基于空心包體應變計的擾動應力云監測系統構建

李天宇，李 遠，秦志暄，吳世兵，劉子斌

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.中冶京誠工程技術有限公司，北京 100083)

0 引 言

地下巖體進行巷道掘進或其他施工作業時，通過監測擾動應力可以保障施工安全，避免頂板斷裂、巖爆等動力災害的發生[1-2]。因此,需要一種科學精確而又操作簡易的擾動應力監測方法。地應力測量僅能反映巖體某一個時間段一個點的應力狀態，但要對巖體破壞變形特性進行研究需要長期的巖體應力資料，通過應力變化來了解和分析巖石破壞變形的應力路徑，因此，擾動應力監測成為巖石力學和深部巖體研究的重要技術手段。針對施工作業中產生的擾動應力，王浩等[3]使用微震監測系統揭露了張雙樓礦西一采區沖擊失穩的充要條件是開采活動及礦震擾動引起的應力偏量超過煤巖體強度極限；徐文全等[4]基于靜水壓力原理開發了采動應力監測傳感裝置，該裝置用于神火集團梁北煤礦進行了擾動應力實測，結果表明巷道垂直應力隨工作面的推進逐步升高到峰值后急劇降低；目前研究實現了擾動應力在不同深度測點的應力測量，但是無法實現同一測點的長期監測，李遠等[5]、喬蘭等[6]研發出基于數字化CSIRO雙溫度補償方法的巖體擾動應力長期監測系統，并成功的應用于安徽東部馬鞍山南山礦凹山露天采場的邊坡巖體擾動應力長期監測，該監測系統使用的空心包體應變計，一次安裝可監測三維應力張量及方向，監測結果與巖體真實應力擾動情況相吻合。

目前李建賀等[7]、劉寧等[8]運用數值模擬得到了地下硐室圍巖應力場擾動規律，但需要進一步開展理論和工程實踐研究[7-8]。而現有的擾動應力監測方法傳感器安裝復雜，操作繁瑣，需要工作人員在工程現場即時采集數據，無法實現測點應力狀態的云端實時反饋[9-11]，因此,本文以數字化CSIRO巖體擾動應力長期監測應變計為監測設備，WiFi模塊作為數據轉碼和傳輸模塊，光纖收發器和光纜構成井下網絡，使用4G路由器接入網絡，并配合云端服務器和數據采集軟件，共同構成在線云平臺擾動應力監測系統。通過對金川鎳礦二礦區1 150 m水平有軌聯絡道實驗洞段的線上擾動應力監測，截至目前近416 d的監測數據顯示，測點位置5 m孔深處軸向應力變化3.3 MPa，環向應力變化2.9 MPa；10 m孔深處軸向應力變化2.4 MPa，環向應力變化1.2 MPa。在保證擾動應力長期監測精度的同時，實現了數據的云端實時反饋，研究成果對實現現場擾動應力長期準確的云端監測具有重要現實意義。

1 擾動應力監測云平臺系統的研發及構建

1.1 擾動應力監測數據采集

監測系統的現場數據采集主要通過在測點安裝基于完全溫度補償型的空心包體監測應變計實現(圖1)。每個應變計共有14個應變采集通道，其中，1通道～12通道為軸向和縱向應變通道，13通道和14通道為溫度通道，用于雙溫度補償[12-13]，消除監測過程溫度造成的應變誤差。該應變計采用斷電續采型數字化采集電路以適用擾動應力的長期監測[14]。

圖1 空心包體監測應變計Fig.1 CSIRO cell of monitoring

1.2 云平臺監測系統構建

在線云平臺擾動應力監測系統主要包括應力數據采集系統、數據傳輸系統、在線云平臺數據交互系統等部分(圖2)。監測系統核心組件主要包括空心包體式擾動應力采集儀、供電模塊、WiFi模塊、光纖收發器、4G路由器、云平臺和數據采集軟件(北京科技大學地應力測試中心開發)等。監測系統使用光纜有線傳輸數據，配合WiFi模塊等數據傳輸設備達到監測數據的在線傳輸和監測，通過數據采集軟件實現應力數據的云端在線采集。

