基于完全温度补偿技术的原位数字化型三维孔壁应变计

摘要

本发明提供一种基于完全温度补偿技术的原位数字化型三维孔壁应变计，属于岩体应力测量及监测领域。该应变计包括注胶式空心包体应变计骨架、高精度自补偿应变传感器、双地线及完全温度补偿测量电路、本地数字化采集集成电路板。应变计采用注胶式设计实现安装。自补偿式高精度应变传感器和完全温度补偿电路消除了长期监测中的温度影响；双地线电路补偿了数字电路调平范围；数字化电路板的瞬时采集技术消除了电阻发热影响，实现了监测数据的长期有效性和关联性。该应变计有人工断电续采和自动连续采集两种采集模式，可一次安装实现钻孔孔壁三维应变的短期、长期监测。预留有多种无线连接模式和无线充电接口，可实现由测点到控制室的数据实时传输。

说明书

技术领域

本发明涉及岩体应力测量及监测领域，特别是指一种基于完全温度补偿技术的原位数字化型三维孔壁应变计。

背景技术

地应力是岩体中存在的天然应力，是决定地下工程开挖、设计、稳定性分析的最重要因素。地应力测量中空心包体应变计法是国际岩石力学学会推荐的三维地应力测量方法，也是目前唯一的一次性获取地下三向主应力大小、方向的地应力测量法。

但是，目前空心包体应变计测量地应力方法大多采用长导线引出测量信号，信号在传输过程中导线电阻严重影响测量精度。蔡美峰教授发明双地线回路改进了空心包体法测量精度；澳大利亚环境系统与服务公司发明了原位数字化空心包体应变计，消除长导线电阻影响，把模拟信号变成数字信号后采用4芯导线引出数据。不论是双地线回路的改进还是原位数字化的实现，还需要在测量中采用导线穿过钻机导出实时信号。操作繁琐，而且测量导线与测量冷却水公用钻机通道互相影响，会造成导线在打钻时被卡断的事故发生。

白金朋，彭华等(2013)改进空心包体硬件，将其引入深孔地应力测量。但其基于传统空心包体应变计结构，无法消除环境温度的影响。蔡美峰教授提出地应力精确测量的概念，并发明了改进型空心包体应变计和完全温度补偿技术，可以大大提高地应力测量的精度和可靠度。但改进型空心包体应变计目前尚未实现本地数字化和测量中的无线传输。

本发明旨在改进型空心包体的本地化和非引出式地应力测量，继承完全温度补偿技术和地应力精确测量的理念。

岩体内应力扰动监测是矿业开采、水电站建设、隧道施工信息化 施工中重要的内容，但目前尚无设备可实现此功能。采矿中采用的钻孔应力计具有安装简便、易于操作的优点，但其从煤矿开采应用中发展而来，采用油压监测，无法实现长期测量，且所测数据为千斤顶内部压力值并非岩体内应力值；澳大利亚的本地数字化型空心包体应变计，理论上可以进行扰动应力的监测，但其采用传统电桥采集方式，必须在整个监测过程中保证稳定供电；而白金朋、彭华等所开发的非导出式探头，待机3个月，工作时间20小时，且在长期监测中温度变化幅度更大，传统探头结构的补偿片方式无法实现对温度影响的完全补偿，精度较差。所以上述两种空心包体设备无法进行地下空间复杂环境下的应力长期监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于完全温度补偿技术的原位数字化型三维孔壁应变计。

该应变计包括注胶式空心包体应变计骨架、高精度自补偿应变传感器、双地线及完全温度补偿测量电路和本地数字化采集集成电路板；高精度自补偿应变传感器、双地线及完全温度补偿测量电路和本地数字化采集集成电路板设置在注胶式空心包体应变计骨架内，该应变计运用双地线回路进行本地数字化集成电路板连接。

其中，注胶式空心包体应变计骨架为圆柱状，头部为导向头，导向头下方设置一圈出胶孔，出胶孔与内部出胶通道相连，注胶式空心包体应变计骨架中部外包环氧树脂筒，环氧树脂筒外部贴有应变花，注胶式空心包体应变计骨架尾部内设置单片机采集仪，单片机采集仪与蓄电池连接，注胶式空心包体应变计骨架头部和中部连接处采用密封胶圈密封。

高精度自补偿应变传感器在长期测量状态下，传感器温度系数0℃-20℃时为1.33[(μm/m)/℃],20℃-40℃时为0.28[(μm/m)/℃],40℃-60℃时为1.20[(μm/m)/℃],60℃-80℃时为1.60[(μm/m)/℃],完全温度补偿测量电路消除误差率为2.43％；长期测量中测量系统0点 漂移为10μm/年。

该应变计预留wifi、蓝牙、甚低频透地通讯等无线传输接口，数据采集和充电采用无线或有线方式，预留有多种无线连接模式和无线充电接口，可实现由测点到控制室的数据实时传输。

