相对地应力测量设备现状及发展趋势

2021-03-17韩明飞李家后

金属矿山 2021年2期

徐帅韩明飞李家后田猛杨敏

（深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819）

在深部开采过程中，原生应力场指的是未开挖或未受到开挖影响的原岩体所处的应力平衡状态，而受开挖卸荷影响导致原生应力场从原始平衡状态过渡到新平衡状态被称为次生应力场。次生应力场相对于原生应力场的改变值被称为相对应力［1］。可见，相对应力属于受开采卸荷而动态变化的值。原生地应力是存在于岩层内的内应力，开挖卸荷导致了内应力的调整而产生相对应力。原岩应力反映了岩体开挖前所处的天然应力状态，是影响岩石工程开挖变形和破坏的根本作用力。原岩应力是确定工程岩体力学属性、围岩稳定性分析、岩石开挖设计和科学决策的重要基础。原岩应力的大小和方向影响着开挖空间的稳定，进而影响到工程开挖效率和支护成本，影响工程位置和开挖参数的选择。相对应力是引起工程失稳、变形与破坏和应力调整等一切工程灾害事故的直接原因。因此，地应力的测量在地下工程的施工中是非常重要的内容。

据不完全统计，国外已有80多座矿山进入了深部开采，部分金矿开采深度已达4 000 m，矿体延深6 000 m以上。“十四五”期间，我国预计有30多座矿山进入了1 000 m以下的深部开采。地应力与开采深度的平方成正比，因而深部开采过程中原岩应力更高，开挖卸荷带来的相对应力的数值也越大，高地应力带来的工程灾害更加频繁。一般地绝对应力的测量有应力解除法、水压致裂法、钻孔崩落观测法、简单理论计算等方法。但进行某一深度的地应力值测量时，必须先进行深部钻孔，作用范围也是在巷道、隧道中进行，测量工序繁杂，测量成本较高，因此，绝对应力的测量实际工程中通常在有限地点进行，获得区域大概的绝对应力数值，为工程布置、支护等提供参考，为基于数值计算进行区域应力场的反演、模拟提供支撑。相对相力是对某地点应力状态进行实时监测的方法，相对应力测量是测量某位置点不同时刻地应力的变化值，相对应力的监测结果反映了开挖工程受到地应力的改变值，为开采工程支护、稳定性分析、工程灾害预警与调控提供支撑。由此可见，相对应力的监测对于了解深部地应力的迁移和演化规律、掌握深部工程灾害的孕育、发展与灾变的机理意义重大。

本文通过文献分析，介绍现有的钻孔应力计、刚性空心包体应力计、基于光纤光栅的应力测量方式的原理、使用步骤、适用条件和特点。通过对比分析三种方法的优缺点，结合当前的5G+互联网通讯技术快速发展的特点，提出了相对地应力测量的改进方法和发展趋势。本研究可为深部资源开采过程中开展相对地应力监测、设备研发和工程应用提供有益的借鉴。

1 液压钻孔应力计

1.1 液压钻孔应力计的测量原理

按照显示的示数读取种类与方式划分液压钻孔应力计，可以分为直读式钻孔应力计（KS型）和钢弦式钻孔应力计（KSE型）。两者的区别就在于应力信号的表达方式不同：KS型将油压显示在压力表上；而KSE型则是通过使用试验测算出来的“钢弦振动频率—压力”的函数换算关系式，把应力枕内的油压信号转变为钢弦的振动频率，简化了数据采集的难度。

将液压钻孔应力计合理安装好后，当钻孔内应力发生变化时，该应力通过以挤压应力枕两边的包裹体的形式将力传递到应力枕；引起应力枕内部的液压油的油压改变。KS型钻孔应力计内部液体压力经油管传递到压力表，进而可以在压力表上读出孔内应力变化量；KSE型钻孔应力计内的液体压力通过油管将应力施加到“压力—频率”转换器，把油压信号变成换算后的钢弦振动的频率，之后将频率信号导入数字显示仪中进行数据处理，最终显示出钻孔内应力的变化量。图1（a）为KS型钻孔应力计组成图，图1（b）为KS型钻孔应力计实物图。

