圍巖應力場分布測試裝置及方法
專利匯可以提供圍巖應力場分布測試裝置及方法專利檢索，專利查詢，專利分析的服務。并且一種圍巖應 力 場分布測試裝置及方法，適用于 煤 礦井下對工作面巷道圍巖/煤巖 應力 變化監(jiān)測使用。包括圍巖應力場分布測試裝置，測試時在圍巖體布置鉆孔陣列，把測量光纖安裝在鉆孔中，將測量光纖 串聯(lián) 接入礦用光纜，與光纖解調(diào)儀相連接，實現(xiàn)光 信號 從井下至井上的傳輸；光纖解調(diào)儀將 光信號 解調(diào)為 數(shù)字信號 并傳輸至計算機進行實時監(jiān)控及分析處理，根據(jù)布里淵頻移與應變的關(guān)系、應變與應力的關(guān)系提供了圍巖應力場分布的測量方法。本設計采用單端測試，無需形成測試回路，降低了監(jiān)測成本和監(jiān)測難度，解決了目前圍巖應力監(jiān)測過程中監(jiān)測點多、監(jiān)測范圍有限、 信號傳輸 線敷設及系統(tǒng)復雜的問題，有助于促進沖擊地壓等煤巖動力災害的監(jiān)測和預警技術(shù)的進步。，下面是圍巖應力場分布測試裝置及方法專利的具體信息內(nèi)容。
1.一種圍巖應力場分布測試方法，其特征在于使用圍巖應力場分布檢測裝置包括柱塞（7）和內(nèi)置有膠結(jié)劑的腔體（9），腔體（9）的腔壁上設有出膠口（2），柱塞（7）的底部設有插入腔體（9）的活動塞（8），腔體（9）的上方與柱塞（7）之間連接有保險鐵絲（1），腔體（9）底部設有前端尾端光纖固定圓盤（3），前端尾端光纖固定圓盤（3）上設有U型固定凹槽，固定凹槽內(nèi)穿入有測量光纖（4），測量光纖（4）的兩個端頭均設有光纖連接頭（6），測量光纖（4）尾端設有尾端光纖固定圓盤（5），所述測量光纖（4）的兩個端頭分別從尾端光纖固定圓盤（5）上的兩個光纖緊固閥孔（11）中穿出，并通過光纖緊固閥（10）拉緊固定，尾端光纖固定圓盤（5）上設有注漿孔（12），注漿孔（12）上設有注漿孔封孔片（13）；
圍巖應力場分布測試方法步驟如下：
a．使用鉆孔機在工作面巷道圍巖壁中垂直巷道壁方向鉆孔，所述鉆孔為水平孔；鉆孔頂端為導向用的喇叭形，鉆孔喇叭形頂端上開有用于光纖錨固的小孔；
b．先將測量光纖（4）固定于前端尾端光纖固定圓盤（3）中，再將測試裝置推入鉆孔頂端的小孔內(nèi)，使測試裝置頂端的柱塞（7）在壓力的作用下扯斷從其內(nèi)穿入的保險鐵絲（1），并推動活動塞（8）壓入腔體（9）內(nèi)，腔體（9）中的膠結(jié)劑受到擠壓通過出膠口（2）排入測試裝置與鉆孔壁之間的縫隙中，等待膠結(jié)劑固化后，將鉆孔內(nèi)的兩根測量光纖（4）穿過尾端光纖固定圓盤（5）上光纖緊固閥孔，并通過光纖緊固閥（10）施加同樣大小的預拉力，使測量光纖（4）伸直，同時使用膨脹螺栓穿過尾端光纖固定圓盤（5）上的光纖緊固閥孔（11），將尾端光纖固定圓盤（5）與鉆孔外的煤巖壁錨固在一起，之后通過尾端光纖固定圓盤（5）上的注漿孔（12）向鉆孔內(nèi)注漿，待漿體充滿整個鉆孔后撥動注漿孔封孔片（13）封住注漿孔（12）并等待漿液凝固；
c．在待測試區(qū)域內(nèi)重復上述步驟形成鉆孔陣列，鉆孔陣列水平相鄰鉆孔間隔為8~20m，并將各鉆孔中的測量光纖（4）尾端的光纖連接頭（6）串聯(lián)后接入礦用光纜，再將礦用光纜接入BOTDR光纖信號解調(diào)儀；
d．BOTDR光纖信號解調(diào)儀開啟工作，先通過礦用光纜向串聯(lián)起來的測量光纖（4）發(fā)送光信號，之后接受從測量光纖（4）返回的光信號，并對返回的光信號進行解調(diào)，得到測量光纖（4）上返回的光纖布里淵頻移值，通過BOTDR光纖信號解調(diào)儀測量的布里淵頻移值并計算機處理得到測量光纖（4）上的應變大小，且應變數(shù)值與光纖形變幅度成正比；所述解調(diào)儀工作過程為，當距離入射端某點處的光纖發(fā)生應變和溫度變化時，返回到BOTDR光纖信號解調(diào)儀中的該點的布里淵頻移變化計算公式為：
