徐 帥 韓明飛 李家后 田 猛 楊 敏

（深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819）

在深部開采過程中，原生應(yīng)力場(chǎng)指的是未開挖或未受到開挖影響的原巖體所處的應(yīng)力平衡狀態(tài)，而受開挖卸荷影響導(dǎo)致原生應(yīng)力場(chǎng)從原始平衡狀態(tài)過渡到新平衡狀態(tài)被稱為次生應(yīng)力場(chǎng)。次生應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)于原生應(yīng)力場(chǎng)的改變值被稱為相對(duì)應(yīng)力［1］。可見，相對(duì)應(yīng)力屬于受開采卸荷而動(dòng)態(tài)變化的值。原生地應(yīng)力是存在于巖層內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力，開挖卸荷導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的調(diào)整而產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)力。原巖應(yīng)力反映了巖體開挖前所處的天然應(yīng)力狀態(tài)，是影響巖石工程開挖變形和破壞的根本作用力。原巖應(yīng)力是確定工程巖體力學(xué)屬性、圍巖穩(wěn)定性分析、巖石開挖設(shè)計(jì)和科學(xué)決策的重要基礎(chǔ)。原巖應(yīng)力的大小和方向影響著開挖空間的穩(wěn)定，進(jìn)而影響到工程開挖效率和支護(hù)成本，影響工程位置和開挖參數(shù)的選擇。相對(duì)應(yīng)力是引起工程失穩(wěn)、變形與破壞和應(yīng)力調(diào)整等一切工程災(zāi)害事故的直接原因。因此，地應(yīng)力的測(cè)量在地下工程的施工中是非常重要的內(nèi)容。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外已有80多座礦山進(jìn)入了深部開采，部分金礦開采深度已達(dá)4 000 m，礦體延深6 000 m以上?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)預(yù)計(jì)有30多座礦山進(jìn)入了1 000 m以下的深部開采。地應(yīng)力與開采深度的平方成正比，因而深部開采過程中原巖應(yīng)力更高，開挖卸荷帶來的相對(duì)應(yīng)力的數(shù)值也越大，高地應(yīng)力帶來的工程災(zāi)害更加頻繁。一般地絕對(duì)應(yīng)力的測(cè)量有應(yīng)力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落觀測(cè)法、簡(jiǎn)單理論計(jì)算等方法。但進(jìn)行某一深度的地應(yīng)力值測(cè)量時(shí)，必須先進(jìn)行深部鉆孔，作用范圍也是在巷道、隧道中進(jìn)行，測(cè)量工序繁雜，測(cè)量成本較高，因此，絕對(duì)應(yīng)力的測(cè)量實(shí)際工程中通常在有限地點(diǎn)進(jìn)行，獲得區(qū)域大概的絕對(duì)應(yīng)力數(shù)值，為工程布置、支護(hù)等提供參考，為基于數(shù)值計(jì)算進(jìn)行區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的反演、模擬提供支撐。相對(duì)相力是對(duì)某地點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，相對(duì)應(yīng)力測(cè)量是測(cè)量某位置點(diǎn)不同時(shí)刻地應(yīng)力的變化值，相對(duì)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果反映了開挖工程受到地應(yīng)力的改變值，為開采工程支護(hù)、穩(wěn)定性分析、工程災(zāi)害預(yù)警與調(diào)控提供支撐。由此可見，相對(duì)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)對(duì)于了解深部地應(yīng)力的遷移和演化規(guī)律、掌握深部工程災(zāi)害的孕育、發(fā)展與災(zāi)變的機(jī)理意義重大。

本文通過文獻(xiàn)分析，介紹現(xiàn)有的鉆孔應(yīng)力計(jì)、剛性空心包體應(yīng)力計(jì)、基于光纖光柵的應(yīng)力測(cè)量方式的原理、使用步驟、適用條件和特點(diǎn)。通過對(duì)比分析三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前的5G+互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)快速發(fā)展的特點(diǎn)，提出了相對(duì)地應(yīng)力測(cè)量的改進(jìn)方法和發(fā)展趨勢(shì)。本研究可為深部資源開采過程中開展相對(duì)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)、設(shè)備研發(fā)和工程應(yīng)用提供有益的借鑒。

