[发明专利]一种采动岩体三维应力监测设备和方法

权利要求书

1.一种采动岩体三维应力监测设备，其特征在于：包括设备基体、测量装置、井下传输基站以及地面信号传输基站；

所述设备基体为微晶玻璃材质柱体，其内部正方体的六面上均安装有交叉的光纤光栅，光线光栅的夹角为45°。

2.一种采动岩体三维应力监测方法，其特征在于，步骤如下：

S1、根据矿方工作面开采设计及实际开采情况，进行采动岩体三维应力监测地点、深度、层位设计；

S2、根据现场工况，安装并固定好钻机，选用无岩芯钻机钻头，根据步骤S1设计对目标层位进行打孔钻进工作；

S3、当钻机钻进至安装深度时，将钻机推出，安装采动岩体三维应力监测设备；

S4、使用铝合金制小杆，将采动岩体三维应力监测智能设备推至孔底，此时，检查设备运行情况；

S5、待设备一切正常后，使用环氧树脂镶嵌技术将设备与孔底岩体粘结；

S6、待环氧树脂固结后，固定钻孔孔口的井下传输基站，并将孔口用水泥进行封孔；

S7、读取和记录数据处理及传输装置中陀螺仪定位光纤光栅应变传感器装置位置和形态的结果，并将该数据记录；

S8、陀螺仪将定位结果传输给井下传输基站，井下传输基站将数据传输给地面信号传输基站，地面信号传输基站中的信号数据处理装置接收到方位数据后，进行数据处理，并构建井下围岩体应力监测坐标系；

S8、待设备初始调试完成后，进行采动岩体三维应力实时监测工作；

S9、由技术人员每班进行设备检查一次，确保设备正常工作；

S10、地面信号接收基站实时接收井下信号数据，进行数据处理，数据存储，将数据传输到井下传输基站显示器上显示，并将数据处理结果应用于实际工作面回采工作；

S11、待工作面回采结束后，施工人员拆除孔口水泥，将井下传输基站从数据接口上拔下，采动岩体三维应力监测工作完成。

3.根据权利要求2所述的一种采动岩体三维应力监测方法，其特征在于：步骤S5中，三维岩体采动应力监测设备和围岩体完全粘结时，监测设备基体与围岩体材料介质不同，使得三维岩体监测设备受力与围岩应力存在应力传递的关系，空间中任意一点的三维应力状态由选定坐标系中的σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_xz六个分量来表示，根据6个应力分量，即可计算出井下围岩体三向主应力大小及方向。

4.根据权利要求3所述的一种采动岩体三维应力监测方法，其特征在于，监测设备上的应力与围岩应力关系计算公式如下：

式中：σ_i、σ′_i分别为围岩体和监测设备基体各向应力大小，其中，i＝x、y、z；E、E＇分别为围岩体和监测设备基体的弹性模量；μ、μ＇分别为岩体和监测设备基体的泊松比；

当围岩体和基体材料力学参数已知时，围岩应力状态与监测设备监测出的数据结果存在比例关系，通过监测结果即可反算围岩体应力状态。

5.根据权利要求4所述的一种采动岩体三维应力监测方法，其特征在于：采动应力监测基体在三维受力状态下，根据广义的胡克定律可知：

式中：σ′_x、σ′_y、σ′_z分别为基体材料在x、y、z三个方向上受到的应力，ε′_x、ε′_y、ε′_z分别为光纤在x、y、z三个方向上的测量得到的应变量；

在测量x、y、z个方向上的线应变基础上，根据弹性力学理论，应变分析见下式：

则当a与x方向、y方向成45°时，即可求解上述τ′_xy、τ′_yz、τ′_xz。