[发明专利]半植入式孔底光纤光栅应变计地应力测量装置及方法

说明书

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及方法，该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，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。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。

技术领域

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。

发明内容

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：