半植入式孔底光纤光栅应变计地应力测量装置及方法与流程

本发明涉及复杂岩体钻孔地应力测量领域，具体是一种半植入式孔底光纤光栅应变计地应力测量装置及方法。

背景技术：

岩体初始地应力的存在及其对岩体工程的重大影响，使其成为工程岩体力学的重要研究内容。工程中所采用的初始地应力场特征合理与否，将直接影响工程设计的可靠性与工程运行安全性。因此，越来越多的大型采矿工程和水利水电工程都开展了十分详细的、多种地应力测量方法联合测试与分析研究的工作。

自20世纪初瑞士学者heim在提出岩体中蓄存地应力的概念及1953年瑞典学者n.hast采用压磁式应力计在纳维亚半岛的四个矿区进行地应力测量以来，多种地应力测试方法得到发展，根据测量理论和方法可分为岩体表面应力测量法和钻孔应力测量法。其中，岩体表面应力测量法是早期使用较多的一种测量方法，该方法主要用于洞室或地表部位地应力测量，主要有表面应力解除法和表面应力恢复法。

钻孔应力测量法主要有钻孔孔壁应力解除法和水压致裂法。国际岩石力学学会试验方法委员会建议的测试方法有以下四种：水压致裂法、钻孔孔壁应力解除法、扁千斤顶法和usbm钻孔孔径变形计法，工程中常用的主要有钻孔孔壁应力解除法和水压致裂法。最近十多年来，岩石应力测试技术发展缓慢。日本岩石力学专家sugawara提出了孔底锥型解除法，该方法不需传统套芯解除法中的取芯要求，只需在孔底磨出一锥型凹面上布置应变计。但由于受孔底沉渣影响，测试成功率不高。国内专家葛修润等苦心钻研提出了测定深部岩体应力的新方法—钻孔局部壁面应力全解除法，研发了相应的地应力测试设备，并在锦屏电站进行了测量，该方法需要在垂直于钻孔内轴线方向进行钻孔解除，因此需要布置大口径测试钻孔，另测试工艺及设备复杂，测试成功率低。v.saati等通过在钻孔中切缝进行地应力测量，该方法在破碎岩体测试时，存在切缝锯片卡钻的风险。

常用的钻孔内地应力测量技术需要在岩体质量较好的孔段进行试验。但在高应力环境下，在钻孔钻进过程中，由于靠近钻头的应力集中引起的岩芯断裂所造成的裂饼现象而无法获得成功测试；在完整性较差和裂隙发育也无法满足取芯要求。

近年发展起来的光纤光栅传感器具有电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、传输损耗小、测量范围广、远程网络化和规模大等优点，在工程中得到了广泛的应用，且光纤光栅应变计易于安装被测位置，根据不同监测物理量可选择不同的安装方式。因此，本发明将光纤光栅应变计引入地应力测量中，为复杂岩体地应力测量提供了新的、精度较高的途径。

技术实现要素：

本发明针对现有地应力测试技术在复杂地质条件下存在的上述不足，提出了采用光纤光栅应变计布置于环氧树脂基片，然后将基片半植入钻孔孔底的地应力测试原理和方法以及测试装置。适用于完整性较差、裂隙发育及高应力条件下岩心易饼化的复杂地质条件下的地应力测量，为工程设计、施工、灾害预测提供可靠的基础数据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种半植入式孔底光纤光栅应变计地应力测量装置，包括光纤光栅应变计探头、射入端光缆、透射端光缆、光纤光栅调节分析仪、信号线、数据采集主机、带有安装器的安装杆，所述光纤光栅应变计探头包括基座、安装于基座的半植入式环氧树脂基片，六个光纤光栅应变计绕圆周间隔60°固定于环氧树脂基片，且六个光纤光栅应变计串联后两端分别与射入端光缆和透射端光缆连接，带有安装器的安装杆用于将光纤光栅应变计探头安装至测孔测试位置，射入端光缆和透射端光缆与光纤光栅调节分析仪连接，光纤光栅调节分析仪通过信号线与数据采集主机连接。

进一步的，半植入式环氧树脂基片上绕半径为5mm的圆周上间隔60°刻深度为0.4mm、长度为10mm的半圆柱状槽，个光纤光栅应变计以串联的形式分别固定粘贴到对应的半圆柱状槽中。

进一步的，半植入式环氧树脂基片的直径为48mm，厚度为1mm，半圆柱状槽的长度为10mm，深度为0.4mm，光纤光栅应变计直径为0.8mm，长度为10mm。

进一步的，所述基座包括接头和光纤光栅应变计保护仓，所述光纤光栅应变计保护仓为内部中空的圆柱形腔体结构，接头为与光纤光栅应变计保护仓连通的圆柱形腔体，光纤光栅应变计保护仓开口端与半植入式环氧树脂基片以同心圆的方式对齐后粘接固定，通过接头灌入液化后的凡士林至光纤光栅应变计保护仓，以达到防水并保护光纤光栅应变计的作用。

一种半植入式孔底光纤光栅应变计地应力测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在半植入式环氧树脂基片绕圆周间隔60°刻六个半圆柱状槽，并将六个串联的光纤光栅应变计分别固定粘贴到半植入式基片的半圆柱状槽中；

