郭建偉, 朱元廣, 王 蕾, 楊戰(zhàn)標
(1.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室,平頂山 467000; 2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司煤炭開采利用研究院,平頂山 467099; 3.中國科學院武漢巖土力學研究所,巖土力學與工程國家重點實驗,武漢 430071;4.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設計研究院有限公司,西安 710054)
中國淺部煤炭資源已日漸枯竭,中東部礦井逐漸進入深部開采階段[1-3]。隨著開采深度的增加,煤礦災害日趨增多,如煤與瓦斯突出、沖擊地壓、圍巖大變形等,給深部煤炭資源的安全高效開采帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[4-7]。在導致上述災害發(fā)生的諸多因素中,地應力狀態(tài)是關鍵因素之一,其不僅是導致災害發(fā)生的根本作用力,而且對瓦斯壓力、沖擊危險性、巖體變形性質及強度特征等具有重要的影響[8-9]。因此,要實現(xiàn)煤礦災害的機理分析及有效控制,必須獲取準確可靠的地應力測試數(shù)據(jù)。
目前,工程中最為常見的地應力測試方法主要是水壓致裂法和應力解除法[10-12],這兩種方法均假定圍巖為線彈性介質,因此對圍巖的完整性及堅硬性要求較高。然而受構造運動及開挖擾動的影響,煤礦深部圍巖大多巖質軟弱、結構破碎,很難滿足上述嚴苛的條件,因此這兩種方法難適應于深部軟巖工程穩(wěn)定性分析,應用時成功率非常低[13]。
為解決這一難題,張芳等[14]基于深部圍巖在高地應力作用下的強流變特性,提出了針對深部破碎軟弱圍巖的地應力測量新方法——流變應力恢復法,該方法假設:在深部破碎軟弱圍巖中鉆孔埋設壓應力傳感器并充填密實,由于圍巖在高應力下的強流變力學性質,傳感器附近圍巖的應力將隨時間逐漸恢復,同時傳感器的實測應力也會隨時間逐漸上升并最終趨于穩(wěn)定,進而根據(jù)傳感器的實測應力來解算圍巖鉆孔前的初始應力。
為實現(xiàn)流變應力恢復法的工程應用,張芳等[14]基于流變應力恢復法的測量原理,研發(fā)了一種振弦式三向壓應力傳感器,該傳感器外觀近似為立方體,可以測量三個正交方向的正應力。朱元廣等[15]采用數(shù)值仿真和物理模型試驗的方法研究了三向壓應力傳感器在巖體介質中的測量性能。王耀宇等[16]采用數(shù)值方法模擬流變應力恢復法的測試過程,為流變應力恢復法的成功實施提供了理論依據(jù)。楊戰(zhàn)標[17]和紀杰等[18]基于研發(fā)的三向壓應力傳感器,根據(jù)流變應力恢復法地應力測試原理,在平頂山礦區(qū)深部巷道中開展了該方法的現(xiàn)場應用,取得了良好的測試效果。然而,在現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn),由于一點的應力狀態(tài)包含六個獨立的應力分量,因此需要在同一點埋設兩個三向壓應力傳感器才能確定測點的應力狀態(tài),使得傳感器安裝很不方便,而且兩個傳感器埋設太近容易引起相互干擾,導致測量誤差。為此,王蕾等[19]基于光纖傳感技術,研發(fā)了一種新型光纖光柵式(fiber bragg grating,F(xiàn)BG)六向壓應力傳感器,該傳感器可以測量六個獨立方向的正應力,可以直接確定測點的應力狀態(tài)?,F(xiàn)基于研發(fā)的光纖光柵六向壓應力傳感器,在平煤股份八礦深部軟巖巷道開展流變應力恢復法現(xiàn)場地應力測量,驗證六向壓應力傳感器地應力測量的準確性及可靠性。
用于流變應力恢復法地應力測試的儀器設備主要包括:FBG六向壓應力傳感器、傳感器配套的安裝定向裝置、本安型光纖光柵解調儀及三維電子羅盤等配套測量儀器。
