[实用新型]一种高成活率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，尤其涉及一种高成活率的光纤光栅围岩应力监测装置及监测系统。

背景技术

随地下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等地下开采工程领域面临的主要灾害之一。地下工程、特别是采矿工程的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、地下工程开挖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：

传统的原岩应力测试技术由于采用电桥采集方式，这种方式必须在整个检测过程中保证稳定供电，且存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较差的缺点，同时易受酸碱腐蚀等复杂地下环境影响而失效，难以适应扰动应力测试技术。而单向钻孔应力计则不能满足围岩应力三维监测的需求。

采用光纤光栅围岩应力测试装置可以有效改善电桥采集方式的上述不足，具有耐腐蚀、抗地下水和电磁干扰，不受信号强弱和衰减的影响，对于岩体工程复杂地质和水文条件的适应性强等优点。

然而，目前的光纤光栅围岩应力测试装置的研究仅处于实验室水平的探索阶段，由于光纤光栅的成活率特别低，不能满足其工业化生产的要求。

实用新型内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种高成活率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高成活率的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于，包括壳体，所述壳体上设有光纤光栅，所述光纤光栅的栅区长度为2-4mm。

第二方面，本申请实施例还提供了一种高成活率的光纤光栅围岩应力监测系统，包括上述的高成活率的光纤光栅围岩应力监测装置，其特征在于，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高成活率的光纤光栅围岩应力监测方案，通过对光纤光栅的栅区长度的选择，大大提高了光纤光栅的成活率，使得利用光纤光栅测量围岩三维扰动应力的监测装置可以实现产业化生产，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为本实用新型实施例一应力测试系统的架构图；

图2为本实用新型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光栅传导光谱透射特性图；

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；