專利名稱：巖芯內(nèi)應(yīng)力場測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，可以測量煤體、巖體內(nèi)應(yīng)カ的大小和空間分布，組建應(yīng)カ場，從而可以實(shí)時監(jiān)測煤體、巖體地應(yīng)カ變化，內(nèi)應(yīng)カ大小，隨采動和頂板活動、圍巖活動的變化規(guī)律。屬于工程監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景地應(yīng)力作用是導(dǎo)致地殼變形、褶皺、斷裂乃至地震發(fā)生的根本原因，地應(yīng)カ測量及應(yīng)カ狀態(tài)研究已廣泛應(yīng)用于大陸動力學(xué)研究、地震預(yù)報(bào)監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、活動斷裂以及礦山、大壩、電站、隧道工程設(shè)計(jì)及構(gòu)造應(yīng)カ場研究等領(lǐng)域。地應(yīng)カ研究的核心內(nèi)容是地應(yīng)カ狀態(tài)、空間分布規(guī)律及其隨時間的變化規(guī)律。地應(yīng)カ狀態(tài)通常運(yùn)用地應(yīng)カ測量手段獲得，地應(yīng)カ測量分為絕對應(yīng)カ測量和相對應(yīng)カ測量兩種。絕對應(yīng)力測量主要是確定地殼應(yīng)カ背景值，包括主應(yīng)カ大小和方向。相對應(yīng)カ測量是觀測應(yīng)力隨時間的動態(tài)變化規(guī)律，通常采用地應(yīng)カ監(jiān)測技木。絕對應(yīng)力測量方法主要包括壓磁應(yīng)力解除法、空心包體應(yīng)カ解除法、水壓致裂法等。相對應(yīng)カ測量方法主要包括壓磁法、體應(yīng)變法、分量應(yīng)變法及差應(yīng)變法等(吳滿路，廖椿庭等，2004)。在地應(yīng)カ測量與監(jiān)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地應(yīng)カ狀態(tài)空間分布規(guī)律及其隨時間的變化規(guī)律分析，從力學(xué)機(jī)制上探討地質(zhì)作用過程及其作用結(jié)果具有重要的科學(xué)意義和理論意義。目前，國內(nèi)外絕對應(yīng)力測量主要利用水壓致裂法和應(yīng)カ解除法。水壓致裂法是目前可進(jìn)行深孔直接應(yīng)カ測量的唯一方法，國外水壓致裂應(yīng)カ測量深度已經(jīng)達(dá)到數(shù)千米，國內(nèi)水壓致裂應(yīng)カ測量深度還主要在1000米之內(nèi)，這ー領(lǐng)域國內(nèi)外差距比較明顯，主要體現(xiàn)在設(shè)備自動化水平、材料性能等諸多方面；壓磁法是廣泛采用的應(yīng)カ解除方法，國外測量深度已達(dá)數(shù)百米，國內(nèi)測量深度僅限于孔深數(shù)十米以內(nèi)，深孔壓磁、應(yīng)カ解除測量仍面臨深孔元件防水密封、自動化安裝及定向、深部小孔成孔及井下數(shù)據(jù)采集存儲等諸多技術(shù)難題。由于地殼淺表層地形風(fēng)化作用等引起的非構(gòu)造應(yīng)力的存在，能夠代表區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力的深度往往大于100m，甚至更深，尤其是深切河谷地區(qū)(吳滿路，2004)。因此，迫切需要開展深孔地應(yīng)カ測量技術(shù)方法試驗(yàn)研究，發(fā)展深孔地應(yīng)力測量技木，為深部應(yīng)カ探測提供技術(shù)和人才儲備，提升我國相關(guān)領(lǐng)域研究水平，具有重要的科學(xué)意義?？刹捎锰足@孔應(yīng)力解除法，來取代巖體表面應(yīng)カ測量方法。根據(jù)測量元件安裝和測量的物理量不同，套鉆孔應(yīng)カ解除測量法可分為鉆孔孔壁應(yīng)變測量法、鉆孔孔底應(yīng)變測量法和鉆孔孔徑變形測量法三種。瑞典哈斯特研制的壓磁式應(yīng)カ計(jì)和美國礦務(wù)局歐貝特(Obert，L.)