基于六向压应力传感器流变应力恢复法的地应力测量

2021-01-08郭建伟朱元广杨战标

科学技术与工程 2020年34期

郭建伟, 朱元广, 王蕾, 杨战标

(1.中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，平顶山 467000； 2.平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院，平顶山 467099； 3.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验，武汉 430071；4.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，西安 710054)

中国浅部煤炭资源已日渐枯竭，中东部矿井逐渐进入深部开采阶段[1-3]。随着开采深度的增加，煤矿灾害日趋增多，如煤与瓦斯突出、冲击地压、围岩大变形等，给深部煤炭资源的安全高效开采带来了严峻的挑战[4-7]。在导致上述灾害发生的诸多因素中，地应力状态是关键因素之一，其不仅是导致灾害发生的根本作用力，而且对瓦斯压力、冲击危险性、岩体变形性质及强度特征等具有重要的影响[8-9]。因此，要实现煤矿灾害的机理分析及有效控制，必须获取准确可靠的地应力测试数据。

目前，工程中最为常见的地应力测试方法主要是水压致裂法和应力解除法[10-12]，这两种方法均假定围岩为线弹性介质，因此对围岩的完整性及坚硬性要求较高。然而受构造运动及开挖扰动的影响，煤矿深部围岩大多岩质软弱、结构破碎，很难满足上述严苛的条件，因此这两种方法难适应于深部软岩工程稳定性分析，应用时成功率非常低[13]。

为解决这一难题，张芳等[14]基于深部围岩在高地应力作用下的强流变特性，提出了针对深部破碎软弱围岩的地应力测量新方法——流变应力恢复法，该方法假设：在深部破碎软弱围岩中钻孔埋设压应力传感器并充填密实，由于围岩在高应力下的强流变力学性质，传感器附近围岩的应力将随时间逐渐恢复，同时传感器的实测应力也会随时间逐渐上升并最终趋于稳定，进而根据传感器的实测应力来解算围岩钻孔前的初始应力。

为实现流变应力恢复法的工程应用，张芳等[14]基于流变应力恢复法的测量原理，研发了一种振弦式三向压应力传感器，该传感器外观近似为立方体，可以测量三个正交方向的正应力。朱元广等[15]采用数值仿真和物理模型试验的方法研究了三向压应力传感器在岩体介质中的测量性能。王耀宇等[16]采用数值方法模拟流变应力恢复法的测试过程，为流变应力恢复法的成功实施提供了理论依据。杨战标[17]和纪杰等[18]基于研发的三向压应力传感器，根据流变应力恢复法地应力测试原理，在平顶山矿区深部巷道中开展了该方法的现场应用，取得了良好的测试效果。然而，在现场测试中发现，由于一点的应力状态包含六个独立的应力分量，因此需要在同一点埋设两个三向压应力传感器才能确定测点的应力状态，使得传感器安装很不方便，而且两个传感器埋设太近容易引起相互干扰，导致测量误差。为此，王蕾等[19]基于光纤传感技术，研发了一种新型光纤光栅式(fiber bragg grating，FBG)六向压应力传感器，该传感器可以测量六个独立方向的正应力，可以直接确定测点的应力状态。现基于研发的光纤光栅六向压应力传感器，在平煤股份八矿深部软岩巷道开展流变应力恢复法现场地应力测量，验证六向压应力传感器地应力测量的准确性及可靠性。

1 地应力测试仪器

用于流变应力恢复法地应力测试的仪器设备主要包括：FBG六向压应力传感器、传感器配套的安装定向装置、本安型光纤光栅解调仪及三维电子罗盘等配套测量仪器。

图1所示为用于流变应力恢复法地应力测量的FBG六向压应力传感器，该传感器主要由传感球头、连接杆和耦合器盒组成。其中，传感器球头直径为80 mm，球头内部布设有六个独立的压力传感单元，传感单元采用光纤光栅波分复用技术，设计量程均为30 MPa；连接杆为光纤通道，用于将各个传感单元的光纤引入到耦合器盒中；耦合器盒用于将各个传感单元的光纤进行熔接，使得单个传感器仅占用一个光纤光栅解调通道。传感器的工作原理是：当法向应力作用于传感单元时，传感单元将发生变形，导致光纤光栅的栅距发生变化，进而引起光纤光栅的反射波长发生改变，根据波长变化量可以计算出传感单元的法向作用力大小。

图1 光纤光栅解调式六向压应力传感器Fig.1 Fiber bragg grating demodulation six-directional stress sensor

根据流变应力恢复法测试原理，传感器测量得到的六个正应力σni(i=1,2,…,6)与测点应力状态σij间的数学关系表示为

[σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx]T=K-1[σn1,σn2,σn3,σn4,σn5,σn6]T

(1)

式(1)中:矩阵K定义为

(2)