1 液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)

1.1 液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)的測(cè)量原理

按照顯示的示數(shù)讀取種類與方式劃分液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)，可以分為直讀式鉆孔應(yīng)力計(jì)（KS型）和鋼弦式鉆孔應(yīng)力計(jì)（KSE型）。兩者的區(qū)別就在于應(yīng)力信號(hào)的表達(dá)方式不同：KS型將油壓顯示在壓力表上；而KSE型則是通過使用試驗(yàn)測(cè)算出來的“鋼弦振動(dòng)頻率—壓力”的函數(shù)換算關(guān)系式，把應(yīng)力枕內(nèi)的油壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殇撓业恼駝?dòng)頻率，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集的難度。

將液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)合理安裝好后，當(dāng)鉆孔內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，該應(yīng)力通過以擠壓應(yīng)力枕兩邊的包裹體的形式將力傳遞到應(yīng)力枕；引起應(yīng)力枕內(nèi)部的液壓油的油壓改變。KS型鉆孔應(yīng)力計(jì)內(nèi)部液體壓力經(jīng)油管傳遞到壓力表，進(jìn)而可以在壓力表上讀出孔內(nèi)應(yīng)力變化量；KSE型鉆孔應(yīng)力計(jì)內(nèi)的液體壓力通過油管將應(yīng)力施加到“壓力—頻率”轉(zhuǎn)換器，把油壓信號(hào)變成換算后的鋼弦振動(dòng)的頻率，之后將頻率信號(hào)導(dǎo)入數(shù)字顯示儀中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終顯示出鉆孔內(nèi)應(yīng)力的變化量。圖1（a）為KS型鉆孔應(yīng)力計(jì)組成圖，圖1（b）為KS型鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)物圖。

1.2 液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀

液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)用較為普遍，如躍進(jìn)煤礦采用KSE型鋼弦應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)，獲得相對(duì)應(yīng)力變化曲線，通過與礦壓監(jiān)測(cè)分析理論的聯(lián)合應(yīng)用，推算出工作面超前支撐的應(yīng)力大小與分布范圍［2］；南屯煤礦利用鋼弦鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)超前支撐面的壓力分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)采集、終端處理以及結(jié)合理論分析得出最有可能誘發(fā)產(chǎn)生沖擊地壓的高風(fēng)險(xiǎn)階段，預(yù)先設(shè)計(jì)合理的規(guī)避措施，從而避免了沖擊地壓引起一系列災(zāi)害的發(fā)生［3］；冬瓜山深井銅礦將鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，將深井高應(yīng)力礦床開采過程中地壓活動(dòng)情況及時(shí)掌握，研究巖爆與礦巖壓力及變形之間的關(guān)系和規(guī)律，指導(dǎo)礦山安全高效生產(chǎn)［4］。

1.3 液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)的主要測(cè)量步驟

以KSE型液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)為例，應(yīng)用步驟如下：

（1）液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)的主要參數(shù)。量程取0～20 MPa；鉆孔應(yīng)力枕的厚度取38 mm，最大直徑不大于42 mm，有效工作長(zhǎng)度取220 mm，適應(yīng)鉆孔直徑取45～50 mm。

（2）檢查。先檢驗(yàn)應(yīng)力計(jì)的功能完整情況，若能進(jìn)行正常工作再進(jìn)行安裝。

（3）安裝與連接。將鉆孔應(yīng)力計(jì)安置在鉆孔內(nèi)，必要時(shí)進(jìn)行空隙充填，然后將壓力泵的注油管螺帽與鉆孔應(yīng)力計(jì)的注油嘴連接緊密，連接數(shù)字顯示儀的測(cè)量電纜與信號(hào)轉(zhuǎn)換器電纜，將數(shù)字顯示器電源接通后，信號(hào)轉(zhuǎn)換器的鋼弦振動(dòng)頻率應(yīng)該穩(wěn)定顯示。

（4）數(shù)據(jù)采集。測(cè)量并記錄鉆孔應(yīng)力計(jì)的初始頻率f0（應(yīng)力計(jì)無載荷的情況下），之后每隔固定時(shí)間去讀取應(yīng)力計(jì)示數(shù)f（應(yīng)力計(jì)有載荷的情況下）。