等人研制的USBM鉆孔變形計(jì)，都是測量鉆孔直徑變化的應(yīng)カ計(jì)；南非黎曼(Leeman, E. R.)研制的“CSIR門塞器”是測量鉆孔孔底應(yīng)變的應(yīng)カ計(jì)；70年代南非科學(xué)及エ業(yè)委員會CSIRO鉆孔三軸應(yīng)變計(jì)則是測量鉆孔孔壁應(yīng)變的測量元件。葡萄牙國家土木研究所羅哈研制的鉆孔三向應(yīng)カ張量計(jì)，經(jīng)過70年代改進(jìn)和完善而成為空心包體式三軸應(yīng)カ計(jì)，也是測量鉆孔孔壁應(yīng)變的測量元件。工程實(shí)踐中，巖體、煤體內(nèi)相對應(yīng)カ狀態(tài)測試方法或裝置主要有孔底應(yīng)變法、鉆孔變形計(jì)、小孔徑水壓致裂地應(yīng)カ測試(專利申請?zhí)?3257022)，和深孔大地應(yīng)カ檢測裝置的伸縮式貼片頭(專利申請?zhí)?00420111711. 8)，鉆孔應(yīng)カ計(jì)煤巖體地應(yīng)カ連續(xù)測試裝置及方法(專利申請?zhí)?00910029898. 4)，它們的缺點(diǎn)有的是不能與巖體緊密耦合，使用需要錨固劑或耦合劑，而且不可重復(fù)實(shí)用，測量效果差，僅僅測量鉆孔內(nèi)孔底或孔壁，或孔徑的變形，不能測量巖體內(nèi)部的空間應(yīng)カ場。經(jīng)專利和文獻(xiàn)檢索，煤巖體地應(yīng)カ連續(xù)測試裝置及方法(專利申請?zhí)?00910029898. 4)專利，采用了測試膠囊管內(nèi)的油液壓カ方法來測試巖體地應(yīng)力，通過連接在膠囊管上的電カ壓力表得到一個膠囊管內(nèi)的液體壓カ值，這個專利方法不能測量巖壁內(nèi)上的各點(diǎn)處壓力，不能給出巖壁內(nèi)矢量應(yīng)カ或應(yīng)變，不能構(gòu)建出應(yīng)カ場，而且采用的測試傳感器和分析系統(tǒng)是電子數(shù)顯壓カ傳感器與后續(xù)電路分析，干擾嚴(yán)重，信息量少，不便于組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離傳輸。檢索到的一種光纖光柵測量錨桿(專利申請?zhí)朲L200820020537. 4)及一些光纖光柵測量錨桿研究及公布的專利中，都是在錨桿上，敷設(shè)多個光纖光柵傳感器，與傳統(tǒng)的電子應(yīng)變片錨桿類似，需要將錨桿放入巖體內(nèi)部，加入錨固劑。另ー專利名稱為ー種巖石三維應(yīng)カ狀態(tài)的光纖光柵測試裝置及測試方法(專利申請?zhí)?01110052556. I)采用在混泥土塊的基體上敷設(shè)三個方向的光纖光柵傳感器來測量巖石內(nèi)部三維應(yīng)力，該設(shè)計(jì)與錨桿上敷 設(shè)光纖光柵傳感器類似，不同的是敷設(shè)光纖光柵傳感器的基體變化。但是其與巖體耦合效果差、測試到的巖體內(nèi)受カ是個平均效果，難以進(jìn)行分布式測量，難以給出巖體內(nèi)空間應(yīng)カ場，測試精度低、使用效果差等。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，其采用光纖微小，可各種靈活方式布置、重復(fù)使用，測量某點(diǎn)各個方向的應(yīng)力，結(jié)合軟管結(jié)構(gòu)，可以液體加壓充脹軟管，使光纖光柵測量傳感器與巖壁緊密耦合，可以測量巖體內(nèi)部應(yīng)カ場，鉆孔很小，工程量少。該測試儀構(gòu)造簡單，測試方便，測量精度高，適用性強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案一種巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，包括一根一端封閉的彈性軟管，所述彈性軟管的外表面上敷設(shè)有若干相連的、不同方向布置的光纖布拉格光柵，所述若干相連的光纖布拉格光柵通過光纖與彈性軟管外部的光纖光柵解調(diào)器相連，光纖光柵解調(diào)器通過線路與數(shù)據(jù)處理裝置相連；所述彈性軟管另一端通過管路及法蘭與液體輸入裝置相連。