1.2 液压钻孔应力计应用现状

液压钻孔应力计应用较为普遍，如跃进煤矿采用KSE型钢弦应力监测系统监测分析数据，获得相对应力变化曲线，通过与矿压监测分析理论的联合应用，推算出工作面超前支撑的应力大小与分布范围［2］；南屯煤矿利用钢弦钻孔应力计监测技术，对超前支撑面的压力分布进行监测，通过数据采集、终端处理以及结合理论分析得出最有可能诱发产生冲击地压的高风险阶段，预先设计合理的规避措施，从而避免了冲击地压引起一系列灾害的发生［3］；冬瓜山深井铜矿将钻孔应力监测系统与微震监测系统联合应用，将深井高应力矿床开采过程中地压活动情况及时掌握，研究岩爆与矿岩压力及变形之间的关系和规律，指导矿山安全高效生产［4］。

1.3 液压钻孔应力计的主要测量步骤

以KSE型液压钻孔应力计为例，应用步骤如下：

（1）液压钻孔应力计的主要参数。量程取0～20 MPa；钻孔应力枕的厚度取38 mm，最大直径不大于42 mm，有效工作长度取220 mm，适应钻孔直径取45～50 mm。

（2）检查。先检验应力计的功能完整情况，若能进行正常工作再进行安装。

（3）安装与连接。将钻孔应力计安置在钻孔内，必要时进行空隙充填，然后将压力泵的注油管螺帽与钻孔应力计的注油嘴连接紧密，连接数字显示仪的测量电缆与信号转换器电缆，将数字显示器电源接通后，信号转换器的钢弦振动频率应该稳定显示。

（4）数据采集。测量并记录钻孔应力计的初始频率f0（应力计无载荷的情况下），之后每隔固定时间去读取应力计示数f（应力计有载荷的情况下）。

（5）数值计算。将步骤（4）测得的f代入下式：

式中，P为应力枕内液体的压力，MPa；C为应力计常数，各应力计有其特定的C值，可从表1中读取；f0为无载荷时的频率，Hz；f为应力计有荷载时的频率，Hz。

KSE型钻孔应力计属于柔性测量传感器，受被测钻孔介质弹性模量的影响，其测量灵敏度随介质弹性模量的增加而相应地下降，因此需要对所计算出的压力枕内液体压力进行灵敏度修正。钻孔内最终应力的计算式为

式中，σ为钻孔内应力，MPa；α为灵敏度系数，可由图2查得；E为钻孔孔壁岩石的弹性模量［5］。

1.4 适用条件

液压钻孔应力计适用于对精度要求不高但需要监测范围较大的监测区域中，既可降低监测成本，也可以取得一定的监测效果。

1.5 评价

液压钻孔应力计具有安装简单、制作成本低、适用范围广、可推广性强、读数方便等优点。钻孔应力计的缺点是需要人工读表计数，误差偏大；安装到钻孔后，其膨胀条件不足以使其与钻孔壁保持紧密贴合，导致应力计显示的读数与真实值误差较大。

2 空心包体应力计

2.1 空心包体应力计的测量原理

刚性空心包体应力计主要是由一个硬质的空心圆柱及其中起到压力传感作用的应变片组成，在使用时应先在测量点打一个可以将空心圆柱挤压进去的钻孔，二者要保持紧密接触，从而保证测量的准确性。

根据理论分析，如果一个刚性包体位于无限体中，周围发生应力变化时，在刚性包体中产生的应力场会是均匀分布的，它的大小和周围的应力变化有一定的比例关系，如果岩体中的x方向应力变化了σx，那么在刚性包体中就会在同一方向产生一个对应的应力变化，它们之间的关系满足下述公式［6］。

式中，E、E'分别为岩体和刚性包体的弹性模量；υ、υ'分别为岩体和刚性包体的泊松比。

液压式空心包体应力计结构图与实物图如图3所示。当钻孔周围岩体的应力发生变化时，会挤压空心包体应力计，而应力计的中间部位是装有油水混合物的中心槽，当其发生变形后会引起液压发生变化，而这种变化可以传递到端部的薄膜上，由其上附着的电阻应变片测量并记录下来。

2.2 空心包体应力计的应用现状

空心包体应力计是基于套孔应力解除法测量地应力的仪器，多用于地下开采、隧道开挖、围岩边坡等工程中的的相对地应力测量。根据压力测试原理的不同，刚性包体应力计可分为以下几种：压磁式应力计、液压式应力计、光弹式应力计、电阻应变片式应力计、钢弦应力计。除钢弦应力计外，其他类型的应力计因灵敏度较低，不符合工程测量需要，在20世纪80年代后，被逐步淘汰。

