一种基于光纤光栅传感的地应力方向检测装备及检测方法与流程

本发明涉及一种地应力方向检测装备及检测方法，尤其适用于地应力监测领域使用的基于光纤光栅传感的地应力方向检测装备及检测方法。

背景技术：

地应力是地层中天然具有的应力，它是引起地下工程变形和破坏的根本作用力。对地下工程而言，地下隧道的施工、矿井巷道的布置、开挖以及支护等必须依据原位地应力的分布情况采取相应的技术。依据地应力方向选择地下巷道的走向、以及支护技术，将在很大程度上保障巷道的稳定安全，节省维护费用和后期工作量。一些常见的巷道围岩变形严重等问题归根结底都是原始地应力分布情况不清楚，盲目设计导致后续开采时面临一系列的矿山压力问题。

现有技术对地应力方向的检测操作复杂，受操作环境的制约，如在高瓦斯、高粉尘、高电磁干扰、高湿度等环境中，检测设备本身带电、工作人员不宜长时滞留等因素都限制了检测地应力分布的相关设备与方法的使用。

技术实现要素：

针对上述技术问题，提供一种结构简单，使用方便，检测效果好，根据需要调整检测精度的基于光纤光栅传感的地应力方向检测装备及检测方法。

为了实现上述目的，本发明的基于光纤光栅传感的地应力方向检测装备，它包括光纤光栅方向感应计、光缆、光纤光栅解调仪和解调主机，其中光纤光栅方向感应计尾部通过光缆与光纤光栅解调仪相连接，光纤光栅解调仪与解调主机相连接；

其中光纤光栅方向感应计包括方向感应壳体头部设有钻帽，方向感应壳体中空，方向感应壳体内通过感应单元连接柱隔出多个感应单元；

感应单元内设有感应单元上感应板、感应单元下感应板、感应单元上传动磁体和感应单元下传动磁体，感应单元上感应板和感应单元下感应板分别包括活动端和固定端，感应单元上感应板和感应单元下感应板的固定端分别轴向设置在感应单元的两端，两者活动端之间留有空隙，感应单元上感应板上设有感应单元上感应光栅，感应单元下感应板上设有感应单元下感应光栅，感感应单元上传动磁体和感应单元下传动磁体分别设置在感应单元的侧壁上；

所述感应单元连接柱上设有小通孔，方向感应壳体内的感应单元上感应板、感应单元下感应板、感应单元连接柱、感应单元上感应光栅、感应单元下感应光栅、感应单元上传动磁体和感应单元下传动磁体的固定端通过光纤相互连接，并通过小通孔延伸出光纤光栅方向感应计尾端与光纤光栅解调仪相连接。

所述感应单元上感应光栅和所述感应单元下感应光栅的轴向分别与感应单元上感应板、感应单元下感应板的长度方向一致，分别黏贴在靠近所述感应单元上感应板和所述感应单元下感应板固定端。

所述的感应单元上传动磁体和所述感应单元下传动磁体分别固定安装在所述方向感应壳体内侧，为长条形结构，长条形结构的小面分别与感应单元上感应板和所述感应单元下感应板活动端对齐。

所述的感应单元上感应板和感应单元下感应板为具有弹性和铁磁性的不锈钢材质，板面长度方向一致，板面在空间上相互垂直，并固定在所述感应单元连接柱上。

所述的各个感应单元内的感应单元上感应板和感应单元下感应板板面的法向方向不同，并均匀分布，第一个感应单元的感应单元上感应板和感应单元下感应板感应方向设为0°和90°，第二个感应单元的感应单元上感应板和感应单元下感应板感应方向为30°和120°，第三个感应单元的感应单元上感应板和感应单元下感应板感应方向为60°和150°，以下感应单元的感应单元上感应板和感应单元下感应板感应方向以此类推类推，每个感应单元内的感应单元上传动磁体和感应单元下传动磁体的位置与感应单元内的感应单元上感应板和感应单元下感应板的位置相对应。

一种基于光纤光栅传感的地应力方向检测方法，具体包括如下步骤：

步骤一：根据精度要求，选择设置在方向感应壳体的长度以及设置在方向感应壳体内的感应单元的数量，使用感应单元连接柱将所有感应单元上感应板和感应单元下感应板连接固定，固定感应单元上传动磁体和感应单元下传动磁体，在方向感应壳体顶部安装钻帽；