该应变计采集系统采用电桥瞬时采集技术，信号采集在电桥电路接通瞬间完成。无瞬时接通电阻及电阻片发热影响，无需长期供电，可实现通电即采，信号为电阻应变片自身真实阻值。设定连续采集、间隔采集、定时采集和待机工作四种模式，一次安装实现钻孔孔壁三维应变的短期、长期监测。

采用该应变计进行地应力测量和应力监测包括以下步骤：

地应力测量时，在巷道、隧道或边坡岩壁上钻孔，把本应变计安装在钻孔内，通过推进注胶使应变计应变传感器部分和孔壁紧密胶结，随后可进行孔壁应变的钻孔解除，并依据弹性力学理论推算岩体内部空间应力大小。具体步骤包括：

1.在测点处钻进直径130mm-150mm的大孔；

2.在大孔孔底同心钻进直径为42mm的小孔，小孔孔深为40cm；

3.采用环氧树脂胶体将探头粘接在小孔内；

4.采用与打大孔同样的钻头进行带探头的岩心解除，并在解除过程中记录孔壁应变变化；

5.探头记录了岩心从承受原岩应力状态到无应力状态的应变变化，采用弹性力学理论建立弹性体受力变化过程中的应力-应变关系，以室内试验获取计算用弹性模量和泊松比等参数，带入弹性力学无限体孔洞公式即可回归得到地应力值。

应力监测时，应变片高精度自补偿应变传感器，温度标定在探头出厂时测试完成。安装方法与应力测量一致，只是不需要钻出解除用的同心大孔。测量不同时刻的应变变化配合相关理论分析可得到岩体应力变化情况。应力监测探头在非解除状态下可进行应力的短期测量、长期监测，读数方式可选择人工手动测量和自动采集传输两种模式，具体步骤为：

1.钻进直径为42mm的小孔，钻进深度达到监测点位置；

2.粘结探头，并接入电源(若采用人工手动采集方式，则不需接入电源)；

3.设置采集间隔，采集开始时间。(若为人工采集，则无需此步骤)；

4.采用现场岩心，进行室内试验，得到测点处岩石弹性模量和泊松比；

5.根据监测中应变变化，可以计算得到应力变化值。应力变化值与原地应力值相加，即可得到当前应力状态，实现应力监测。(具体公式与地应力测量时相同)

应变花即为高精度自补偿应变传感器，高精度自补偿应变传感器环向间隔120°布置在1.5mm厚的环氧树脂筒壁上，环氧树脂筒壁外套在储胶腔体上，实现空心设计，运用双地线回路接法连接后部采集系统。

双地线及完全温度补偿测量电路，是引入蔡美峰院士发明的完全温度补偿技术，结合双地线接法，从技术上消除了引线误差和因温度变化产生的应变值变化，完全温度补偿电路可消除误差率为2.43％，提高了应变测量精度。

本地数字化采集电路板，采用数字电路集成技术在设备腔体内完成信号的数字化转换，消除其他测量方法中长导线的测量误差，实现了瞬时采集和各通道滚动采集，同时可实现采集数据的储存、传输。本地数字化采集集成电路板，提供人工断电续采和自动连续采集两种采集模式，连续工作、定时工作、微待机工作和待机工作四种工作模式，可一次安装实现钻孔孔壁三维应变的短期、长期监测。

蓄电池采用5V的可充电锂电池供电，电池容量6800mAh，采集器的工作电流0.02mA，可实现待机一个月和静态连续采集7天。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明采用数字瞬采技术，待机时无需供电，消除解除电阻和瞬时电流的影响；采用完全温度补偿技术和温度自补偿传感器，实现长 期测量条件下温度影响的最大化消除；双地线结构在数字化电路中的应用加大了电子电路的采集范围和测量稳定性。本发明所开发的探头经过多次更新，在室内及现场进行了大量相关实验，具有实测数据相支撑，实现了地应力测量和应力监测的一体化和扰动应力长期监测功能。

本发明有效解决了有线式应变采集仪安装繁琐复杂、测量精度不高、工作时间短，无法长期监测的问题。通过进行室内模拟地应力试验台试验和围压率定对比试验本发明装置的测量值和标定值，对比显示其测量误差为1％(1με/100με)，测量精度1με。本实验装置在弓长岭区井下铁矿进行了3个测点，共5次现场应力解除试验，其中2#孔和3#孔为-220m水平同一孔内的试验，4#孔和5#孔为-280m水平同一孔内的试验，获取了测点区域地应力场分布规律。其中，常规空心包体应变计和本发明在同一测点进行两次对比试验，本发明在操作性及数据稳定性、可靠性等方面均大大优于常规空心包体应变计。本发明装置在矿山、隧道、边坡等复杂环境中使用具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于完全温度补偿技术的原位数字化型三维孔壁应变计结构示意图；

