[发明专利]一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置及监测系统

说明书

技术领域

本公开一般涉及测试技术领域，具体涉及岩土、采矿等地下工程 应力测试技术领域，尤其涉及一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装 置及监测系统。

背景技术

随煤炭资源开采深度和开采强度的增加，冲击地压已成为国内外煤 矿开采领域面临的主要灾害之一。采矿工程特别是煤矿，地质环境和应 力条件复杂，巷道或工作面围岩在高地应力和强卸荷共同作用下，采动 应力重新分布，时空关系复杂，高应力释放、转移、传递引起的煤岩体 的动力学特征明显，在一定条件下将会引起冲击地压动力灾害，严重影 响工程施工进度和安全，常造成施工设备损坏和重大人员伤亡事故。冲 击地压发生前期，煤岩中能量并未释放，但内部的应力集中程度却有突 然增高的现象。故灾害的发生首先体现在应力状态的变化上，应力变化 是预测动力灾害的关键，应力状态的测量是实现动力灾害准确预报的基 础。通过现场获取和分析工程建设开挖过程中应力状态的演化过程，可 以有效实现灾害的预警和控制。因此，煤岩体应力测试成为矿业开采中 动力灾害研究的重要内容之一。

对于煤岩体中的应力测试主要分为两类：未受工程扰动的原岩地应 力测试和施工过程中的扰动应力测试。前者较为成熟的测试有钻孔应力 解除法、水压致裂法等；后者扰动应力测试的代表性技术为单向钻孔应 力计，其中冲击地压的测量属于扰动应力测试技术领域。

然而，上述现有技术存在以下缺点：

在实际工程施工过程中测量冲击地压时，需要在施工准备之前埋设 监测装置，并在施工准备就绪之后才能进行冲击地压的测量，因此监测 装置从预埋到开始施工测量阶段前后共需要十几天至一两个月不等的时 间，这就对监测装置能够实现动态长期监测提出了较高的要求。而目前 的扰动应力测试技术仅能实现一到两天的短期测量，当进行长期测量时 测量数据出现严重偏差，无法得到准确的测量结果，无法实现地应力的 长期测量。因此现有技术中，地下空间复杂环境下冲击地压三维应力演 化过程的动态长期监测非常困难，业内在该领域一直存在技术空白。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种长期监测的光 纤光栅围岩应力监测装置及监测系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种长期监测的光纤光栅围岩应力 监测装置，其特征在于，包括：

壳体，其为内外双层结构，在内层和外层之间设有光纤光栅，所述 壳体的弹性模量为8-15GPa。

第二方面，本申请实施例还提供了一种长期监测的光纤光栅围岩应 力监测系统，包括上述的一种长期监测的光纤光栅围岩应力监测装置， 所述围岩应力监测装置上至少设有六个方向互不相同的所述光纤光栅；

还包括终端设备、波长解调仪和定向仪，所述光纤光栅通过所述波 长解调仪与所述终端设备连接，所述定向仪与所述终端设备连接；

所述终端设备通过所述光纤光栅的波长信号得到所述光纤光栅对应 测点处的应变数据，所述终端设备根据所述定向仪获得所述光纤光栅的 方位信息；

所述终端设备根据所述光纤光栅赋存体的弹性模量和泊松比、以及 所述光纤光栅的方位信息，将所述应变数据转换为围岩的扰动应力数据， 进而得到测点处的应力状态。

本申请实施例提供的长期监测的光纤光栅围岩应力监测方案，通过 对壳体结构的双层设计和对壳体材料的限定，大大提高了测量时间： 将以往的只能实现一到两天的短期测量，提高到能满足超过数月的长 期准确测量，实现了在长期下对围岩三维扰动应力场的准确监测，使 光纤光栅传感器在测量围岩扰动应力方面的应用得以实现，在世界范 围内填补了该领域一直存在的技术空白。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描 述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例一应力测试系统的架构图；

图2为本发明实施例一应力测试装置的结构示意图；

图3为光纤光栅传感器布置截面示意图；

图4为A组光纤光栅应变花示意图；

图5为B组光纤光栅应变花示意图；

图6为C组光纤光栅应变花示意图；

图7为光纤Bragg光栅结构示意图；

图8为光源入射光谱图；

图9为光纤Bragg光栅反射特性图；

图10为光纤Bragg光栅透射特性图；

图11为三维钻孔围岩应力分布状态图；

图12为电阻应变花的受力状态示意图；

图13为传统壳体流变时程曲线；