在工程中其可与BA-Ⅱ型松动圈测试仪、定向仪、矿山压力记录分站和率定仪等联合使用形成整套的相对地应力测量体系，进行全方位的相对地应力测量和分析。例如，乔兰等在对三山岛金矿采空区进行地应力测量时，便使用到了完全温度补偿的空心应变技术的套孔应力解除法，并且测量结果较为准确可信；对平煤十矿地应力的测量时蔡美峰等人用到了三维套孔应力解除技术，及具有补偿功能的空心包体应变计，并利用数值模拟技术研究围岩应力随着采矿过程的变化［7］。

2.3 空心包体应力计的主要测量

（1）打大孔。用钻头直径为76 mm的钻机在围岩钻出应力解除孔，钻孔深度应调整至不受环境围岩场影响。

（2）打小孔。用φ36 mm的小钻头打出50 cm深的一段小钻孔，特制的液压钻具在不同深度上开有泄水孔，水压的变化反映出钻孔的深度，从而保证打出的小孔可用。

（3）装仪器。用砂纸将空心包体外侧圆柱面打毛，使其更加光滑以减小误差；按照一定的比例配置好粘结剂，并倒入适量的粘结剂在空心包体的空腔内，固定，将包体安装在定向器中，用钻杆缓慢送入大孔中，记录下长度，在剩余5 cm时应注意慢推，否则会造成包体不能够顺利进入小孔。当包体的前端进入小孔约20 cm时，应将探头和安装器脱钩，之后包体便可以成功安装进入小孔。

（4）获取数据。包体安装20 h左右，环氧树脂固化。将安装器从钻孔中取出，其中的电子罗盘记下探头安装角，即为应力计的安装角。

（5）解应力。应变仪在井下到达预定时间后，会自动启动，开始测量并记录数据。此时按预定深度缓慢钻进，进行套芯解除，一段时间后，当读数稳定时每隔10 s进行1次读数，连续记录10 h以上，到达预定深度后，结束读数，并将包含包体的岩芯折断，取出其中的刚性包体，在实验室中进一步对其岩性描述。

（6）重复测量。根据需要，重复进行多次测量［8］。

2.4 适用条件

空心包体应力计多用于对相对应力测量精度要求较高的检测区域中。目前广泛使用的为KX-81型空心包体应力计，在完整性较差的岩体中测量表现优异，操作方便，多适用于对相对地应力的细测。在应力解除过程中使用完全温度补偿，可以有效保证测量结果的准确性和可信度，能够在很大程度上消除温度等环境因素所产生的影响［9］。

2.5 评价

刚性包体应力计具有很高的稳定性，因此多用于对现场应力变化的长期监测，其在单孔中通过一次套芯解除便能得到所测位置的三维应力状态，多次重复使用的话更能提高测试的可信度和准确性，是目前最为实用、准确的一种工程地应力测试工具［10］。但是它也存在很多缺点，比如只能测量与钻孔平面垂直的单向或双向的应力变化，而无法直接测量出原岩应力的大小。刚性包体应力计的造价过高，测量费用昂贵且无法回收，造成其难以大范围使用。空心包体应力计在钻头粘贴材料同围岩力学性质不匹配时易出现轴向应力偏大现象，造成测量结果不可靠的问题。

3 光纤光栅应力传感器

3.1 光纤光栅应力传感器的测量原理

光纤布拉格阵列的检测机构包括弹性和弹性变形效应、热和热光膨胀效应以及由磁场诱导的法拉第效应。由于这些基本效应，光纤布拉格光纤阵列可以由“光纤传感器”和检测网络组成，以检测多种参数，例如应力、应变、温度、压力、振动磁场和电流。

光纤由石英、涂层和中间层组成（见图4）。通过处理所述涂层的折射率中心层来获得所述中心层的折射率，所述光可以通过形成2维波导而扩散到所述中心。

光纤光栅传感的基本原理是布拉格反射。当光波传输通过布拉格光栅时，反射符合布拉格反射条件的光，入射光就会分成反射光和传输光。布拉格阵列的反射或传输波长取决于反向耦合模块的有效折射率N和阵列的周期扭转，任何改变这两个参数的物理过程都会导致阵列的布拉格波长漂移。其测量能检测外部物理量的变化。光栅中心波长λE与应变ε及温度T的关系［11］为