（5）數(shù)值計(jì)算。將步驟（4）測(cè)得的f代入下式：

式中，P為應(yīng)力枕內(nèi)液體的壓力，MPa；C為應(yīng)力計(jì)常數(shù)，各應(yīng)力計(jì)有其特定的C值，可從表1中讀??；f0為無載荷時(shí)的頻率，Hz；f為應(yīng)力計(jì)有荷載時(shí)的頻率，Hz。

KSE型鉆孔應(yīng)力計(jì)屬于柔性測(cè)量傳感器，受被測(cè)鉆孔介質(zhì)彈性模量的影響，其測(cè)量靈敏度隨介質(zhì)彈性模量的增加而相應(yīng)地下降，因此需要對(duì)所計(jì)算出的壓力枕內(nèi)液體壓力進(jìn)行靈敏度修正。鉆孔內(nèi)最終應(yīng)力的計(jì)算式為

式中，σ為鉆孔內(nèi)應(yīng)力，MPa；α為靈敏度系數(shù)，可由圖2查得；E為鉆孔孔壁巖石的彈性模量［5］。

1.4 適用條件

液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)適用于對(duì)精度要求不高但需要監(jiān)測(cè)范圍較大的監(jiān)測(cè)區(qū)域中，既可降低監(jiān)測(cè)成本，也可以取得一定的監(jiān)測(cè)效果。

1.5 評(píng) 價(jià)

液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)具有安裝簡(jiǎn)單、制作成本低、適用范圍廣、可推廣性強(qiáng)、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。鉆孔應(yīng)力計(jì)的缺點(diǎn)是需要人工讀表計(jì)數(shù)，誤差偏大；安裝到鉆孔后，其膨脹條件不足以使其與鉆孔壁保持緊密貼合，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)顯示的讀數(shù)與真實(shí)值誤差較大。

2 空心包體應(yīng)力計(jì)

2.1 空心包體應(yīng)力計(jì)的測(cè)量原理

剛性空心包體應(yīng)力計(jì)主要是由一個(gè)硬質(zhì)的空心圓柱及其中起到壓力傳感作用的應(yīng)變片組成，在使用時(shí)應(yīng)先在測(cè)量點(diǎn)打一個(gè)可以將空心圓柱擠壓進(jìn)去的鉆孔，二者要保持緊密接觸，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

根據(jù)理論分析，如果一個(gè)剛性包體位于無限體中，周圍發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，在剛性包體中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)是均勻分布的，它的大小和周圍的應(yīng)力變化有一定的比例關(guān)系，如果巖體中的x方向應(yīng)力變化了σx，那么在剛性包體中就會(huì)在同一方向產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化，它們之間的關(guān)系滿足下述公式［6］。

式中，E、E'分別為巖體和剛性包體的彈性模量；υ、υ'分別為巖體和剛性包體的泊松比。

液壓式空心包體應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如圖3所示。當(dāng)鉆孔周圍巖體的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，會(huì)擠壓空心包體應(yīng)力計(jì)，而應(yīng)力計(jì)的中間部位是裝有油水混合物的中心槽，當(dāng)其發(fā)生變形后會(huì)引起液壓發(fā)生變化，而這種變化可以傳遞到端部的薄膜上，由其上附著的電阻應(yīng)變片測(cè)量并記錄下來。

2.2 空心包體應(yīng)力計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀

空心包體應(yīng)力計(jì)是基于套孔應(yīng)力解除法測(cè)量地應(yīng)力的儀器，多用于地下開采、隧道開挖、圍巖邊坡等工程中的的相對(duì)地應(yīng)力測(cè)量。根據(jù)壓力測(cè)試原理的不同，剛性包體應(yīng)力計(jì)可分為以下幾種：壓磁式應(yīng)力計(jì)、液壓式應(yīng)力計(jì)、光彈式應(yīng)力計(jì)、電阻應(yīng)變片式應(yīng)力計(jì)、鋼弦應(yīng)力計(jì)。除鋼弦應(yīng)力計(jì)外，其他類型的應(yīng)力計(jì)因靈敏度較低，不符合工程測(cè)量需要，在20世紀(jì)80年代后，被逐步淘汰。