式中， 、 為光纖的布里淵頻移應變系數(shù)和溫度系數(shù)； 為光信號的布里淵頻移基礎值； 為光纖在應變時的布里淵頻移；為初始應變值，為發(fā)生應變后的應變值； 為距離入射端某點處傳感光纖的溫度變化量，考慮到井下圍巖溫度幾乎保持不變，即將 近似為0，故只考慮應變對布里淵頻移量的影響；
e．BOTDR光纖信號解調(diào)儀對接收到的返回光信號對測量光纖（4）上的發(fā)生應變點進行定位，首先判斷出測量光纖（4）發(fā)生形變處與BOTDR光纖信號解調(diào)儀的距離 ，其公式如下：
?
式中，為光纖上產(chǎn)生形變點， 為形變點 至入射端的距離，為真空中的光速；為光纖的折射率，為發(fā)出的脈沖光與接收到的散射光的時間間隔；當光信號在測量光纖（4）內(nèi)傳播過程中受到光纖應變作用時，光信號發(fā)生散射，記錄光信號入射進入光纖的時刻 ，?記錄散射光信號返回入射端的時刻 ，獲得進入光纖的時刻 與返回入射端的時刻 的時間間隔 ；之后變化入射脈沖光的頻率重復向測量光纖（4）發(fā)射光信號，從而獲得測量光纖（4）上各采樣點的布里淵背向散射光增益譜，定位出光纖上所發(fā)生應變的具體位置；
f．當BOTDR光纖信號解調(diào)儀得到測量光纖（4）任意形變點 對應的應變值后，根據(jù)下式得到布里淵光纖發(fā)生應變位置處的應力大小：
?
式中， 為發(fā)生應變位置處的應力，為封孔漿體凝固后的彈性模量，所述彈性模量為預設值，? 為光纖發(fā)生應變位置處的實時應變值， 為光纖發(fā)生應變位置處的初始應變值。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于：所述步驟f中為避免單根測量光纖（4）受力不均，將鉆孔內(nèi)構(gòu)成串聯(lián)回路的兩根光纖所測的應力值 進行平均，得到修正后的圍巖應力：
?
式中， 為修正后的形變點 的圍巖應力， 、 為鉆孔內(nèi)構(gòu)成回路的兩根光纖在任意一點 分別所測得的圍巖應力；即可得到一個測量鉆孔內(nèi)，沿鉆孔軸向上的測量光纖（4）上各個采樣點的實時圍巖應力 ， ， ，并進一步獲得沿鉆孔軸向上的圍巖應力增加幅度、增長速率及其隨時間的變化規(guī)律，對由采掘空間圍巖應力集中危險程度進行空間上和時間上的預警。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于：所述鉆孔直徑大于等于90mm，鉆孔深度為8～15m，最大深度為20m，鉆孔上傾5～8°，便于水和巖/煤粉順利排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于：所述鉆孔頂端喇叭形深度為7～8cm，所述用于光纖錨固的小孔的孔徑為40mm、孔深為35～40cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圍巖應力場分布測試方法，其特征在于：在工作面需要回采時，在其回采前，在兩巷超前80~200m范圍內(nèi)，提前鉆孔施工并布置測量光纖（4），形成測試回路；隨著工作面的推進，可提前將處于割煤區(qū)域的鉆孔外的測量光纖（4）的光纖連接頭（6）斷開，并在工作面后方位置新增加鉆孔，在新增加鉆孔中布置測量光纖（4）并串聯(lián)，接入礦用光纜，連接到光纖信號解調(diào)儀和計算機上。
圍巖應力場分布測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
附圖說明
具體實施方式
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