圖2 在線云平臺擾動應力監測系統組成Fig.2 Composition of online cloud platformdisturbance stress monitoring system

監測系統集成如圖3所示，現場安裝有監控攝像頭，可實時將現場情況傳回監測平臺。

圖3 監測系統集成示意圖Fig.3 Integration schematic of monitoring system

監測數據通過WiFi模塊、路由器、交換機和光纖收發器傳輸至云服務器，云服務器采集軟件自動將采集數據儲存在數據文件夾中，用戶可對數據進行下載和拷貝等操作，方便對監測數據進行整合分析。采集軟件界面見圖4，該軟件可根據需求通過AT指令遠程對現場監測點處應變計進行設置[15]。該軟件的工作區可查看監測系統實時狀態，在指令框輸入指令可遠程開啟或關閉監測系統，更改應變計的采集模式、采集時間間隔等；具有查看實時數據，更改應變計狀態并可隨時調用云端已采集數據的優勢。

圖4 監測系統數據采集軟件操作界面圖Fig.4 Monitoring system data acquisition software operation interface diagram

2 擾動應力監測原理

擾動應力基于李子林等[16]在馬鞍山凹山鐵礦監測項目中推導的巖體擾動應力監測基本公式進行推導計算，見式(1)和式(2)。

εz平均×E=σz-ν(σx+σy)

(1)

(εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°))×E=3[(σx+σy)-vσz]

(2)

式中：εZ、εθ分別為監測應變計布設應變片所測量得到的軸向應變和各個角度的環向應變值。巖體擾動應力監測應變計在鉆孔中使用水泥凈漿與圍巖膠結耦合，監測應變計所布設的應變片與水泥凈漿直接接觸(中間有一層1 mm厚環氧樹脂膠層，早期研究指出當應變片黏結厚度在0.5～1.0 mm范圍內時，黏結巖芯顯示的溫度應變性能基本相同，所以在本文忽略環氧樹脂膠膠層對應變片變形性能的影響)，反映凝固后水泥凈漿受巖體擾動應力變化而產生的應變。若將監測應變計和凝固水泥凈漿層視為一個整體，根據彈性力學原理，計算模型如圖5所示。在無限體中有半徑為R1的鉆孔，孔中為應變計和凝固水泥凈漿耦合體，R2為巖體與鉆孔圓點的距離(在計算模型中，巖體、凝固水泥凈漿、應變計三者處于耦合狀態并未分離)。

圖5 圍壓狀態下計算模型Fig.5 Calculation model under circumferential pressure

現將圍巖壓力等效為無限體邊界力，設凝固水泥凈漿層受壓產生的對孔壁支持力為q(表示為標量)。將R1和R2之間的巖體視為一個圓筒，則有E筒=E∞=E，ν筒=ν∞=ν，由彈性力學可得式(3)～式(6)。

圓筒中有式(3)和式(4)。

(3)

(4)

無限體中有式(5)和式(6)。

(5)

(6)

(7)

當r=R1時，將σr|r=R1=-q代入式(7)可得式(8)。

(8)

由平面應力問題可知，圓筒與無限體的徑向位移分別為式(9)和式(10)。

(9)

I′cosθ+K′sinθ

(10)

(11)

式中，m=1-2ν。將式(7)變形代入式(11)得式(12)。

2C=σ

(12)

將式(12)代入式(3)得式(13)。

(13)

將式(13)代入式(5)得式(14)。

(14)

如果不考慮凝固后水泥凈漿由于環向壓縮產生的對孔壁的支護作用對巖體彈性模量實際值的影響，會導致巖體彈性模量室內測量值和實際值會有一定的誤差[17-18]。當考慮凝固水泥凈漿層抗力時，在空間上可將凈漿層看作一個空心圓筒，在平面上可以看作一個空心圓盤，如圖6所示。假設凝固水泥凈漿層彈性模量為E0，泊松比為ν0，空心圓盤內部壓力為qa，外部壓力qb=q。徑向應力大小為式(15)。