圖1所示為用于流變應力恢復法地應力測量的FBG六向壓應力傳感器,該傳感器主要由傳感球頭、連接桿和耦合器盒組成。其中,傳感器球頭直徑為80 mm,球頭內部布設有六個獨立的壓力傳感單元,傳感單元采用光纖光柵波分復用技術,設計量程均為30 MPa;連接桿為光纖通道,用于將各個傳感單元的光纖引入到耦合器盒中;耦合器盒用于將各個傳感單元的光纖進行熔接,使得單個傳感器僅占用一個光纖光柵解調通道。傳感器的工作原理是:當法向應力作用于傳感單元時,傳感單元將發(fā)生變形,導致光纖光柵的柵距發(fā)生變化,進而引起光纖光柵的反射波長發(fā)生改變,根據(jù)波長變化量可以計算出傳感單元的法向作用力大小。
圖1 光纖光柵解調式六向壓應力傳感器Fig.1 Fiber bragg grating demodulation six-directional stress sensor
根據(jù)流變應力恢復法測試原理,傳感器測量得到的六個正應力σni(i=1,2,…,6)與測點應力狀態(tài)σij間的數(shù)學關系表示為
[σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx]T=K-1[σn1,σn2,σn3,σn4,σn5,σn6]T
(1)
式(1)中:矩陣K定義為
(2)
式(2)中:li、mi、ni(i=1,2,…,6)分別為σni測量方向與局部坐標系x、y、z軸夾角的方向余弦。根據(jù)研發(fā)六向壓應力傳感器各傳感單元的測量方向,計算得到矩陣K-1的具體表達形式為
K-1=
(3)
為實現(xiàn)傳感器在鉆孔中的安裝,設計制造了與傳感器配套的安裝定向裝置,如圖2所示。與傳感器直接連接的是固定組件,其作用是保證傳感器位于鉆孔中心位置,并且在后續(xù)封孔注漿過程中傳感器姿態(tài)不發(fā)生改變,因此固定組件在傳感器安裝后不回收;與固定組件連接的是定向組件,兩者間采用卡扣活動連接,可自由分離,定向組件上設有三維電子羅盤,用于確定傳感器在鉆孔中的三維姿態(tài),定向組件在傳感器安裝后回收,重復使用;與定向組件的連接的是若干常規(guī)推送桿,主要是將傳感器推送至指定深度。
光纖光柵解調儀是FBG類傳感器的信號處理與數(shù)據(jù)采集儀器,為滿足煤礦環(huán)境使用,設計研發(fā)了一種礦用本安型光纖光柵解調儀YJSJ10,如圖3所示。該解調儀是一款專用的便攜式解調儀,它含有掃描激光光源,可以同時測量2路光譜信號,內嵌有大規(guī)模集成電路,能夠快速地計算出波長信息。調解儀還具有光譜查詢功能,光譜動態(tài)范圍大、長期穩(wěn)定性好、精度高等特點。目前,該解調儀已取得國家礦用產(chǎn)品安全標志證書。
圖2 傳感器配套的安裝定向裝置Fig.2 The installation and orientation device supporting the sensor
圖3 YJSJ10本安型便攜式光纖光柵解調儀Fig.3 YJSJ10 intrinsically safe portable fiber bragg grating demodulator
在進行現(xiàn)場地應力測試之前,需要對傳感器進行標定試驗,得到傳感器各傳感單元的標定系數(shù),從而建立傳感單元輸出波長信號與所受外部法向應力之間的數(shù)學關系。同時,通過標定試驗可以獲取傳感器的最大工作量程、滿量程輸出值、靈敏度、線性度、零點漂移、遲滯和重復性等指標,進而檢驗傳感器的測量性能是否滿足流變應力恢復法地應力測試需求。
由于傳感器的特殊外形結構設計,常見的標定試驗設備很難對其實施標定,即便勉強實施,其精度也很難達到要求。為此,設計制造了一種專門用于該型壓應力傳感器的標定裝置,如圖4所示。
