除法和水压致裂法能提供水平应力的主应力大小和方向，其余地应力测量方法仅能提供主应力方向，不能提供主应力大小。套芯应力解除法作为一种基于钻孔的地应力测量常用方法，通过监测岩芯从母岩解除下来过程中的应变和变形，进而反演原地应力场。该方法能通过一个钻孔中的一次测量，就可以确定岩体的三维应力状态，而无需三孔交汇应力测量，是公认的最有效的三维应力测量方法。

套芯应力解除法是基于平面应变解除法发展起来的，1958年Hast第一次公布了他于1952-1953年期间在瑞典拉依斯瓦尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区利用压磁电感法地应力测量仪所得的钻孔应力测量结果，引起了人们的震惊。从Hast 1958年公布其研究成果后，世界各国都大力研制和发展钻孔应力测量技术。经过国内外学者数十年的研究，目前已形成一套标准化的测量程序，使用和测量过程相对与别的测试方法较为方便，且测量设备重量体积较小，成为适用性最强和可靠性最高的地应力测量方法之一。

根据测量元件安装和测量的物理量不同，套芯应力解除测量法又可分为钻孔孔壁应变测量法、钻孔孔径变形测量法和钻孔孔底应变测量法三种(蔡美峰，2000)，分别通过监测解除过程中孔壁应变、孔径变形和孔底应变来计算原地应力场。钻孔孔壁应变测量法将测量元件电阻式应变片直接粘贴在钻孔岩壁上，或者将测量元件电阻式应变片包裹在环氧树脂壳体内再粘贴到钻孔岩壁上，进行钻孔三向应变测量，实现单孔测试全应力张量。该方法测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，测量成功率较低。钻孔孔径变形测量法原理是应力解除后钻孔的孔径会发生改变，通过记录这一改变量，应用某个基本理论推导得到表示各有关变量之间的物理数学关系式进行求解，从而得到了岩石应力的测量方法。这类的测量设备有很多，但是钻孔孔径变形测量法只能测量平面应力状态，无法得到真实三维应力状态。