所述彈性軟管管壁至少有三層，內(nèi)層材料為聚四氟こ烯聚合物，中間層為鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，外層為碳纖維層，所述三層與光纖布拉格光柵傳感器通過塑性成形技術(shù)一次成型，彈性軟管壁中間層的鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)目的是增強(qiáng)軟管彈性剛度，最外層是碳纖維層，在碳纖維層刻各種各方向槽后，敷設(shè)光纖布拉格光柵，然后一次成型制作出彈性軟管。 所述光纖布拉格光柵是光纖刻制后又涂覆上光纖外涂層材料保護(hù)，光纖光柵在軟管的碳纖維層，敷設(shè)成各個方向分布，可感受巖體內(nèi)壁各個方向的力。所述彈性軟管與液體加壓輸入裝置相連的管路上設(shè)有壓カ顯示表。所述液體加壓輸入裝置包括手動壓カ桿、油箱，第一單向閥、第二單向閥，液壓缸，截止閥，手動壓カ桿一端鉸接于管路的支撐塊上，手動壓カ桿中部與液壓缸的活塞桿外端鉸接，液壓缸的進(jìn)、出油管路上分別設(shè)有方向相反的第一單向閥和第二單向閥，進(jìn)、出油管路分別與油箱、與彈性軟管相連的管路相連，出油管路通過法蘭及管路與彈性軟管相連，法蘭與第一單向閥之間的出油管路上連接有與油箱相通的回油管路，回油管路上設(shè)有截止閥，通過截止閥能將彈性軟管內(nèi)的液壓油釋放到油箱內(nèi)。巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀的使用方法，步驟如下1)在需要測試的巖體內(nèi)的巖芯上鉆孔；2)將內(nèi)部敷設(shè)有光纖布拉格光柵的彈性軟管放入步驟I)中的鉆孔中；3)將彈性軟管的接頭通過法蘭連接到液體加壓輸入裝置的出油管路上，通過手動壓カ桿操作，經(jīng)液壓缸將油箱內(nèi)液體抽出，壓入彈性軟管內(nèi)，通過壓カ顯示表實(shí)時顯示，直至達(dá)到預(yù)定壓強(qiáng)為止，使彈性軟管膨脹充滿整個鉆孔，實(shí)現(xiàn)與巖壁充分耦合，可保證彈性軟管管壁表面封裝的光纖布拉格光柵與鉆孔內(nèi)壁充分接觸；4)通過光纖光柵解調(diào)器和數(shù)據(jù)處理裝置分析所有光纖布拉格光柵得到的壓カ信息，結(jié)合所有光纖布拉格光柵在彈性軟管上的分布，得出彈性軟管上外表面各處受到巖體內(nèi)應(yīng)カ后的形變和壓力大小，在光纖布拉格光柵布滿彈性軟管表面后，就能夠計(jì)算和模擬出巖芯內(nèi)的應(yīng)カ場。與中國專利申請煤巖體地應(yīng)カ連續(xù)測試裝置及方法(專利申請?zhí)?200910029898. 4)相比,本實(shí)用新型米用光纖傳感、光傳輸、光傳感分布式組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)巖壁內(nèi)應(yīng)カ遠(yuǎn)距離測量，本質(zhì)安全、數(shù)據(jù)量大、信息復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵作為ー種串接在光纖上的傳感器件，具有準(zhǔn)分布式測量應(yīng)カ應(yīng)變，粘貼方便、易于組網(wǎng)、結(jié)構(gòu)簡單、本質(zhì)安全、不受電磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)。與中國專利申請ー種巖石三維應(yīng)カ狀態(tài)的光纖光柵測試裝置及測試方法(專利申請?zhí)?01110052556. I)相比較，本實(shí)用新型也用了光纖光柵傳感器，但與該專利申請有三個不同點(diǎn)(I)設(shè)計(jì)了彈性軟管三層材料來確保軟管內(nèi)的高壓以及軟管與巖壁內(nèi)的有效耦合；(2)采用了軟管外表面敷設(shè)各種方向布置的光纖光柵傳感器，可測量緊密接觸點(diǎn)處巖壁產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)力作用到彈性軟管外部緊密接觸處的光纖光柵傳感器上，從受カ作用點(diǎn)以及作用方向上與專利申請?zhí)?01110052556. I有本質(zhì)不同；(3)采用了液體加壓裝置不需要錨固，能重復(fù)使用測試裝置，快速高效實(shí)用，方便。