圖6 考慮凝固水泥凈漿層抗力影響的計算模型Fig.6 Calculation model considering the influence ofthe resistance of the solidified cement net slurry layer

(15)

式中，t為換算系數，見式(16)。

(16)

將式(16)代入式(3)～式(10)得式(17)。

(17)

同理，巖芯位移量見式(18)。

(18)

由位移單值條件得式(19)。

(19)

將式(19)代入式(13)可得式(20)。

(20)

將式(17)代入式(2)得到考慮凝固水泥凈漿層的應力監測計算公式，見式(21)。

(εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°))E=

(21)

巖體擾動應力監測的基本公式可推導為式(22)。

(22)

式中：εθ=εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°)為監測應變計同一環向應變片所測得應變和；εZ為監測應變計軸向應變片所測得應變值。

M、K0為換算系數，計算見式(23)。

(23)

式中：E為巖體彈性模量；E1為凝固水泥凈漿彈性模量；ν為巖體泊松比；ν1為凝固水泥凈漿泊松比；R為巖芯半徑；r為鉆孔半徑即凝固水泥凈漿圓筒半徑；a為監測應變計半徑。彈性模量及泊松比，基于現場同測點巖體及灌注水泥漿制備的Φ50 mm×100 mm標準試樣的單軸壓縮試驗數據獲取，結合云端監測應變數據及式(22)計算現場實時擾動應力數據。

3 水平擾動應力監測系統構建

3.1 現場概況

金川鎳礦二礦區1 150 m有軌聯絡道位于二礦區1 150 m水平30行位置，埋深650 m，在此巷道中選取兩個試驗洞段，方位為NE38°38′，分別記為1#試驗洞段、2#試驗洞段，具體位置如圖7所示。結構面分級的主要依據為結構面的規模。長度系包括其延展性和連續性，寬度則反映結構面的大小[19-20]。對一個工程區而言，結構面的寬度要比其長度重要，因為超過工程范圍的長度或超越具體工程部位的結構面對工程無直接意義，當然長度與寬度之間有一定的內在聯系。寬度對巖體變形破壞和工程措施有直接影響和意義[21-23]。從開挖過程揭露的巖石條件來看(圖8)，含有大量的Ⅲ級結構面和Ⅳ級結構面。由于項目所選試驗孔分布在1#試驗洞段和2#試驗洞段內，所以本文僅對試驗洞段的地質條件進行分析。

圖7 1 150 m有軌聯絡道實驗洞段位置Fig.7 Location of 1 150 m experimental cavern section of tracked contact road

圖8 1 150 m有軌聯絡道開挖揭露的巖體狀況Fig.8 Rock condition revealed by excavation of1 150 m tracked contact road

1#試驗洞段巖性單一，主要為肉紅色的花崗巖γs，中粗粒結構，塊狀構造，主要礦物組成為正長石、石英。巖體的節理十分發育，巖體十分破碎。2#試驗洞地質條件差，巖性復雜，主要巖性有大理巖ML、綠泥石片巖Sc-qc、輝長巖γ、黑云母綠泥石片巖Sc-c1，蝕變強烈，局部可見金屬硫化物，礦化分布不均勻，巖石較破碎，結構面的線密度9條/m。

3.2 擾動應力云端監測現場實施

鉆取實驗鉆孔至設計位置。試驗區域巖體的節理十分發育，巖體十分破碎，所以在試驗洞段利用地質鉆機施工打鉆時，巖芯破碎，花崗巖取芯率幾乎為0，并且在成孔不久后，甚至在打鉆過程就會出現塌孔現象。故設計實驗孔為水平孔，孔徑130 mm，孔深11 m。1#鉆孔成孔見圖9。

