一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统制造方法及图纸

本申请公开了一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统。监测装置，包括：壳体，呈筒体结构，所述壳体为内外双层结构，内层和外层材料的弹性模量为8‑15GPa、抗拉强度不小于60MPa；至少六个方向互不相同的光纤光栅，其布设在所述壳体的内层和外层之间，所述光纤光栅的栅区长度为2‑4mm。通过对壳体结构的双层设计、对壳体材料的限定、以及对光纤光栅的栅区长度的选择，不仅实现了在长期下对围岩三维扰动应力场的准确监测，而且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。

A monitoring system and monitoring system for three-dimensional disturbed stress field of surrounding rock

【技术实现步骤摘要】
一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统
本公开一般涉及测试
，具体涉及岩土、采矿等地下工程应力测试
，尤其涉及一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统。
技术介绍
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
然而，上述现有技术存在以下缺点：在井下监测预警冲击地压时，需要提前在通风或运输巷道的顶板岩层中埋设传感器，随着开采工作面向传感器位置的推进，监测顶板岩层扰动应力的变化，进而对冲击地压进行预测与预警。监测预警周期一般从传感器埋设开始到工作面超过监测面一段距离后结束，其一般要持续十几天到数月不等，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。而目前的三维岩石应力测试传感器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会出现严重偏差，无法得到准确的测量结果，无法实现地应力的长期测量；另一方面，扰动应力的三维测量技术仅处于实验室水平的探索阶段，不能满足工业化生产的要求。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。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种围岩三维扰动应力场的监测装置及监测系统。第一方面，本申请实施例提供了一种围岩三维扰动应力场的监测装置，包括：壳体，呈筒体结构，所述壳体为内外双层结构，内层和外层材料的弹性模量为8-15GPa、抗拉强度不小于60MPa；至少六个方向互不相同的光纤光栅，其布设在所述壳体的内层和外层之间，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围岩三维扰动应力场的监测系统，包括上述的围岩三维扰动应力场的监测装置，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围岩三维扰动应力场的监测方案，通过对壳体结构的双层设计、对壳体材料的限定、以及对光纤光栅的栅区长度的选择，不仅实现了在长期下对围岩三维扰动应力场的准确监测，而且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为本技术实施例一应力测试系统的架构图；图2为本技术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(环氧树脂：typeA)流变时程曲线；图14为传统壳体(环氧树脂：typeB)流变时程曲线；图15为本技术壳体流变实验结果；图16为本技术传感器在标定实验中的测试结果。其中，1、导向杆；2、密封圈卡槽；3、出胶孔；4、柱塞；5、出胶通道；6、固定销；7、壳体储胶腔；8、测量光纤光栅；9、独立光栅传感器；10、补偿光栅传感器；11、定向销；12、光纤；13、前端封垫；14、后端封垫；15、壳体，16、连接杆。具体实施方式为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本技术一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关技术，而非对该技术的限定。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。实施例一：图1作为本技术的适用例的测试系统的架构图。如图1所示，测量系统架构可以包括监测装置101、102、103、104，传输介质和测量仪201。传输介质用以实现监测装置101、102、103、104和测量仪201之间的通信连接。其中，传输介质主要包括光缆。终端设备可以是单独的测量仪，也可以是各种电子设备，包括但不限于个人电脑、智能手机、智能电视、平板电脑等等。应该理解，图1中的监测装置、终端设备的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，一个终端设备可以连接有限数目的监测装置，例如，若每支传感器有两根通讯光纤，32通道终端设置可连接16支传感器。如
技术介绍
中所提到的，在井下监测预警冲击地压时，监测预警周期一般从传感器埋设开始到工作面超过监测面一段距离后结束，其一般要持续十几天到数月不等，其中重要的一点是：传感器必须要具有长期稳定性，在一定的应力水平下不能有明显的流变性。而传统的原岩应力测试技术由于采用电桥采集方式，必须在整个检测过程中保证稳定供电，因此存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较差的缺点，此外，相应的传感器基材具有明显的流变性，且易受酸碱腐蚀等复杂地下环境影响而失效，难以适应长期工程监测的要求，无法实现准确的长期远距离动态检测。而扰动应力测试尚不成熟，目前已有但是其仅仅测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特征在于，包括：壳体，呈筒体结构，所述壳体为内外双层结构，内层和外层材料的弹性模量为8‑15GPa、抗拉强度不小于60MPa；至少六个方向互不相同的光纤光栅，其布设在所述壳体的内层和外层之间，所述光纤光栅的栅区长度为2‑4mm。

【技术特征摘要】
1.一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特征在于，包括：壳体，呈筒体结构，所述壳体为内外双层结构，内层和外层材料的弹性模量为8-15GPa、抗拉强度不小于60MPa；至少六个方向互不相同的光纤光栅，其布设在所述壳体的内层和外层之间，所述光纤光栅的栅区长度为2-4mm。2.根据权利要求1所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特征在于：所述光纤光栅为抗弯光纤Bragg光栅，所述壳体材料采用有机玻璃。3.根据权利要求1所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特征在于：所述光纤光栅沿同一圆周分为三组等间距布设，每组所述光栅传感器至少设有三个，分别沿周向、轴向、以及与轴向间隔45°的方向布设。4.根据权利要求1-3任一所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特征在于：监测装置上还设有可自由伸缩的温度补偿光栅，所述温度补偿光栅与所述光纤光栅为同一种基体材料。5.根据权利要求1所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特征在于：所述壳体的内部具有用以容纳胶体粘结剂的壳体储胶腔，所述胶体粘结剂用以实现所述壳体外侧与钻孔孔壁的粘结。6.根据权利要求5所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特征在于：所述胶体粘结剂的初凝时间为30-45分钟，终凝时间为15-17小时，弹性模量为9-12GPa，抗拉强度不小于60MPa。7.根据权利要求5或6所述的一种围岩三维扰动应力场的监测装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫忠，赵武胜，田洪铭，谭贤君，马池帅，宋万鹏，
申请(专利权)人：山东星盾安防科技有限公司，山东大学，中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：新型
国别省市：山东,37