在工程中其可與BA-Ⅱ型松動(dòng)圈測(cè)試儀、定向儀、礦山壓力記錄分站和率定儀等聯(lián)合使用形成整套的相對(duì)地應(yīng)力測(cè)量體系，進(jìn)行全方位的相對(duì)地應(yīng)力測(cè)量和分析。例如，喬蘭等在對(duì)三山島金礦采空區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，便使用到了完全溫度補(bǔ)償?shù)目招膽?yīng)變技術(shù)的套孔應(yīng)力解除法，并且測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確可信；對(duì)平煤十礦地應(yīng)力的測(cè)量時(shí)蔡美峰等人用到了三維套孔應(yīng)力解除技術(shù)，及具有補(bǔ)償功能的空心包體應(yīng)變計(jì)，并利用數(shù)值模擬技術(shù)研究圍巖應(yīng)力隨著采礦過程的變化［7］。

2.3 空心包體應(yīng)力計(jì)的主要測(cè)量

（1）打大孔。用鉆頭直徑為76 mm的鉆機(jī)在圍巖鉆出應(yīng)力解除孔，鉆孔深度應(yīng)調(diào)整至不受環(huán)境圍巖場(chǎng)影響。

（2）打小孔。用φ36 mm的小鉆頭打出50 cm深的一段小鉆孔，特制的液壓鉆具在不同深度上開有泄水孔，水壓的變化反映出鉆孔的深度，從而保證打出的小孔可用。

（3）裝儀器。用砂紙將空心包體外側(cè)圓柱面打毛，使其更加光滑以減小誤差；按照一定的比例配置好粘結(jié)劑，并倒入適量的粘結(jié)劑在空心包體的空腔內(nèi)，固定，將包體安裝在定向器中，用鉆桿緩慢送入大孔中，記錄下長(zhǎng)度，在剩余5 cm時(shí)應(yīng)注意慢推，否則會(huì)造成包體不能夠順利進(jìn)入小孔。當(dāng)包體的前端進(jìn)入小孔約20 cm時(shí)，應(yīng)將探頭和安裝器脫鉤，之后包體便可以成功安裝進(jìn)入小孔。

（4）獲取數(shù)據(jù)。包體安裝20 h左右，環(huán)氧樹脂固化。將安裝器從鉆孔中取出，其中的電子羅盤記下探頭安裝角，即為應(yīng)力計(jì)的安裝角。

（5）解應(yīng)力。應(yīng)變儀在井下到達(dá)預(yù)定時(shí)間后，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，開始測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。此時(shí)按預(yù)定深度緩慢鉆進(jìn)，進(jìn)行套芯解除，一段時(shí)間后，當(dāng)讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)每隔10 s進(jìn)行1次讀數(shù)，連續(xù)記錄10 h以上，到達(dá)預(yù)定深度后，結(jié)束讀數(shù)，并將包含包體的巖芯折斷，取出其中的剛性包體，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步對(duì)其巖性描述。

（6）重復(fù)測(cè)量。根據(jù)需要，重復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量［8］。

2.4 適用條件

空心包體應(yīng)力計(jì)多用于對(duì)相對(duì)應(yīng)力測(cè)量精度要求較高的檢測(cè)區(qū)域中。目前廣泛使用的為KX-81型空心包體應(yīng)力計(jì)，在完整性較差的巖體中測(cè)量表現(xiàn)優(yōu)異，操作方便，多適用于對(duì)相對(duì)地應(yīng)力的細(xì)測(cè)。在應(yīng)力解除過程中使用完全溫度補(bǔ)償，可以有效保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，能夠在很大程度上消除溫度等環(huán)境因素所產(chǎn)生的影響［9］。

2.5 評(píng) 價(jià)