步骤二：在待测地层打钻孔，将光纤光栅方向感应计安装于钻孔中，并固定；

步骤三：将光纤光栅方向感应计尾端引出的光缆与光纤光栅解调仪相连接；

步骤四：将光纤光栅解调仪与解调主机相连接；

步骤五：记录各感应单元中的感应单元上感应光栅和感应单元下感应光栅对应的初始中心波长和方向信息；

步骤六：当钻孔受地应力挤压时，通过解调主机显示各感应光栅的中心波长，对比感应光栅初始中心波长，中心波长变化量最大的感应光栅对应的方向即为地应力方向。

步骤一中，各感应单元中感应单元上感应板和感应单元下感应板变形方向为感应单元检测是否有地应力的方向，在连接两个感应单元时使各感应单元中感应单元上感应板和感应单元下感应板板面法向方向不重复。

步骤二中，固定光纤光栅方向感应计，使之不发生轴向扭转。

步骤六中，方向信息指该感应光栅所在的感应板板面法向方向。

步骤六中，要待钻孔充分受力产生挤压，即感应光栅的中心波长产生明显变化时再记录各感应光栅的当前中心波长，并与初始波长对比。

有益效果：采用由多个感应单元组成的光纤光栅方向感应计，利用光缆、光纤光栅解调仪和解调主机检测被测区域的应力信息，根据需要通过调整感应单元的数量从而调整检测精度，通过感应单元中的感应光栅检测地应力方向，不仅适用于高瓦斯、高粉尘、高电磁干扰、高湿度等恶劣条件，而且现场操作简单，劳动工作工序和工作量少，保障了工作人员和生产的安全，光纤光栅方向感应计由多个感应单元组成，感应单元越多地应力方向的检测精度越高，可根据生产施工需要选择感应单元的数量，通过解调主机实时监测地应力状态，对比感应光栅初始中心波长和对应的方向信息，可简单方便地确定地应力方向。

附图说明

图1为本发明的基于光纤光栅传感的地应力方向检测装备结构示意图；

图2为本发明的基于光纤光栅传感的地应力方向检测装备a-a剖面示意图。

图中1-方向感应壳体，2-感应单元上感应板，3-感应单元下感应板，4-感应单元连接柱，5-感应单元上感应光栅，6-感应单元下感应光栅，7-感应单元上传动磁体，8-感应单元下传动磁体，9-光缆，10-光纤光栅解调仪，11-解调主机，12-小通孔，13-钻帽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明：

如图1所示，基于光纤光栅传感的地应力方向检测装备，包括光纤光栅方向感应计、光缆9、光纤光栅解调仪10和解调主机11，其中光纤光栅方向感应计尾部通过光缆9与光纤光栅解调仪10相连接，光纤光栅解调仪10与解调主机11相连接；

其中光纤光栅方向感应计包括方向感应壳体1头部设有钻帽13，方向感应壳体1中空，方向感应壳体1内通过感应单元连接柱4隔出多个感应单元；

感应单元内设有感应单元上感应板2、感应单元下感应板3、感应单元上传动磁体7和感应单元下传动磁体8，感应单元上感应板2和感应单元下感应板3分别包括活动端和固定端，感应单元上感应板2和感应单元下感应板3的固定端分别轴向设置在感应单元的两端，两者活动端之间留有空隙，感应单元上感应板2上设有感应单元上感应光栅5，感应单元下感应板3上设有感应单元下感应光栅6，感感应单元上传动磁体7和感应单元下传动磁体8分别设置在感应单元的侧壁上；所述感应单元上感应光栅5和所述感应单元下感应光栅6的轴向分别与感应单元上感应板2、感应单元下感应板3的长度方向一致，分别黏贴在靠近所述感应单元上感应板2和所述感应单元下感应板3固定端。所述的感应单元上传动磁体7和所述感应单元下传动磁体8分别固定安装在所述方向感应壳体1内侧，为长条形结构，长条形结构的小面分别与感应单元上感应板2和所述感应单元下感应板3活动端对齐。所述的感应单元上感应板2和感应单元下感应板3为具有弹性和铁磁性的不锈钢材质，板面长度方向一致，板面在空间上相互垂直，并固定在所述感应单元连接柱4上。

