围岩应力场分布测试装置及方法
专利汇可以提供围岩应力场分布测试装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种围岩应 力 场分布测试装置及方法，适用于 煤 矿井下对工作面巷道围岩/煤岩 应力 变化监测使用。包括围岩应力场分布测试装置，测试时在围岩体布置钻孔阵列，把测量光纤安装在钻孔中，将测量光纤 串联 接入矿用光缆，与光纤解调仪相连接，实现光 信号 从井下至井上的传输；光纤解调仪将 光信号 解调为 数字信号 并传输至计算机进行实时监控及分析处理，根据布里渊频移与应变的关系、应变与应力的关系提供了围岩应力场分布的测量方法。本设计采用单端测试，无需形成测试回路，降低了监测成本和监测难度，解决了目前围岩应力监测过程中监测点多、监测范围有限、 信号传输 线敷设及系统复杂的问题，有助于促进冲击地压等煤岩动力灾害的监测和预警技术的进步。，下面是围岩应力场分布测试装置及方法专利的具体信息内容。
1.一种围岩应力场分布测试方法，其特征在于使用围岩应力场分布检测装置包括柱塞（7）和内置有胶结剂的腔体（9），腔体（9）的腔壁上设有出胶口（2），柱塞（7）的底部设有插入腔体（9）的活动塞（8），腔体（9）的上方与柱塞（7）之间连接有保险铁丝（1），腔体（9）底部设有前端尾端光纤固定圆盘（3），前端尾端光纤固定圆盘（3）上设有U型固定凹槽，固定凹槽内穿入有测量光纤（4），测量光纤（4）的两个端头均设有光纤连接头（6），测量光纤（4）尾端设有尾端光纤固定圆盘（5），所述测量光纤（4）的两个端头分别从尾端光纤固定圆盘（5）上的两个光纤紧固阀孔（11）中穿出，并通过光纤紧固阀（10）拉紧固定，尾端光纤固定圆盘（5）上设有注浆孔（12），注浆孔（12）上设有注浆孔封孔片（13）；
围岩应力场分布测试方法步骤如下：
a．使用钻孔机在工作面巷道围岩壁中垂直巷道壁方向钻孔，所述钻孔为水平孔；钻孔顶端为导向用的喇叭形，钻孔喇叭形顶端上开有用于光纤锚固的小孔；
b．先将测量光纤（4）固定于前端尾端光纤固定圆盘（3）中，再将测试装置推入钻孔顶端的小孔内，使测试装置顶端的柱塞（7）在压力的作用下扯断从其内穿入的保险铁丝（1），并推动活动塞（8）压入腔体（9）内，腔体（9）中的胶结剂受到挤压通过出胶口（2）排入测试装置与钻孔壁之间的缝隙中，等待胶结剂固化后，将钻孔内的两根测量光纤（4）穿过尾端光纤固定圆盘（5）上光纤紧固阀孔，并通过光纤紧固阀（10）施加同样大小的预拉力，使测量光纤（4）伸直，同时使用膨胀螺栓穿过尾端光纤固定圆盘（5）上的光纤紧固阀孔（11），将尾端光纤固定圆盘（5）与钻孔外的煤岩壁锚固在一起，之后通过尾端光纤固定圆盘（5）上的注浆孔（12）向钻孔内注浆，待浆体充满整个钻孔后拨动注浆孔封孔片（13）封住注浆孔（12）并等待浆液凝固；
c．在待测试区域内重复上述步骤形成钻孔阵列，钻孔阵列水平相邻钻孔间隔为8~20m，并将各钻孔中的测量光纤（4）尾端的光纤连接头（6）串联后接入矿用光缆，再将矿用光缆接入BOTDR光纤信号解调仪；
d．BOTDR光纤信号解调仪开启工作，先通过矿用光缆向串联起来的测量光纤（4）发送光信号，之后接受从测量光纤（4）返回的光信号，并对返回的光信号进行解调，得到测量光纤（4）上返回的光纤布里渊频移值，通过BOTDR光纤信号解调仪测量的布里渊频移值并计算机处理得到测量光纤（4）上的应变大小，且应变数值与光纤形变幅度成正比；所述解调仪工作过程为，当距离入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到BOTDR光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移变化计算公式为：
式中， 、 为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数； 为光信号的布里渊频移基础值； 为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值； 为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量，考虑到井下围岩温度几乎保持不变，即将 近似为0，故只考虑应变对布里渊频移量的影响；
e．BOTDR光纤信号解调仪对接收到的返回光信号对测量光纤（4）上的发生应变点进行定位，首先判断出测量光纤（4）发生形变处与BOTDR光纤信号解调仪的距离 ，其公式如下：
式中，为光纤上产生形变点， 为形变点 至入射端的距离，为真空中的光速；为光纤的折射率，为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔；当光信号在测量光纤（4）内传播过程中受到光纤应变作用时，光信号发生散射，记录光信号入射进入光纤的时刻 ， 记录散射光信号返回入射端的时刻 ，获得进入光纤的时刻 与返回入射端的时刻 的时间间隔 ；之后变化入射脉冲光的频率重复向测量光纤（4）发射光信号，从而获得测量光纤（4）上各采样点的布里渊背向散射光增益谱，定位出光纤上所发生应变的具体位置；
f．当BOTDR光纤信号解调仪得到测量光纤（4）任意形变点 对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：
式中， 为发生应变位置处的应力，为封孔浆体凝固后的弹性模量，所述弹性模量为预设值， 为光纤发生应变位置处的实时应变值， 为光纤发生应变位置处的初始应变值。
2.据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：所述步骤f中为避免单根测量光纤（4）受力不均，将钻孔内构成串联回路的两根光纤所测的应力值 进行平均，得到修正后的围岩应力：
式中， 为修正后的形变点 的围岩应力， 、 为钻孔内构成回路的两根光纤在任意一点 分别所测得的围岩应力；即可得到一个测量钻孔内，沿钻孔轴向上的测量光纤（4）上各个采样点的实时围岩应力 ， ， ，并进一步获得沿钻孔轴向上的围岩应力增加幅度、增长速率及其随时间的变化规律，对由采掘空间围岩应力集中危险程度进行空间上和时间上的预警。
3.根据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：所述钻孔直径大于等于90mm，钻孔深度为8～15m，最大深度为20m，钻孔上倾5～8°，便于水和岩/煤粉顺利排出。
4.根据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：所述钻孔顶端喇叭形深度为7～8cm，所述用于光纤锚固的小孔的孔径为40mm、孔深为35～40cm。
5.根据权利要求1所述的围岩应力场分布测试方法，其特征在于：在工作面需要回采时，在其回采前，在两巷超前80~200m范围内，提前钻孔施工并布置测量光纤（4），形成测试回路；随着工作面的推进，可提前将处于割煤区域的钻孔外的测量光纤（4）的光纤连接头（6）断开，并在工作面后方位置新增加钻孔，在新增加钻孔中布置测量光纤（4）并串联，接入矿用光缆，连接到光纤信号解调仪和计算机上。
围岩应力场分布测试装置及方法
技术领域
背景技术
发明内容
附图说明
具体实施方式
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