圖9 1#試驗區域鉆孔取芯情況Fig.9 Core drilling in 1# test area

試驗孔深為5 m、10 m處分別埋設應力監測設備(圖10)。用速凝水泥漿堵住洞口，并預制注漿管和排氣管孔口便于注滿漿后抽出。漿液完全凝固后清空設備內原始數據進行數據采集。鉆孔施工現場見圖11。從主光纜分離出測點所需光纖與拉往測點處光纜熔接，在測點處利用尾纖將監測所用光纜與光纖收發器A端相連，光纖收發器使用網線與井下路由器連接，WiFi模塊使用無線網絡連接路由器，由于礦區網絡為全封閉內網，因此在機房端分離出測點光纖連接光纖收發器B端之后，使用4G路由器配合無線網卡將網絡并入以太網。

圖10 監測設備埋設示意圖Fig.10 Monitoring equipment buried schematic

圖11 鉆孔施工現場Fig.11 Drilling construction site

3.3 擾動應力監測數據分析

5 m、10 m孔深監測應變計出廠前室內溫度標定結果如圖12和圖13所示。監測應變計安裝完成后，設置采集間隔為30 min/次。根據雙溫度補償方法，在實驗室測試所用C20水泥，采用水灰比0.65∶1水泥凈漿試塊-應變片-環氧樹脂膠層耦合體，測得耦合體軸向溫度補償值為15.925 με/℃，環向溫度補償值為44.425 με/℃，采用雙溫度補償算法，分別得到孔深5 m和10 m的應變變化，如圖14和圖15所示。

圖12 5 m孔深監測應變計室內溫度標定曲線Fig.12 Indoor temperature calibration curve of 5 m borehole depth

圖13 10 m孔深監測應變計室內溫度標定曲線Fig.13 Indoor temperature calibration curve of 10 m borehole depth

圖14 5 m孔深應變監測數據Fig.14 Strain monitoring data of 5 m borehole depth

圖15 10 m應變監測數據Fig.15 Strain monitoring data of 10 m borehole depth

由圖14和圖15可知，監測應變計從2018年3月安裝后截至2019年3月8日共計371 d的監測過程中，由于工程現場原因，導致監測數據出現中斷現象，另外5 m孔深監測應變計由于環向1號應變片在監測過程中出現異常漂移值，故舍棄該應變片的環向應變數據。但是數據整體性具有代表性，能夠反映測點應變變化量及變化趨勢。此外，10 m孔深監測點環向應變和軸向應變均呈先下降后上升趨勢，環向應變變化量和變化速度均明顯高于軸向應變，其中環向應變1在監測初期減少了-500個微應變左右后開始增加到后期的+3 000個微應變，最大變化量為+3 500個微應變左右；環向應變2和環向應變3在監測初期均減少到-1 500個微應變左右后開始增加，到后期環向應變2增加到+3 000個微應變，最大變化量為+4 500個微應變左右；環向應變3增加到+2 000個微應變，最大變化量為+3 500個微應變左右；軸向應變變化量較小，約+600個微應變左右。13通道溫度傳感器通道示數穩定中有小幅度減小，整體變化量較小，由高精度溫度傳感器室內溫度標定公式可以求出對應溫度值最高為25.6 ℃，最低值為24.4 ℃，滿足氣候變化趨勢及地下巖體環境特征；14通道溫度傳感器通道示數穩定中有小幅度減小，示數大小和變化趨勢與13通道幾乎相同，由高精度溫度傳感器室內溫度標定公式可以求出對應溫度值最高為24 ℃，最低值為22.7 ℃，從13通道溫度傳感器測出的溫度和14通道溫度傳感器測出的溫度可以得到，孔深10 m處應變計內外溫度大約相差1.6 ℃。相較于5 m孔深應變計，10 m孔深應變計監測數據顯示，在2018年6月27日左右應變計應變片受擾動影響較大，數據產生較為明顯波動。

選用現場孔內注漿，制取水泥凈漿試樣(圖16)，通過單軸加載試驗獲取其彈性模量和泊松比，如圖17所示。

圖16 水泥凈漿試樣Fig.16 Cement net slurry specimen

圖17 水泥凈漿試塊單軸試驗Fig.17 Uniaxial test of cement net slurry test block

通過以上3個試塊的彈性模量、泊松比取平均值，得到C20水泥凈漿在養護期滿后的彈性模量為23.71 GPa，泊松比為0.14。同理，在實驗室測得同測點水平下的花崗巖巖樣彈性模量為25.47 GPa，泊松比為0.247，R(式(21))取3倍凝固水泥凈漿半徑。通過應力應變換算公式，得到測點應力變化如圖18所示。