式(2)中：li、mi、ni(i=1,2,…,6)分别为σni测量方向与局部坐标系x、y、z轴夹角的方向余弦。根据研发六向压应力传感器各传感单元的测量方向，计算得到矩阵K-1的具体表达形式为

K-1=

(3)

为实现传感器在钻孔中的安装，设计制造了与传感器配套的安装定向装置，如图2所示。与传感器直接连接的是固定组件，其作用是保证传感器位于钻孔中心位置，并且在后续封孔注浆过程中传感器姿态不发生改变，因此固定组件在传感器安装后不回收；与固定组件连接的是定向组件，两者间采用卡扣活动连接，可自由分离，定向组件上设有三维电子罗盘，用于确定传感器在钻孔中的三维姿态，定向组件在传感器安装后回收，重复使用；与定向组件的连接的是若干常规推送杆，主要是将传感器推送至指定深度。

光纤光栅解调仪是FBG类传感器的信号处理与数据采集仪器，为满足煤矿环境使用，设计研发了一种矿用本安型光纤光栅解调仪YJSJ10，如图3所示。该解调仪是一款专用的便携式解调仪，它含有扫描激光光源，可以同时测量2路光谱信号，内嵌有大规模集成电路，能够快速地计算出波长信息。调解仪还具有光谱查询功能，光谱动态范围大、长期稳定性好、精度高等特点。目前，该解调仪已取得国家矿用产品安全标志证书。

图2 传感器配套的安装定向装置Fig.2 The installation and orientation device supporting the sensor

图3 YJSJ10本安型便携式光纤光栅解调仪Fig.3 YJSJ10 intrinsically safe portable fiber bragg grating demodulator

2 传感器标定试验

在进行现场地应力测试之前，需要对传感器进行标定试验，得到传感器各传感单元的标定系数，从而建立传感单元输出波长信号与所受外部法向应力之间的数学关系。同时，通过标定试验可以获取传感器的最大工作量程、满量程输出值、灵敏度、线性度、零点漂移、迟滞和重复性等指标，进而检验传感器的测量性能是否满足流变应力恢复法地应力测试需求。

由于传感器的特殊外形结构设计，常见的标定试验设备很难对其实施标定，即便勉强实施，其精度也很难达到要求。为此，设计制造了一种专门用于该型压应力传感器的标定装置，如图4所示。

在开始正式标定之前，先对传感器各个传感单元进行预加载，使得传感器进入良好的工作状态。预加载时，先将六向压应力传感器放置于标定支架的传感器底座上，缓慢调整传感器，使得传感器的传感单元表面与传力杆同轴，用限位卡将传感器连接杆部分固定在导向杆上。然后，对传感单元进行三次预加载，加载分为4级，步长为0.6 kN，每级加载稳定5 min后，开始进行下一步加载，直至加载到2.4 kN。卸载过程与加载过程一致，从最大荷载逐级卸载至无压力状态。

预加载完成后，对传感器各传感单元进行标定。首先，记录初始无压力状态下的输出波长，然后开始分级加载，加载分12级，每级步长为0.2 kN，稳定5 min后记录下对应压力下的波长输出值，直至加载到2.4 kN。卸载过程与加载过程一致，从最大荷载逐级卸载至初始无压力状态，并记录对应的波长输出值。每个压力传感单元进行3次加卸载循环。

图4 传感器标定试验装置Fig.4 Sensor calibration test device

图5给出了传感器各传感单元波长变化量与外荷载之间的关系，并通过线性拟合得到了传感器各传感单元的标定系数，如表1所示。根据标定试验数据，参考国家标准《国家计量检定规程JJG 860—2015压力传感器(静态)》，考察传感器的传感特性指标和计量误差指标。其中，传感特性指标包括满量程输出值和灵敏度，计量误差指标包括线性度、零点漂移、迟滞和重复性等指标。根据标准中的指标定义及计算公式，得到传感器各项指标值，如表2所示。可以看出，传感器的满量程输出波值为2 736～2 890 pm，灵敏度为91.189～96.322 pm/MPa，零点漂移指标值为0.072%～0.639%、线性度指标值为0.668%～1.328%、重复性指标值为0.234%～0.833%、迟滞指标值为0.119%～1.461%。受加工精度限制，传感单元各项指标间存在差异，但传感单元各项误差指标均在1.5%范围之内，表明研制的传感器具备良好的测试性能，能够满足流变应力恢复法地应力测量的需求。

图5 各传感单元输出波长变化量与外荷载的线性拟合曲线Fig.5 Linear fitting curve of output wavelength change of each sensing unit and external load

