[发明专利]一种光纤光栅地应力的获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩土地下工程测量技术领域的方法，具体是一种光纤光栅地应力的获取方法。

背景技术

地应力状态是岩土地下工程最重要的问题之一，而地应力测量是获取地应力状态最直接的手段。但是，地应力的测量难度很高，测量精度较差，尽管多年来各界学者和科研人员进行了大量的研究和探索，但至今仍未取得较满意的成果。目前使用较为普遍的地应力测量方法中，套芯应力解除法由于工艺问题在深孔中容易断芯而使测量无效，水力压裂法由于主应力方向的假定过于理想而与实际情况可能存在较大误差。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利《基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置》（葛修润，侯明勋，涂光骞，发明专利号201210559619.7，国家知识产权局，2012年12月20日）中提出了适用于地下硐室、矿山巷道中近水平孔内基于BWSRM原理的地应力测量的技术实施途径。但是，该装置对设备依赖性很强，基本上属于传统的安全监测技术手段，并且存在着各种缺点，比如获得的数据误差较大、不能进行全自动信息化处理、易受电磁和井下潮湿环境干扰等。

光纤光栅传感技术是随着光纤光栅制作技术的发展而崛起的一种崭新的传感技术，相比较传统的传感器，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度等优点。因此，将光纤光栅传感器用于石油、岩土、煤矿等领域扩展成为趋势。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种精度高、误差小、原理简单、抗干扰能力强、可自动信息化处理数据的光纤光栅地应力的获取方法。

技术方案：本发明的光纤光栅地应力的获取方法，包括如下步骤：

a、在受力杆的杆身沿轴向横截面中心布置3组互成120°角、轴向错距为D的三个光纤布拉格光栅组粘贴点；

b、在每个粘贴点中固定至少一组沿钻杆径向分布、角度α为0°、45°、90°的三个沿角轴向应变的光纤布拉格光栅组；

c、用钻孔机在地下围岩的巷道壁施工一水平钻孔，孔径与受力杆直径相同，用推进杆将受力杆安装于水平钻孔中，布置在受力杆上的光纤布拉格光栅组的光纤接头引出水平钻孔的外部并与光纤连接，推进杆通过孔口支撑架固定，光纤接入光纤光栅解调仪，光纤布拉格光栅组产生应变后，光纤光栅解调仪将解调后信号传输至计算机系统，得到3组光纤布拉格光栅组的中心波长漂移量数据；

d、借助套钻设备对光纤布拉格光栅组处侧壁围岩套钻环形槽，使套钻环形槽内的岩芯与周围岩体分离从而解除围岩应力；

e、对轴向应变光栅的中心波长漂移量数据进行如下处理以得到轴向应变量：

ϵij=ΔλBijKϵλBij]]>

式中，i表示第i组粘贴点，i=1、2、3，分别表示A、B、C三个光纤布拉格光栅组粘贴点；j表示粘贴点中第j个轴向位移光栅，j=1、2、3，分别表示每组粘贴点的角度α为0°、45°、90°三个角轴向应变光栅；及ε_ij分别为第i组第j个轴向应变光栅的中心波长漂移量、轴向应变光栅的初始中心波长和轴向应变光栅的轴向应变量，K_ε为光纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数；

f、得到轴向应变量后，定义钻孔坐标系oxyz与大地坐标系OXYZ，根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到孔壁上某一方向的轴向应变与大地坐标系下围岩地应力分量之间的关系：