在開始正式標定之前,先對傳感器各個傳感單元進行預加載,使得傳感器進入良好的工作狀態(tài)。預加載時,先將六向壓應力傳感器放置于標定支架的傳感器底座上,緩慢調整傳感器,使得傳感器的傳感單元表面與傳力桿同軸,用限位卡將傳感器連接桿部分固定在導向桿上。然后,對傳感單元進行三次預加載,加載分為4級,步長為0.6 kN,每級加載穩(wěn)定5 min后,開始進行下一步加載,直至加載到2.4 kN。卸載過程與加載過程一致,從最大荷載逐級卸載至無壓力狀態(tài)。
預加載完成后,對傳感器各傳感單元進行標定。首先,記錄初始無壓力狀態(tài)下的輸出波長,然后開始分級加載,加載分12級,每級步長為0.2 kN,穩(wěn)定5 min后記錄下對應壓力下的波長輸出值,直至加載到2.4 kN。卸載過程與加載過程一致,從最大荷載逐級卸載至初始無壓力狀態(tài),并記錄對應的波長輸出值。每個壓力傳感單元進行3次加卸載循環(huán)。
圖4 傳感器標定試驗裝置Fig.4 Sensor calibration test device
圖5給出了傳感器各傳感單元波長變化量與外荷載之間的關系,并通過線性擬合得到了傳感器各傳感單元的標定系數(shù),如表1所示。根據(jù)標定試驗數(shù)據(jù),參考國家標準《國家計量檢定規(guī)程JJG 860—2015壓力傳感器(靜態(tài))》,考察傳感器的傳感特性指標和計量誤差指標。其中,傳感特性指標包括滿量程輸出值和靈敏度,計量誤差指標包括線性度、零點漂移、遲滯和重復性等指標。根據(jù)標準中的指標定義及計算公式,得到傳感器各項指標值,如表2所示。可以看出,傳感器的滿量程輸出波值為2 736~2 890 pm,靈敏度為91.189~96.322 pm/MPa,零點漂移指標值為0.072%~0.639%、線性度指標值為0.668%~1.328%、重復性指標值為0.234%~0.833%、遲滯指標值為0.119%~1.461%。受加工精度限制,傳感單元各項指標間存在差異,但傳感單元各項誤差指標均在1.5%范圍之內,表明研制的傳感器具備良好的測試性能,能夠滿足流變應力恢復法地應力測量的需求。
圖5 各傳感單元輸出波長變化量與外荷載的線性擬合曲線Fig.5 Linear fitting curve of output wavelength change of each sensing unit and external load
表1 傳感器各傳感單元的標定系數(shù)及初始波長
表2 傳感器的標定指標及準確度等級
為檢驗六向壓應力傳感器的測試效果,依托平煤股份八礦開展了流變應力恢復法地應力測試,測試地點位于己15-15060機巷底抽巷,如圖6所示。根據(jù)地質資料,己15-15060采面位于己五采區(qū)西翼下部,東起己五采區(qū)上山,西至十勘探線以東174 m附近,南鄰正在回采的己16-15060、17-15060采面,北部尚未開采;采面標高為-506~-560 m,地面標高+74~+76 m,埋藏深度為580~636 m。己15煤層直接頂為深灰色厚層狀砂質泥巖,厚約7.0 m,層理明顯,含植物葉片化石碎片及白云母片。基本頂為淺灰色中細粒砂巖,含白云母碎片具條帶緩波層理。煤層直接底為泥巖,含植物根部化石,遇水易膨脹,基本底為薄層狀灰色砂質泥巖含白云母片,中部夾有細砂巖,含菱鐵質結核。
圖6 流變應力恢復法地應力測點位置Fig.6 Location of in-situ stress measurement points by rheological stress recovery method
如圖7所示,流變應力恢復法地應力測孔位于巷道幫部,距離底板約1.4 m,設計孔深25 m、孔徑130 mm,鉆孔傾角為0°,為保證鉆孔成孔質量,采用取芯鉆頭打孔。