剛性包體應(yīng)力計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，因此多用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力變化的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其在單孔中通過一次套芯解除便能得到所測(cè)位置的三維應(yīng)力狀態(tài)，多次重復(fù)使用的話更能提高測(cè)試的可信度和準(zhǔn)確性，是目前最為實(shí)用、準(zhǔn)確的一種工程地應(yīng)力測(cè)試工具［10］。但是它也存在很多缺點(diǎn)，比如只能測(cè)量與鉆孔平面垂直的單向或雙向的應(yīng)力變化，而無法直接測(cè)量出原巖應(yīng)力的大小。剛性包體應(yīng)力計(jì)的造價(jià)過高，測(cè)量費(fèi)用昂貴且無法回收，造成其難以大范圍使用?？招陌w應(yīng)力計(jì)在鉆頭粘貼材料同圍巖力學(xué)性質(zhì)不匹配時(shí)易出現(xiàn)軸向應(yīng)力偏大現(xiàn)象，造成測(cè)量結(jié)果不可靠的問題。

3 光纖光柵應(yīng)力傳感器

3.1 光纖光柵應(yīng)力傳感器的測(cè)量原理

光纖布拉格陣列的檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括彈性和彈性變形效應(yīng)、熱和熱光膨脹效應(yīng)以及由磁場(chǎng)誘導(dǎo)的法拉第效應(yīng)。由于這些基本效應(yīng)，光纖布拉格光纖陣列可以由“光纖傳感器”和檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)組成，以檢測(cè)多種參數(shù)，例如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、壓力、振動(dòng)磁場(chǎng)和電流。

光纖由石英、涂層和中間層組成（見圖4）。通過處理所述涂層的折射率中心層來獲得所述中心層的折射率，所述光可以通過形成2維波導(dǎo)而擴(kuò)散到所述中心。

光纖光柵傳感的基本原理是布拉格反射。當(dāng)光波傳輸通過布拉格光柵時(shí)，反射符合布拉格反射條件的光，入射光就會(huì)分成反射光和傳輸光。布拉格陣列的反射或傳輸波長(zhǎng)取決于反向耦合模塊的有效折射率N和陣列的周期扭轉(zhuǎn)，任何改變這兩個(gè)參數(shù)的物理過程都會(huì)導(dǎo)致陣列的布拉格波長(zhǎng)漂移。其測(cè)量能檢測(cè)外部物理量的變化。光柵中心波長(zhǎng)λE與應(yīng)變?chǔ)偶皽囟萒的關(guān)系［11］為

式中，λE為光柵中心波長(zhǎng)；Pe為彈光系數(shù)；ε為光柵的軸向應(yīng)變；α、ζ為熱光系數(shù)。

光纖光柵應(yīng)力傳感器根據(jù)光纖光柵傳感原理制作。

3.2 光纖光柵應(yīng)力傳感器的研究現(xiàn)狀

光纖網(wǎng)絡(luò)傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來的前沿應(yīng)用學(xué)科，光纖傳感信號(hào)和光纖傳輸信號(hào)的應(yīng)用是自動(dòng)監(jiān)測(cè)的前沿技術(shù)。光纖陣列傳感器可用于煤礦、油田、滑坡等多種地質(zhì)場(chǎng)合。

近20年來礦井一直靠錨撐著錨桿的強(qiáng)度狀態(tài)反映了整個(gè)采礦通道的機(jī)械狀態(tài)，并為預(yù)防和管理與采礦應(yīng)力有關(guān)的災(zāi)害提供了指導(dǎo)。西安科技大學(xué)柴靜等人應(yīng)用光纖傳感器對(duì)梁應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。通過與電阻應(yīng)變片測(cè)量值的比較，體現(xiàn)出了光纖傳感器穩(wěn)定性好抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

2004年，大連理工大學(xué)李宏男等人使用光纖陣列傳感器監(jiān)測(cè)石油平臺(tái)的健康狀況［12］。同年，電子科技大學(xué)代志勇等人將光纖傳感器監(jiān)測(cè)山崩，并開發(fā)了更合理的山崩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來測(cè)量壓力、空間分辨率和距離。隨后，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的科學(xué)家（史彥新等人［13］）將布拉格網(wǎng)絡(luò)與分布用于監(jiān)測(cè)滑坡的光纖應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來。在整個(gè)巫術(shù)山滑動(dòng)軌道上安裝光纖，以便利用分布式檢測(cè)技術(shù)監(jiān)視和獲取關(guān)于整個(gè)滑動(dòng)軌道的一般信息。布拉格柵極傳感器安裝在導(dǎo)軌變形的主要部分的變形縫隙上，由此可以獲得主部分的地應(yīng)力信息。從點(diǎn)到線對(duì)表面進(jìn)行監(jiān)視，并為滑動(dòng)部分提供相對(duì)完整的應(yīng)力應(yīng)變信息。