式中，λE为光栅中心波长；Pe为弹光系数；ε为光栅的轴向应变；α、ζ为热光系数。

光纤光栅应力传感器根据光纤光栅传感原理制作。

3.2 光纤光栅应力传感器的研究现状

光纤网络传感器监测技术是近年来的前沿应用学科，光纤传感信号和光纤传输信号的应用是自动监测的前沿技术。光纤阵列传感器可用于煤矿、油田、滑坡等多种地质场合。

近20年来矿井一直靠锚撑着锚杆的强度状态反映了整个采矿通道的机械状态，并为预防和管理与采矿应力有关的灾害提供了指导。西安科技大学柴静等人应用光纤传感器对梁应力进行实时测量。通过与电阻应变片测量值的比较，体现出了光纤传感器稳定性好抗干扰能力强、分辨率高、灵敏度高的优点。

2004年，大连理工大学李宏男等人使用光纤阵列传感器监测石油平台的健康状况［12］。同年，电子科技大学代志勇等人将光纤传感器监测山崩，并开发了更合理的山崩监测系统来测量压力、空间分辨率和距离。随后，中国地质大学的科学家（史彦新等人［13］）将布拉格网络与分布用于监测滑坡的光纤应力检测技术结合起来。在整个巫术山滑动轨道上安装光纤，以便利用分布式检测技术监视和获取关于整个滑动轨道的一般信息。布拉格栅极传感器安装在导轨变形的主要部分的变形缝隙上，由此可以获得主部分的地应力信息。从点到线对表面进行监视，并为滑动部分提供相对完整的应力应变信息。

3.3 使用步骤

（1）确定结构的应变分布。测量点的位置和测量分布模式是根据特定的结构和技术应用确定的，估计每个测量点的应力范围，计算整个结构的应力分布概况。

（2）确定各个测点处放置的光纤光栅的中心光波波长大小。每个测量点的位置对应于光纤阵列的波长，该波长对应于估计的应力分布状态，特别是每个测量点的最大应力值。在使用分布式检测方法时，在测量点之间的波长分布被保证为取决于每个测量点的最大应力值和应力特性的波长分布。这可以避免在操作过程中串行网络的波长重叠。

（3）确定传感器的结构和安装方式。掩埋和保护工艺根据监测要求和实际工作状况确定。

（4）确定光纤光栅解调系统。依据每个点的波长分配间隔的大小，计算所有测量点的波长和间隔变化值之和，然后乘以相应的波长变化系数，确定每个点的波长分配间隔大小。所需光纤阵列解调器的波长解调范围，并根据所需测量精度选择相应的纤维阵列解调器。

（5）通过试验标定光纤光栅传感器的灵敏度系数K。据所选择的光纤阵列传感器的结构形状和安装模式选择所述灵敏度系数K的值，并在解调软件中调节所述灵敏度系数的K值，所述测量结果直接显示所述应力值。

（6）结构整体状态的分析和评估。根据每个结构测量点测量的应力值执行特定的编程操作，以确定结构组件的应力分布状态并警告极端状态。

3.4 适用条件

光纤光栅应力传感器在诸如传输距离远［14］、高腐蚀［15］、高电磁干扰且需要精确测量和分布式测量等场所发挥着重要的作用［16］。在一些与防爆式力学传感器相结合的特殊情况下，用光纤光栅制作应力传感器将被测参数转化成光栅应力进行测量也具有重要的研究价值。

3.5 评价

光纤光栅有本质防爆、无电传感、化学性能稳定、传输距离远的优点，以其耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度、电绝缘性好和可分布式测量等众多优点受到很多应用场合的青睐。然而，布拉格光纤阵列传感器的反射光谱不敏感于侧应力的影响，很难区分应力和温度的测量变化，即应用中温度和应力的交叉灵敏度。而且，由于波长编码信号解调有难度而造成成本过高，在普通领域难以实现全面推广。

