一种岩层应力变化温度响应监测装置的制作方法

本发明涉及岩层应力监测技术领域，特别是涉及一种岩层应力变化温度响应监测装置。

背景技术：

地球内部构造活动频繁(如火山喷发、地震等)，并伴随温度与应力的变化。因此，深入开展地球内部温度与应力的长期监测，并建立活动构造带热-固耦合动力学模型以深入解译长期观测数据，这不仅有助于深入了解构造活动的动力学机制，同时也可为构造活动带的防震减灾工作提供可靠的理论依据。

国内、外钻孔长期监测主要的位移活动构造带(比如我国龙门山断裂带、车笼埔断裂带、美国圣安德列斯断裂带、日本Nankai海槽、日本海沟俯冲带等)。目前，在活动构造带钻孔长期监测过程中，通常将温度和应力应变传感器直接安装在钻孔中，用来监测岩层温度与应力应变变化。然而，在开展地壳岩石的应力-温度响应实验中发现，常见的地壳岩石应力-温度响应系数比较小(只有2～6mK/MPa)，而目前的测温分辨率通常在mK级，只有岩层应力变化较大时，所引起的温度响应才能被观测到。

可见，有必要对现有的岩层应力变化温度响应监测的装置进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种岩层应力变化温度响应监测装置，以使岩层应力变化的温度响应效应得到有效放大，提高应力和温度变化监测的分辨率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种岩层应力变化温度响应监测装置，包括：

应力应变传感器，置于岩层钻孔底部，用于检测岩层的应力变化；

温度响应放大组件，充填在钻孔内所述应力应变传感器的上方，用于检测所述应力变化引起的温度变化量，并将该温度变化量进行放大；

电源控制与数据采集模块，置于钻孔外，用于为所述应力应变传感器和温度响应放大组件供电，并采集所述应力变化及放大后的温度变化量。

所述温度响应放大组件包括封装壳体、分别设置在该封装壳体表面及中心的温度传感器，并在该封装壳体内填充有硅胶或橡胶。

所述封装壳体为柱状橡皮套。

本发明的优点是：采用应力-温度响应系数较高的硅胶或橡胶(132.31mK/MPa，比常见岩石的响应系数高2个数量级)来封装温度传感器，将其与应力应变传感器安装于岩层钻孔底部，再充填膨胀水泥使它们与岩层紧密耦合，使得监测的岩层钻孔应力-温度响应效应得到有效放大，可大大提高应力和温度变化监测的分辨率和灵敏度，而且温度传感器的封装工艺非常简洁，容易制作、成本低。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是典型砂岩与硅胶快速卸载过程中的温度响应曲线；

附图标记说明：10、应力应变传感器；21、封装壳体；22、温度传感器；30、电源控制与数据采集模块；31、可承重电缆；40、钻孔；50、膨胀水泥。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

如图1所示，一种岩层应力变化温度响应监测装置，包括：

应力应变传感器10，置于岩层钻孔40底部，并用膨胀水泥将其充填，用于检测岩层的应力变化；

温度响应放大组件，安放在钻孔40内所述应力应变传感器10的上方，也用膨胀水泥将其充填，用于检测所述应力变化引起的温度变化量，并将该温度变化量进行放大；

电源控制与数据采集模块30，置于钻孔40外，用于为所述应力应变传感器10和温度响应放大组件供电，并采集所述应力变化及放大后的温度变化量。

在本实施例中，所述温度响应放大组件包括封装壳体21、分别设置在该封装壳体21表面及中心的温度传感器22，并在该封装壳体21内填充有硅胶或橡胶；该封装壳体21为柱状橡皮套。

具体来说，本实施例的岩层应力变化温度响应监测装置主要包括：1)一个圆柱状橡皮套；2)一个应力应变传感器10；3)三个高稳定性、高分辨率的温度传感器22，分别封装在圆柱状橡皮套中心、表面及应力应变传感器10的表面；4)一个电源控制与数据采集模块30；5)一根适用于深孔的电缆31。

实际作业时，用可承重电缆31将封装了温度传感器22的温度响应放大组件和应力应变传感器10连接到电源控制与数据采集模块30，然后将温度响应放大组件与应力应变传感器10一起缓慢下放到岩层钻孔40底部，并用膨胀水泥50充填，使之与岩层紧密耦合，用于监测岩层应力变化及其导致的温度响应。

在应用中，可以按如下步骤安装及实施本发明的岩层应力变化温度响应监测装置：

步骤1、将硅胶或橡胶的化工原材料按其产品比例混合，然后灌入柱状橡皮套内，并在该柱状橡皮套的中心及表面分别设置温度传感器22；

步骤2、将所述灌满硅胶及安置好温度传感器22的柱状橡胶套放入真空箱，以排除硅胶或橡胶中的空气，并待其固结后取出，即完成了温度传感器22的封装，制成了的温度响应放大组件；

步骤3、用可承重电缆31将应力应变传感器10、温度响应放大组件分别连接到电源控制与数据采集模块30，然后将所述应力应变传感器10和温度响应放大组件安装在岩层中(比如缓慢慢下放并安置在岩层钻孔40底部)，并用膨胀水泥50充填，使之与岩层紧密耦合。最后，开启电源，设置数据采集开始时间与频率控制与数据采集模块，即可进入长期监测状态。

本发明将高稳定性、高分辨率温度传感器22封装于应力-温度响应系数较大的物质中(比如硅胶)，由此制成能够有效放大岩层应力变化引起的温度响应效应的温度响应放大组件；再将上述温度响应放大组件与应力应变传感器10(比如钻孔40应力应变仪)一同安放在岩层中，并充填膨胀水泥50，以便同时感应并记录同一地质事件(如地震)所导致岩层的应力与温度变化。

如图2(a)为典型砂岩快速卸载过程中的温度响应曲线，图2(b)为硅胶快速卸载过程中的温度响应曲线，经测试，实验结果表明硅胶的应力-温度响应系数达到132.31mK/MPa，比常见岩石的应力-温度响应系(2～6mK/MPa)高2个数量级。而且利用硅胶封装高稳定、高分辨率的温度传感器22，制作成圆柱状应力-温度响应放大组件，其方法和工艺非常简洁。而且硅胶本身具有非常好的水密和绝缘性，使得封装与其内部的温度传感器22不再需要做其他处理。证明其实际可行，且能稳定工作。

本发明中用来封装温度传感器22的硅胶，也可用其他应力-温度响应系数较相近的、且也比较易于封装的材料来代替，比如橡胶等。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。