2)将与光纤光栅应变计连接的射入端光缆和透射端光缆穿过基座的光纤光栅应变计保护仓，然后从接头穿出；

3)将基座的光纤光栅应变计保护仓开口端与半植入式环氧树脂基片以同心圆的方式对齐，并将二者粘贴一起；

4)加热工业用凡士林使其液化，并通过接头灌入至光纤光栅应变计保护仓，以达到防水并保护光纤光栅应变计的作用，待凡士林冷却，并用铝箔缠裹射入端光缆和透射端光缆组成测试光缆，至此光纤光栅应变计探头即加工完成；

5)根据岩芯及钻孔电视选择合适的深度进行测试，使用磨平钻头将孔底磨至光滑平整；

6)磨平孔底后用清水冲洗孔底，取出钻头后，采用丙酮擦洗孔底，采用烘烤器将孔底烘干；

7)根据配方和洞室温度调配胶水，按照胶水的固化情况，在合适时间涂抹到准备好的光纤光栅应变计探头的半植入式环氧树脂基片上；

8)将涂胶后的光纤光栅应变计探头通过带有安装器的安装杆迅速安装到孔底端面上，安装到位后保持光纤光栅应变计探头对孔底的压力；

9)胶水完全固化后，取出安装器，将测试光缆与光纤光栅调节分析仪连接，采用光纤光栅调节分析仪检查光纤光栅应变计的服役状态，保证不在同一条直线的三个光纤光栅应变计处于服役状态；

10)向钻孔内冲水并读取光纤光栅应变计稳定读数作为初始值，每解除1cm读数1次，大于钻孔直径后每2cm读数1次，直至解除结束或岩芯崩断后读取稳定读数，并描述解除过程的异常情况；

11)将光纤光栅调节分析仪通过信号线与数据采集主机连接，读取应变值，通过数据处理得到测试部位的应变值。

由于采用了以上技术方案，本发明具有如下积极效果和优点：(1)由于引入了光纤光栅应变计，该设备具有电绝缘性好和体积小等优点，测试时受外界环境影响较小；(2)光纤光栅应变计测量范围广，测量精度较高；(3)本发明装置采用六个光纤光栅应变计串联，采用波分复用技术，只要保证有3个应变计没有被破坏而处于服役状态就可获得成功的测试成果；(4)光纤光栅应变计服役时间较长，可用于长时间的应力监测中；(5)由于基片半植入于钻孔孔底平面，采用该装置进行地应力测试时，仅需获得钻孔孔底薄片的岩心，因此特别适用于完整性较差的围岩以及处于高应力环境中岩体应力测量。

附图说明

图1是本发明中光纤光栅应变计探头的分解结构示意图；

图2是本发明中光纤光栅应变计探头组装后的结构示意图；

图3是本发明中光纤光栅应变计在半植入式环氧树脂基片上的布置示意图；

图4是本发明中基座的剖面图；

图5是本发明中光纤光栅应变计的串联分布示意图；

图6是本发明钻孔测试布置示意图。

图中：1—第一光纤光栅应变计，2—第二光纤光栅应变计，3—第三光纤光栅应变计，4—第四光纤光栅应变计，5—第五光纤光栅应变计，6—第六光纤光栅应变计，7—射入端光缆，8—透射端光缆，9—半植入式环氧树脂基片，10—基座，11—接头，12—光纤光栅应变计保护仓，13—光纤光栅应变计探头，14—光纤光栅调节分析仪，15—信号线，16—数据采集主机，17—带有安装器的安装杆，18—测试光缆。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图6，本发明提供一种半植入式孔底光纤光栅应变计地应力测量装置，其基于光纤光栅传感实现，适合破碎围岩的地应力测量。所述装置包括光纤光栅应变计探头13、射入端光缆7、透射端光缆8、光纤光栅调节分析仪14、信号线15、数据采集主机16、带有安装器的安装杆17。

参见图1-5，所述光纤光栅应变计探头13包括基座10、安装于基座10的半植入式环氧树脂基片9、设于半植入式环氧树脂基片9上的六个光纤光栅应变计(即第一光纤光栅应变计1、第二光纤光栅应变计2、第三光纤光栅应变计3、第四光纤光栅应变计4、第五光纤光栅应变计5、第六光纤光栅应变计6)。在半植入式环氧树脂基片9上绕半径为5mm的圆周上间隔60°刻深度为0.4mm、长度为10mm的半圆柱状槽，并将六个光纤光栅应变计(1-6)以串联的形式分别固定粘贴到对应的半圆柱状槽中，实现光纤光栅应变计与半植入式基片9的封装固定。光纤光栅应变计(1-6)串联的一端与射入端光缆7连接，另一端与透射端光缆8连接。

本实施例中所述半植入式环氧树脂基片9的直径为48mm，厚度为1mm。所述半植入式环氧树脂基片9上半圆柱状槽的长度为10mm，深度为0.4mm。所述光纤光栅应变计(1-6)直径为0.8mm，长度为10mm。该尺寸可满足常规的孔径为75mm、91mm、95mm等不同规格钻孔应力测量的孔径要求。