图2为高精度自补偿应变传感器布置图；

图3为高精度自补偿应变传感器标定曲线；

图4为采集系统窗口和指令示意图一；

图5为采集系统窗口和指令示意图二；

图6为采集系统窗口和指令示意图三；

图7为采集系统窗口和指令示意图四。

其中：1-导向头；2-密封胶圈；3-出胶孔；4-出胶通道；5-环氧树脂筒；6-应变花；7-单片机采集仪；8-蓄电池。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于完全温度补偿技术的原位数字化型三维孔壁应变计。

该应变计包括注胶式空心包体应变计骨架、高精度自补偿应变传感器、双地线及完全温度补偿测量电路和本地数字化采集集成电路板；高精度自补偿应变传感器、双地线及完全温度补偿测量电路和本地数字化采集集成电路板设置在注胶式空心包体应变计骨架内，该应变计运用双地线回路进行本地数字化集成电路板连接。

如图1所示，注胶式空心包体应变计骨架为圆柱状，头部为导向头1，导向头1下方设置一圈出胶孔3，出胶孔3与内部出胶通道4相连，注胶式空心包体应变计骨架中部外包环氧树脂筒5，环氧树脂筒5外部贴有应变花6，注胶式空心包体应变计骨架尾部内设置单片机采集仪7，单片机采集仪7与蓄电池8连接，注胶式空心包体应变计骨架头部和中部连接处采用密封胶圈2密封。

如图2所示，应变花6即为高精度自补偿应变传感器，高精度自补偿应变传感器环向间隔120°布置在1.5mm厚的环氧树脂筒5壁上。

如图3所示，高精度自补偿应变传感器在长期测量状态下，传感器温度系数0℃-20℃时为1.33[(μm/m)/℃],20℃-40℃时为0.28[(μm/m)/℃],40℃-60℃时为1.20[(μm/m)/℃],60℃-80℃时为1.60[(μm/m)/℃],完全温度补偿测量电路消除误差率为2.43％；长期测量中测量系统0点漂移为10μm/年。

如图4、图5、图6和图7所示，本地数字化采集集成电路板，提供人工断电续采和自动连续采集两种采集模式，连续工作、定时工作、微待机工作和待机工作四种工作模式，可一次安装实现钻孔孔壁三维应变的短期、长期监测。

应用该应变计的具体实施例如下。

地应力测量的实施方式为：

1.在测点处钻进直径130mm-150mm的大孔，并取得岩心。钻孔深度需达到开挖空间直径的3倍以上；

2.在大孔孔底同心钻进直径为42mm的小孔，小孔孔深为40cm；

3.现场配制固化胶体，并灌入探头空腔中。以地应力专业安装设备进行安装，控制安装速度、探头在孔内的方位、胶体挤出的推进距离。安装后，以手持终端设置采集待机时间和采集间隔。观察孔内工作指示灯亮起则表示探头工作正常；

4.安装后，胶体凝固24小时(25°条件下24小时，若温度低于10°凝固时间需要48小时)；

5.胶体凝固后，观察孔内探头工作指示灯是否在设置的时间间隔内闪烁，按间隔闪烁表示工作正常可以开始解除工作；

6.解除时保证钻孔与原钻孔同心，采用与钻大孔时同种薄壁钻头进行解除。解除时将钻头推进至大孔空底，通水30分钟后开机钻进。钻进时保持压力恒定(约为1MPa)，平稳钻进。钻进解除深度50cm；

7.解除后取出岩心，打开探头后盖关闭电源，终止采集。观察岩心完整情况，并做好原位标记。采用薄膜密封岩心，准备室内试验；

8.进行围压率定试验和温度标定试验获取弹性模量、泊松比、各通道应变片温度系数，进行数据回归得到计算用应变值；

9.采用弹性力学理论进行应力反演和最小二乘回归得到地应力值。

应力监测的具体实施方式为：

1.钻进直径为42mm的小孔，钻进深度达到监测点位置；

2.配制胶体，安装探头，安装步骤与地应力测量时步骤相同；

3.将探头电源接入现场电路保证长期供电。停电后蓄电池工作时间大于1周。若采用人工手动采集方式，则不需接入电源；

4.设置采集间隔，采集开始时间。采用蓝牙或者有线方式将采集数据接入孔口终端，并通过光纤接入井下环网(若为人工采集，则无需此步骤)。

5.采用现场岩心，进行室内试验，得到测点处岩石弹性模量和泊松比；

6.配合地应力测量得到现场测点处当前地应力值；

7.根据监测中应变变化，同样采用弹性力学理论无限体中孔洞变形计算公式得到应力变化值。应力变化值与原地应力值相加，即可得到当前应力状态，实现应力监测。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。