表1 传感器各传感单元的标定系数及初始波长

表2 传感器的标定指标及准确度等级

3 工程应用

3.1 测点概况

为检验六向压应力传感器的测试效果，依托平煤股份八矿开展了流变应力恢复法地应力测试，测试地点位于己15-15060机巷底抽巷，如图6所示。根据地质资料，己15-15060采面位于己五采区西翼下部，东起己五采区上山，西至十勘探线以东174 m附近，南邻正在回采的己16-15060、17-15060采面，北部尚未开采；采面标高为-506～-560 m，地面标高+74～+76 m，埋藏深度为580～636 m。己15煤层直接顶为深灰色厚层状砂质泥岩，厚约7.0 m，层理明显，含植物叶片化石碎片及白云母片。基本顶为浅灰色中细粒砂岩，含白云母碎片具条带缓波层理。煤层直接底为泥岩，含植物根部化石，遇水易膨胀，基本底为薄层状灰色砂质泥岩含白云母片，中部夹有细砂岩，含菱铁质结核。

图6 流变应力恢复法地应力测点位置Fig.6 Location of in-situ stress measurement points by rheological stress recovery method

3.2 钻孔布置及测试过程

如图7所示，流变应力恢复法地应力测孔位于巷道帮部，距离底板约1.4 m，设计孔深25 m、孔径130 mm，钻孔倾角为0°，为保证钻孔成孔质量，采用取芯钻头打孔。如图8所示，流变应力恢复法地应力测试过程主要包括：①围岩钻孔，根据流变应力恢复法的测试要求，传感器埋设深度需不小于5倍巷宽，测点巷宽为4.6 m，因此埋设深度需不小于23 m，由于孔底有岩渣残留，传感器的实际埋设深度为23.6 m，满足测试要求；②传感器安装，首先将六向压应力传感器与固定固件相连接，放入孔口，然后将定向组件与固定组件连接开始推送传感器，进而依次连接推杆，将传感器逐渐推送至孔底，并利用固定组件上的三维电子罗盘记录下传感器的三维姿态，包括方位角、倾角及旋转角，最后，逐渐将推送杆件及定向组件依次退出孔外，保留传感器和固定组件在孔中；③注浆回填，首先用止浆塞将钻孔孔口密封，留有注浆孔和排气孔；然后采用注浆材料将钻孔充填密实，注浆材料选择速凝水泥浆，注浆压力控制在0.2～0.5 MPa，注浆结束时及时冲洗泵和管路，适时拔除注浆管，应用注浆液或水泥砂浆封孔；④应力监测，注浆完成后15 d内每天至少测量一次数据，随后根据数据变化情况逐步增加时间间隔，直至传感器数据无明显变化。

图7 钻孔布置示意图Fig.7 Schematic diagram of drilling arrangement

图8 流变应力恢复法地应力测试过程Fig.8 In-situ stress testing process of rheological stress recovery method

3.3 测试结果分析

流变应力恢复法的应力恢复监测过程持续约180 d，传感器的监测数据在120 d左右基本达到稳定。根据流变应力恢复法地应力测试原理，由于传感器实际测试环境与室内标定环境的差异，通过室内标定系数计算得到的传感单元应力并不能直接用于岩体应力状态计算，需要根据具体测试环境进行修正。

Liu等[20-21]通过大量的物理模拟试验研究了传感器在不同力学性质浆体材料下的实测性能，并提出传感器传感单元实测应力的修正公式：σni=αKi(λ-λB)。其中，σni为修正后传感器传感单元的实测应力，MPa；Ki为传感器的室内标定系数，即表1中标定系数；λ和λB分别为传感器的测试波长和初始波长，nm；α表示传感器嵌入效应的修正因子，其与水泥浆体的弹性模量Ec有关，物理模型试验结果表明：α-1=0.133 2Ec+0.042 37。

根据现场注浆材料制作的试样，开展了室内单轴抗压试验，获得水泥砂浆的弹性模量Ec=3.96 GPa，泊松比νc=0.19。根据修正公式可以得到修正因子α=1.05。进而根据传感器各传感单元的波长变化计算得到传感器各传感单元的实测应力变化，如图9所示。

将传感器的实测应力恢复值代入前述坐标变换公式[式(3)]，并换算成大地坐标系下的主应力分量，得到测试地点的地应力大小和方向，如表3所示。

图9 传感器各传感器单元实测应力随时间变化曲线Fig.9 The curve of the measured stress with time of each sensor unit of the sensor

表3 流变应力恢复法地应力测试结果

流变应力恢复法测得的最大主应力为北东北向，略向下倾斜，与平顶山地区近期构造应力方向一致[22]。在同一岩层，曾有研究人员在完整岩体中开展了套芯应力解除法地应力测量，其地应力测试结果，如表4所示[21]。对比发现，流变应力恢复法所测主应力大小较应力解除法的略有偏小，但相差不大，方向及倾角基本一致，由此证明基本光纤光栅式六向压应力传感器的流变应力恢复法地应力测试的准确性和可靠性。