所述感应单元连接柱4上设有小通孔12，方向感应壳体1内的感应单元上感应板2、感应单元下感应板3、感应单元连接柱4、感应单元上感应光栅5、感应单元下感应光栅6、感应单元上传动磁体7和感应单元下传动磁体8的固定端通过光纤相互连接，并通过小通孔12延伸出光纤光栅方向感应计尾端与光纤光栅解调仪10相连接。

所述的各个感应单元内的感应单元上感应板2和感应单元下感应板3板面的法向方向不同，并均匀分布，第一个感应单元的感应单元上感应板2和感应单元下感应板3感应方向设为0°和90°，第二个感应单元的感应单元上感应板2和感应单元下感应板3感应方向为30°和120°，第三个感应单元的感应单元上感应板2和感应单元下感应板3感应方向为60°和150°，以下感应单元的感应单元上感应板2和感应单元下感应板3感应方向以此类推类推，每个感应单元内的感应单元上传动磁体7和感应单元下传动磁体8的位置与感应单元内的感应单元上感应板2和感应单元下感应板3的位置相对应。

一种基于光纤光栅传感的地应力方向检测方法，具体包括如下步骤：

步骤一：根据精度要求，选择设置在方向感应壳体1的长度以及设置在方向感应壳体1内的感应单元的数量，使用感应单元连接柱4将所有感应单元上感应板2和感应单元下感应板3连接固定，固定感应单元上传动磁体7和感应单元下传动磁体8，在方向感应壳体1顶部安装钻帽13；各感应单元中感应单元上感应板2和感应单元下感应板3变形方向为感应单元检测是否有地应力的方向，在连接两个感应单元时使各感应单元中感应单元上感应板2和感应单元下感应板3板面法向方向不重复；

步骤二：在待测地层打钻孔，将光纤光栅方向感应计安装于钻孔中，并固定；固定光纤光栅方向感应计，使之不发生轴向扭转；

步骤三：件光纤光栅方向感应计尾端引出的光缆9与光纤光栅解调仪10相连接；

步骤四：将光纤光栅解调仪10与解调主机11相连接；

步骤五：记录各感应单元中的感应单元上感应光栅5和感应单元下感应光栅6对应的初始中心波长和方向信息；

步骤六：当钻孔受地应力挤压时，通过解调主机11显示各感应光栅的中心波长，对比感应光栅初始中心波长，中心波长变化量最大的感应光栅对应的方向即为地应力方向，方向信息指该感应光栅所在的感应板板面法向方向。要待钻孔充分受力产生挤压，即感应光栅的中心波长产生明显变化时再记录各感应光栅的当前中心波长，并与初始波长对比。

图2为本发明感应单元a-a剖面的示意图，感应单元上感应板2和感应单元下感应板3优选的材质为具有弹性和铁磁性的不锈钢，板面长度方向一致，板面在空间上相互垂直，并固定在感应单元连接柱4上，感应单元上传动磁体7和感应单元下传动磁体8分别固定安装在方向感应壳体1内侧，为长条形，长条的小面分别与感应单元上感应板2和感应单元下感应板3活动端对齐，感应壳体1受挤压使得传动磁体靠近感应板，感应板受到更强的吸引力产生弯曲变形，并使感应光栅产生弯曲应变。

采用本发明所提供的一种地应力方向检测装备，包括光纤光栅方向感应计、光缆9、光纤光栅解调仪10和解调主机11，其中光纤光栅方向感应计由多个方向感应单元和一个钻帽13组成，感应单元包括方向感应壳体1、感应单元上感应板2、感应单元下感应板3、感应单元连接柱4、感应单元上感应光栅5、感应单元下感应光栅6、感应单元上传动磁体7和感应单元下传动磁体8，本发明还公开了一种检测地应力方向的方法，采用本发明公开的装备，通过感应单元中的感应光栅检测地应力方向，不仅适用于高瓦斯、高粉尘、高电磁干扰、高湿度等恶劣条件，而且现场操作简单，劳动工作工序和工作量少，保障了工作人员和生产的安全，光纤光栅方向感应计由多个感应单元组成，感应单元越多地应力方向的检测精度越高，可根据生产施工需要选择感应单元的数量，通过解调主机实时监测地应力状态，对比感应光栅初始中心波长和对应的方向信息，可简单方便地确定地应力方向。