参见图1和图4，所述基座10包括接头11和光纤光栅应变计保护仓12，所述光纤光栅应变计保护仓12可为内部中空的圆柱形腔体结构，接头11为与光纤光栅应变计保护仓12连通的圆柱形腔体，与光纤光栅应变计(1-6)连接的射入端光缆7、透射端光缆8均经由基座10引出，然后用铝箔包装成测试光缆18(如图6所示)。所述光纤光栅应变计保护仓12的壁厚4mm，高度为20mm。所述接头11的壁厚为3mm，高度为20mm。

参见图6，采用带有安装器的安装杆17将光纤光栅应变计探头13安装至测孔测试位置，与光纤光栅应变计(1-6)连接的射入端光缆7、透射端光缆8组成的测试光缆18与光纤光栅调节分析仪14连接，并将光纤光栅调节分析仪14通过信号线15与数据采集主机16连接。所述带有安装器的安装杆17为圆柱形结构，长度为1.5m。

本发明还提供一种半植入式孔底光纤光栅应变计地应力测量方法，采用上述装置进行，装置在钻孔中具体安装和试验方案如下：

(1)在半植入式环氧树脂基片9绕圆周间隔60°刻六个半圆柱状槽，并将六个串联的光纤光栅应变计(1-6)分别固定粘贴到半植入式基片9的半圆柱状槽中。

(2)将与光纤光栅应变计(1-6)连接的射入端光缆7和透射端光缆8穿过基座10的光纤光栅应变计保护仓12，然后从接头11穿出。

(3)将基座10的光纤光栅应变计保护仓12开口端与半植入式环氧树脂基片9以同心圆的方式对齐，并将二者粘贴一起。

(4)加热工业用凡士林使其液化，并通过接头11灌入至光纤光栅应变计保护仓12，以达到防水并保护光纤光栅应变计(1-6)的作用。待凡士林冷却，并用铝箔缠裹射入端光缆7和透射端光缆8组成测试光缆18，至此光纤光栅应变计探头13即加工完成。

(5)根据岩芯及钻孔电视选择合适的深度进行测试，使用磨平钻头将孔底磨至光滑平整。

(6)磨平孔底后用清水冲洗孔底，取出钻头后，采用丙酮等擦洗孔底，采用烘烤器将孔底烘干。

(7)根据配方和洞室温度调配胶水，按照胶水的固化情况，在合适时间涂抹到准备好的光纤光栅应变计探头13的基片9上。

(8)将涂胶后的光纤光栅应变计探头13通过带有安装器的安装杆17迅速安装到孔底端面上，安装到位后保持光纤光栅应变计探头13对孔底的压力。所述第一光纤光栅应变计1安装成功后在钻孔孔底的投影为铅直向上方向，即为0°，第二光纤光栅应变计2为60°，以此类推。

(9)胶水完全固化后，取出安装器，将测试光缆18与光纤光栅调节分析仪14连接，采用光纤光栅调节分析仪14检查光纤光栅应变计(1-6)的服役状态，只要不在同一条直线的三个光纤光栅应变计处于服役状态，就可得到成功的测试结果。

(10向钻孔内冲水并读取光纤光栅应变计(1-6)稳定读数作为初始值。每解除1cm读数1次，大于钻孔直径后每2cm读数1次，直至解除结束或岩芯崩断后读取稳定读数。

(11)将光纤光栅调节分析仪14通过信号线15与数据采集主机16连接，读取应变值，通过数据处理得到测试部位的应变值。

孔底中心部位的二次应力状态与钻孔坐标系表达的地应力状态的关系，根据式(1)为

因为钻孔孔底平面应力分量与围岩地应力状态尚无理论解析解，因此，对表达式(1)中孔底平面应力集中系数a，b，c，d，只能由模型试验和有限元计算求得。范希尔敦(vanheerden)通过模型试验取得的应力集中系数为a＝d＝1.25，b＝0，c＝-0.75(0.65+μ)；克鲁(cruy，r.v.)通过有限元计算，当μ＝0.2时，取得的应力集中系数为：a＝1.30，b＝0.075，c＝0.655，d＝1.417；长沙矿冶研究院、兰州大学也通过有限元计算取得的应力集中系数为：a＝1.392-0.107μ，b＝-0.192+0.393μ，c＝-0.4-1.06μ，d＝1.584-0.5μ，当μ＝0.2时，a＝1.3706，b＝-0.1134，c＝-0.612，d＝1.484。

孔底应变观测值与钻孔坐标系表达的应力分量的关系：

以上原理说明，通过测读钻孔孔底的应变变化值，采用反分析方法可以推演出岩体的初始应力值。

本发明耦合了光纤光栅传感器核孔底应变技术，具有体积小、测量范围广、易安装、测试精度高和服役时间长等优点，为复杂岩体地应力测量提供了新的、精度较高的途径。采用该装置进行地应力测试时，仅需要获取1cm长的完整岩芯，因此特别适用于较破碎、煤岩及处于高应力环境中岩体应力测量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。