[發明專利]一種光纖光柵地應力的獲取方法

有效

• 申請號: 201310538965.1
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號: CN103556992A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 方新秋;劉曉寧;樊海亮;梁敏富
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種光纖光柵地應力的獲取方法，其特征在于，包括如下步驟：?

a、在受力桿(9)的桿身沿軸向橫截面中心布置3組互成120°角、軸向錯距為D的三個光纖布拉格光柵組粘貼點(A、B、C)；?

b、在每個粘貼點中固定至少一組沿鉆桿(9)徑向分布、角度α為0°、45°、90°的三個沿角軸向應變的光纖布拉格光柵組(2)；?

c、用鉆孔機在地下圍巖(1)的巷道壁施工一水平鉆孔(8)，孔徑與受力桿(9)直徑相同，用推進桿(5)將受力桿(9)安裝于水平鉆孔(8)中，布置在受力桿(9)上的光纖布拉格光柵組(2)的光纖接頭(7)引出水平鉆孔(8)的外部并與光纖(10)連接，推進桿(5)通過孔口支撐架(6)固定，光纖(10)接入光纖光柵解調儀(11)，光纖布拉格光柵組(2)產生應變后，光纖光柵解調儀(11)將解調后信號傳輸至計算機系統(12)，得到3組光纖布拉格光柵組(2)的中心波長漂移量數據；?

d、借助套鉆設備對光纖布拉格光柵組(2)處側壁圍巖套鉆環形槽(3)，使套鉆環形槽(3)內的巖芯(4)與周圍巖體分離從而解除圍巖應力；?

e、對軸向應變光柵的中心波長漂移量數據進行如下處理以得到軸向應變量：?

式中，i表示第i組粘貼點，i＝1、2、3，分別表示三個光纖布拉格光柵組粘貼點A、B、C；j表示粘貼點中第j個軸向位移光柵，j＝1、2、3，分別表示每組粘貼點的角度α為0°、45°、90°三個角軸向應變光柵；及ε_ij分別為第i組第j個軸向應變光柵的中心波長漂移量、軸向應變光柵的初始中心波長和軸向應變光柵的軸向應變量，K_ε為光纖光柵光彈效應下波長漂移軸向靈敏度系數；?

f、得到軸向應變量后，定義鉆孔坐標系oxyz與大地坐標系OXYZ，根據鉆孔局部壁面應力解除法理論得到孔壁上某一方向的軸向應變與大地坐標系下圍巖地應力分量之間的關系：?

ε_ij＝[0，cos²θ_j，sin²θ_j，sinθ_jcosθ_j，0，0]·[T_rθz][C][F][T_σ][σ₀]_XYZ

式中，θ_j為第j個軸向應變光柵與受力桿徑向的夾角，[T_rθz]為孔邊應變在圓柱坐標系與大地坐標系間的變換矩陣，[C]為各向同性線彈性巖體本構矩陣，[F]為鉆孔圍巖的遠場地應力分量矩陣與孔邊應力分量矩陣間的變換矩陣，[T_σ]為大地坐標系下遠場圍巖地應力分量矩陣與鉆孔坐標系下遠場圍巖地應力分量矩陣間的變換矩陣，[σ₀]_XYZ為大地坐標系下圍巖地應力分量矩陣；?

g、對軸向應變量進行計算處理，得到大地坐標系下圍巖地應力為：?

式中，σ_X、σ_Y、σ_Z為大地坐標系下的三維地應力，其中σ_Z為垂直地應力，σ_X、σ_Y為水平地應力。?