4 相对应力测量未来发展趋势

4.1 5G+物联网快速发展

（1）5G高速通讯。5G通讯技术（5thgeneration mobile networks）是当前移动通讯的最新技术。相对于当前广泛使用的4G蜂窝网络，5G网络数据传输速率基本实现了提高100倍，达到10 Gb/s的目标。首先，5G数据传输更快，可满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输；其次，网络延迟低于1 ms，相对于4G网络的30～70 ms而言，网络延迟下降了50倍；再次，5G网络对基站能量的消耗更小，节约能源，成本更低；最后，5G网络的数据储存量更大，可以为千亿设备体提供同时的连接服务，满足物联网通信。5G的多用户、多点、多天线、多摄取的协同组网特点，以及各个网络间的灵活调整，都表明5G通讯网络系统的整体协同化、智能化水平提升。5G网络未来在矿山尤其是地下开采矿山的推广使用，为相对应力的实时远程自动监测提供了条件。

（2）物联网。物联网（The Internet of Things，简称IoT），是利用数据传感器、识别技术、定位系统、感应器、扫描器等感知器进行信息采集，包括控制信息、连接信息、位置信息、生物信息、化学信息等，基于网络通讯技术，建立物与物、物与人的泛在连接，达到对目标物体和目标对象活动过程的智能感知、识别和管理，物联网以互联网、传统电信网等的信息作为载体，建立了目标对象间的关联。物联网技术的快速发展，可以为相对应力的智能、协同采集提供信息技术基础。

4.2 基于现有监测传感器的智能化改造

5G+互联网为矿山智能监测提供了条件，当前5G+物联网技术在矿山的建设刚刚迈出探索性的步伐，全面展开上需要一定的时间和过程。在当前技术条件下，相对地应力的监测需求是，基于现有的应力采集传感器，研发一种测量精度适中，成本不高，且又可以实现动态实时监控分析的相对应力测量系统。通过研发新型安装装置并设计合理的安装方式，实现传感器与被监测岩体的协调紧密接触；利用油电转换实现油压与数字信号的转化，开发应力远程实施采集设备，基于WiFi实现远程通讯，实现云端远程存储、集成可视化、智能分析和预测预警，监测系统整体如图5所示。

研发传感器安装套（弹模、材料参数与传感器或岩体适配），实现液压枕与钻孔内壁的紧密贴合，实现相对应力的灵敏与真实传递。研发传感器安装套相适应的的安装技术，实现相对应力等埋入式传感器的快速简便安装与目标信息的高效精准传递。基于现有相对应力采集传感器（钻孔应力计和空心包体计），利用油电或油压和频率转换，实现液压枕的油压数据与电信号数据的转换；通过室内标定，建立电信号或频率信号与油压信号的对应模型，实现液压枕应力的自动采集。研发的相对应力采集终端，基于WiFi无线传输网络，实现数据的发送与管理。其中无电源环境采用基于蓄电池的间歇性采集模块，同样实现有电源环境的高效采集效果。基于云端表面监测位移数据的可视化与预警功能，将相对应力监测所获得数据进行可视化分析与展现，并支持动态预警。

系统特点：基于现有传感器，利用当前的油电转换和油压与频率转换，实现应力监测系统信息的连续、自动采集、远程传输、云端存储和可视化分析；改变了当前人工读取滞后性和人为误差，为井下灾害预测预警提供了一种过渡期解决方案。系统的关键技术是实现现有传感器的快速、紧密安装，确保传感器采集信息的准确可靠。

4.3 基于5G+互联网的光纤光栅相对应力智能监测与协同预警

相对应力是一个动态变化的数值，单个应力传感器智能监测空间某一个具体位置（x，y，z）处随时间t的变化的应力值σt=（x，y，z，t）；深部金属矿床埋深大（1 000 m以下）；走向长（超过5 000 m）；多中段、多采场同时作业，影响范围大。因此，单点或局部监测不能很好地揭示深部开采过程中相对应力的迁移和演变规律，因此无法及时对岩爆、大变形或大体积塌方等工程灾害做出预警和预报。因此，基于5G通讯技术和物联网技术相融合的相对应力智能监测与协同分析技术是未来地应力监测的发展方向。

利用光纤光栅传感器替代传统的钻孔应力计和空心包体应力计，实现孔内岩体的应变、应力、乃至温度、湿度等信息集中化一体采集，工作关系如图6所示，基于5G+互联网的光纤光栅相对应力智能监测与协同预警，改善现有单个传感器单点采集的缺点，实现了单孔全深连续测试。测试获得的光栅信号，通过激光调整解调与信号解译，利用5G通讯网络，实现传感器间、传感器与工作人员、运行设备间的精细互联互通，实现安全性自动预警与分析。