總之，本次實(shí)用新型解決了以前的專利申請方法應(yīng)用中，與巖體耦合效果差、測試到的巖體內(nèi)受カ是個平均效果，難以進(jìn)行分布式測量，難以給出巖體內(nèi)空間應(yīng)カ場，測試精度低、使用效果差等難題。本實(shí)用新型的有益效果是，測試儀器結(jié)構(gòu)簡單、可靠，可現(xiàn)場手動操作和壓カ表實(shí)時顯示，將液體加壓裝置與彈性軟管分離，分布在軟管表面的光纖光柵可監(jiān)測到巖體作用在軟管表面姆個點(diǎn)處的各個方向應(yīng)カ大小，從而知道巖體內(nèi)部的應(yīng)カ場，通過光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時采集數(shù)據(jù)，來實(shí)時觀察地應(yīng)力作用到軟管上的應(yīng)カ場變化，從而監(jiān)測地應(yīng)力狀態(tài)、空間分布規(guī)律及其隨時間的變化規(guī)律。

圖I是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中A-A向剖視圖；其中I.光纖布拉格光柵,2.巖芯,3.彈性軟管,4.管路,5.壓カ顯不表,6.截止閥，7.第一單向閥，8.光纖光柵解調(diào)器，9.數(shù)據(jù)處理裝置，10.法蘭，11.聚四氟こ烯聚合物，12.鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，13.碳纖維層，14.手動壓カ桿，15.液壓缸，16.第二單向閥，17.油箱，18.支撐塊。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)ー步說明。如圖I、圖2所示，巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，包括一根一端封閉的彈性軟管3，所述彈性軟管3的外表面上敷設(shè)有若干相連的、不同方向布置的光纖布拉格光柵1，所述若干相連的光纖布拉格光柵I通過光纖與彈性軟管3外部的光纖光柵解調(diào)器8相連，光纖光柵解調(diào)器8通過線路與數(shù)據(jù)處理裝置9相連；所述彈性軟管3另一端通過管路4及法蘭10與液體加壓輸入裝置相連。彈性軟管3管壁有三層，內(nèi)層材料為聚四氟こ烯聚合物11，中間層為鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)12，外層為碳纖維層13，所述三層與光纖布拉格光柵I通過塑性成形一次成型，彈性軟管壁中間層的鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)12目的是增強(qiáng)軟管彈性剛度，最外層是碳纖維層13，在碳纖維層刻各種各方向槽后，敷設(shè)光纖布拉格光柵I，然后一次成型制作出彈性軟管。光纖布拉格光柵I是光纖刻制后又涂覆上光纖外涂層材料保護(hù)，光纖光柵在軟管的碳纖維層，刻成各個方向分布，可感受巖體內(nèi)壁各個方向的力。 彈性軟管3與液體加壓輸入裝置相連的管路4上設(shè)有壓力顯示表5。液體加壓輸入裝置包括手動壓カ桿14、油箱17，第一單向閥7、第二單向閥16，液壓缸15，截止閥6，手動壓カ桿14 一端鉸接于管路的支撐塊18上，手動壓カ桿14中部與液壓缸15的活塞桿外端鉸接，液壓缸15的進(jìn)、出油管路上分別設(shè)有方向相反的第一單向閥7和第二單向閥16，進(jìn)、出油管路分別與油箱17、與彈性軟管3相連的管路4相連，出油管路通過法蘭10及管路4與彈性軟管3相連，法蘭10與第一單向閥7之間的出油管路上連接有與油箱相通的回油管路，回油管路上設(shè)有截止閥6，通過截止閥6能將彈性軟管3內(nèi)的液壓油釋放到油箱17內(nèi)。巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀的使用方法，步驟如下I)在需要測試的巖體內(nèi)的巖芯2上鉆孔；2)將內(nèi)部敷設(shè)有光纖布拉格光柵I的彈性軟管3放入步驟I)中的鉆孔中；3)將彈性軟管3的接頭通過法蘭10連接到液體加壓輸入裝置的出油管路上，通過手動壓カ桿14操作，經(jīng)液壓缸15將油箱17內(nèi)液體抽出，壓入彈性軟管3內(nèi)，通過壓カ顯示表5實(shí)時顯示，直至達(dá)到預(yù)定壓強(qiáng)為止，使彈性軟管3膨脹充滿整個鉆孔，實(shí)現(xiàn)與巖壁充分耦合，可保證彈性軟管3管壁表面封裝的光纖布拉格光柵I與鉆孔內(nèi)壁充分接觸；4)通過光纖光柵解調(diào)器8和數(shù)據(jù)處理裝置9分析所有光纖布拉格光柵I得到的壓力信息，結(jié)合所有光纖布拉格光柵I在彈性軟管3上的分布，得出彈性軟管3上外表面各處受到巖體內(nèi)應(yīng)カ后的形變和壓力大小，在光纖布拉格光柵I布滿彈性軟管3表面后,就能夠計(jì)算和模擬出巖芯內(nèi)的應(yīng)カ場。上述雖然結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，其特征是，包括一根一端封閉的彈性軟管，所述彈性軟管的外表面上敷設(shè)有若干相連的、不同方向布置的光纖布拉格光柵，所述若干相連的光纖布拉格光柵通過光纖與彈性軟管外部的光纖光柵解調(diào)器相連，光纖光柵解調(diào)器通過線路與數(shù)據(jù)處理裝置相連；所述彈性軟管另一端通過管路及法蘭與液體輸入裝置相連。
2.如權(quán)利要求I所述的巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，其特征是，所述彈性軟管管壁至少有三層，內(nèi)層材料為聚四氟こ烯聚合物，中間層為鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，外層為碳纖維層，所述三層與光纖布拉格光柵通過塑性成形一次成型。
3.如權(quán)利要求2所述的巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀,其特征是,所述光纖布拉格光柵為光纖刻制后又涂覆上光纖外涂層材料保護(hù)，光纖布拉格光柵在彈性軟管的碳纖維層，刻成各個方向分布。
4.如權(quán)利要求I所述的巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，其特征是，所述彈性軟管與液體加壓輸 入裝置相連的管路上設(shè)有壓力表。
5.如權(quán)利要求4所述的巖芯內(nèi)應(yīng)カ場測試儀，其特征是，所述液體加壓輸入裝置包括手動壓カ桿、油箱，第一單向閥、第二單向閥，液壓缸，截止閥，手動壓カ桿一端鉸接于管路的支撐塊上，手動壓カ桿中部與液壓缸的活塞桿外端鉸接，液壓缸的進(jìn)、出油管路上分別設(shè)有方向相反的第一單向閥和第二單向閥，進(jìn)、出油管路分別與油箱、與彈性軟管相連的管路相連，出油管路通過法蘭及管路與彈性軟管相連，法蘭與第一單向閥之間的出油管路上連接有與油箱相通的回油管路，回油管路上設(shè)有截止閥。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種巖芯內(nèi)應(yīng)力場測試儀，包括一根一端封閉的彈性軟管，所述彈性軟管的外表面上敷設(shè)有若干相連的、不同方向布置的光纖布拉格光柵，所述若干相連的光纖布拉格光柵通過光纖與彈性軟管外部的光纖光柵解調(diào)器相連，光纖光柵解調(diào)器通過線路與數(shù)據(jù)處理裝置相連；所述彈性軟管另一端通過管路及法蘭與液體加壓輸入裝置相連。本實(shí)用新型采用光纖微小，可各種靈活方式布置、重復(fù)使用，測量某點(diǎn)各個方向的應(yīng)力，結(jié)合軟管結(jié)構(gòu)，可以測量巖體內(nèi)部應(yīng)力場，鉆孔很小，工程量少。該測試儀構(gòu)造簡單，測試方便，測量精度高，適用性強(qiáng)。
文檔編號G01L1/24GK202533205SQ20122006098
公開日2012年11月14日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者張帥帥, 楊猛, 蔣奇, 郭鋒 申請人:山東大學(xué)