由圖18(a)可知，5 m孔深監測應變計在持續近416 d的監測過程中，雖然因為現場施工影響及電源故障導致數據中斷大約79 d(116～137 d時段共計21 d，150～208 d時段共計58 d)，但從整個監測過程來看，監測數據具備良好的規律性，5 m孔深監測應變計布設點的軸向應力和環向應力在監測初期(0～45 d)均呈現不同程度的下降趨勢，其中環向應力下降0.29 MPa，軸向應力下降0.16 MPa，之后的321 d(45～366 d)監測過程中，軸向應力和環向應力持續增加，且增速逐漸減小，在366～371 d監測時段內，軸向應力下降0.3 MPa，環向應力下降0.1 MPa，371～404 d時段內環向應力和軸向應力變化趨勢基本相同，處于交替的下降和上升變化過程中，但整體趨勢表現為迅速增大，其中，軸向應力共增加2.1 MPa，環向應力共增加2 MPa。

由圖18(b)可知，10 m孔深監測應變計數據中斷和接續時間與5 m孔深監測應變計保持一致，監測應變計的軸向應力和環向應力在0～45 d時段均呈現不同程度的下降趨勢，其中，環向應力下降0.18 MPa，軸向應力下降0.19 MPa，監測數據顯示軸向應力和環向應力均不斷增大，增速有緩慢下降趨勢，在監測進行至112 d和146 d時，10 m處應變計受到明顯擾動，在圖(18)中體現為應力曲線明顯的跳動，截至目前416 d的持續監測時間內10 m測點處的環向應力相比安裝時增加了約1.2 MPa，軸向應力增加了約2.4 MPa。

圖18 測點應力監測曲線Fig.18 Stress monitoring curve of measurement point

4 結 論

針對目前深部地應力監測技術存在的問題，通過自主研發設備、現場測試和室內試驗研究，提出構建基于空心包體應變法的擾動應力在線監測系統，主要結論如下所述。

1) 開發在線監測平臺，使用特定采集軟件對監測數據進行自動采集和存儲。利用該采集軟件可遠程對監測應變計進行采集模式和采集頻率等參數進行設置，使監測應變計按實際需求隨時進行測試模式的更改。

2) 擾動應力在線監測系統的構建，在保證精確測量的前提下，實現了長期無人監測，有效減少了人工成本；擾動應力的云端實時反饋，提高了應力監測的便捷性，增加了施工現場的安全系數，實用性強，具有重要的參考價值。

3) 在金川鎳礦二礦區1 150 m水平課題組前期安裝的擾動應力監測系統的基礎上，通過井下光纜、光纖收發器、路由器和自研發的WiFi模塊等，構建了數據自動上傳的新型應力在線監測系統，并成功在遠程云平臺實施，使監測系統數據服務器實現云端安裝，節約現場組建硬件服務器的成本，為后續其他項目應力測量數據和監測數據的實時入網上傳提供接口和平臺。

4) 通過對比金川鎳礦二礦區1 150 m水平5 m處和10 m處的監測數據可知，在監測時間處于0～371 d時段內，5 m孔深處和10 m孔深處的監測應變計所測得的應力變化趨勢基本相同，都處于持續增加狀態，且10 m孔深處應力變化值較大。監測時間處于371～404 d時段內，10 m孔深監測應變計應力數據仍持續增加，但5 m孔深處應變計受到明顯擾動，且由數據可看出該擾動具有很強的循環特征，循環周期約為4.2 d，對比5 m孔深處和10 m孔深處應變計的監測數據，結合擾動特征推測巷道淺層圍巖在該時段內可能受到了施工影響，具體擾動原因需結合現場工況進行確認。