如圖8所示,流變應力恢復法地應力測試過程主要包括:①圍巖鉆孔,根據(jù)流變應力恢復法的測試要求,傳感器埋設深度需不小于5倍巷寬,測點巷寬為4.6 m,因此埋設深度需不小于23 m,由于孔底有巖渣殘留,傳感器的實際埋設深度為23.6 m,滿足測試要求;②傳感器安裝,首先將六向壓應力傳感器與固定固件相連接,放入孔口,然后將定向組件與固定組件連接開始推送傳感器,進而依次連接推桿,將傳感器逐漸推送至孔底,并利用固定組件上的三維電子羅盤記錄下傳感器的三維姿態(tài),包括方位角、傾角及旋轉角,最后,逐漸將推送桿件及定向組件依次退出孔外,保留傳感器和固定組件在孔中;③注漿回填,首先用止?jié){塞將鉆孔孔口密封,留有注漿孔和排氣孔;然后采用注漿材料將鉆孔充填密實,注漿材料選擇速凝水泥漿,注漿壓力控制在0.2~0.5 MPa,注漿結束時及時沖洗泵和管路,適時拔除注漿管,應用注漿液或水泥砂漿封孔;④應力監(jiān)測,注漿完成后15 d內每天至少測量一次數(shù)據(jù),隨后根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況逐步增加時間間隔,直至傳感器數(shù)據(jù)無明顯變化。
圖7 鉆孔布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of drilling arrangement
圖8 流變應力恢復法地應力測試過程Fig.8 In-situ stress testing process of rheological stress recovery method
流變應力恢復法的應力恢復監(jiān)測過程持續(xù)約180 d,傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)在120 d左右基本達到穩(wěn)定。根據(jù)流變應力恢復法地應力測試原理,由于傳感器實際測試環(huán)境與室內標定環(huán)境的差異,通過室內標定系數(shù)計算得到的傳感單元應力并不能直接用于巖體應力狀態(tài)計算,需要根據(jù)具體測試環(huán)境進行修正。
Liu等[20-21]通過大量的物理模擬試驗研究了傳感器在不同力學性質漿體材料下的實測性能,并提出傳感器傳感單元實測應力的修正公式:σni=αKi(λ-λB)。其中,σni為修正后傳感器傳感單元的實測應力,MPa;Ki為傳感器的室內標定系數(shù),即表1中標定系數(shù);λ和λB分別為傳感器的測試波長和初始波長,nm;α表示傳感器嵌入效應的修正因子,其與水泥漿體的彈性模量Ec有關,物理模型試驗結果表明:α-1=0.133 2Ec+0.042 37。
根據(jù)現(xiàn)場注漿材料制作的試樣,開展了室內單軸抗壓試驗,獲得水泥砂漿的彈性模量Ec=3.96 GPa,泊松比νc=0.19。根據(jù)修正公式可以得到修正因子α=1.05。進而根據(jù)傳感器各傳感單元的波長變化計算得到傳感器各傳感單元的實測應力變化,如圖9所示。
將傳感器的實測應力恢復值代入前述坐標變換公式[式(3)],并換算成大地坐標系下的主應力分量,得到測試地點的地應力大小和方向,如表3所示。
圖9 傳感器各傳感器單元實測應力隨時間變化曲線Fig.9 The curve of the measured stress with time of each sensor unit of the sensor
表3 流變應力恢復法地應力測試結果
流變應力恢復法測得的最大主應力為北東北向,略向下傾斜,與平頂山地區(qū)近期構造應力方向一致[22]。在同一巖層,曾有研究人員在完整巖體中開展了套芯應力解除法地應力測量,其地應力測試結果,如表4所示[21]。對比發(fā)現(xiàn),流變應力恢復法所測主應力大小較應力解除法的略有偏小,但相差不大,方向及傾角基本一致,由此證明基本光纖光柵式六向壓應力傳感器的流變應力恢復法地應力測試的準確性和可靠性。
表4 應力解除法地應力測試結果
(1)六向壓應力傳感器具有良好的線性度和重復性,六個傳感單元各項計量誤差指標均在1.5%范圍內,表明研發(fā)的傳感器具備良好的測量性能,能夠滿足流變應力恢復法地應力測量的需求。
(2)依托平煤股份八礦深部軟巖巷道,開展了流變應力恢復法的地應力測量,測試結果與傳統(tǒng)的套芯應力解除法測試結果基本一致,驗證了六向壓應力傳感器流變應力恢復法地應力測試的準確性和可靠性。