3.3 使用步驟

（1）確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布。測(cè)量點(diǎn)的位置和測(cè)量分布模式是根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用確定的，估計(jì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力范圍，計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布概況。

（2）確定各個(gè)測(cè)點(diǎn)處放置的光纖光柵的中心光波波長(zhǎng)大小。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)于光纖陣列的波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于估計(jì)的應(yīng)力分布狀態(tài)，特別是每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的最大應(yīng)力值。在使用分布式檢測(cè)方法時(shí)，在測(cè)量點(diǎn)之間的波長(zhǎng)分布被保證為取決于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的最大應(yīng)力值和應(yīng)力特性的波長(zhǎng)分布。這可以避免在操作過程中串行網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)重疊。

（3）確定傳感器的結(jié)構(gòu)和安裝方式。掩埋和保護(hù)工藝根據(jù)監(jiān)測(cè)要求和實(shí)際工作狀況確定。

（4）確定光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。依據(jù)每個(gè)點(diǎn)的波長(zhǎng)分配間隔的大小，計(jì)算所有測(cè)量點(diǎn)的波長(zhǎng)和間隔變化值之和，然后乘以相應(yīng)的波長(zhǎng)變化系數(shù)，確定每個(gè)點(diǎn)的波長(zhǎng)分配間隔大小。所需光纖陣列解調(diào)器的波長(zhǎng)解調(diào)范圍，并根據(jù)所需測(cè)量精度選擇相應(yīng)的纖維陣列解調(diào)器。

（5）通過試驗(yàn)標(biāo)定光纖光柵傳感器的靈敏度系數(shù)K。據(jù)所選擇的光纖陣列傳感器的結(jié)構(gòu)形狀和安裝模式選擇所述靈敏度系數(shù)K的值，并在解調(diào)軟件中調(diào)節(jié)所述靈敏度系數(shù)的K值，所述測(cè)量結(jié)果直接顯示所述應(yīng)力值。

（6）結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評(píng)估。根據(jù)每個(gè)結(jié)構(gòu)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)力值執(zhí)行特定的編程操作，以確定結(jié)構(gòu)組件的應(yīng)力分布狀態(tài)并警告極端狀態(tài)。

3.4 適用條件

光纖光柵應(yīng)力傳感器在諸如傳輸距離遠(yuǎn)［14］、高腐蝕［15］、高電磁干擾且需要精確測(cè)量和分布式測(cè)量等場(chǎng)所發(fā)揮著重要的作用［16］。在一些與防爆式力學(xué)傳感器相結(jié)合的特殊情況下，用光纖光柵制作應(yīng)力傳感器將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)化成光柵應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量也具有重要的研究?jī)r(jià)值。

3.5 評(píng)價(jià)

光纖光柵有本質(zhì)防爆、無電傳感、化學(xué)性能穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，以其耐腐蝕、抗電磁干擾、高靈敏度、電絕緣性好和可分布式測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)受到很多應(yīng)用場(chǎng)合的青睞。然而，布拉格光纖陣列傳感器的反射光譜不敏感于側(cè)應(yīng)力的影響，很難區(qū)分應(yīng)力和溫度的測(cè)量變化，即應(yīng)用中溫度和應(yīng)力的交叉靈敏度。而且，由于波長(zhǎng)編碼信號(hào)解調(diào)有難度而造成成本過高，在普通領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)全面推廣。

4 相對(duì)應(yīng)力測(cè)量未來發(fā)展趨勢(shì)

4.1 5G+物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展

（1）5G高速通訊。5G通訊技術(shù)（5thgeneration mobile networks）是當(dāng)前移動(dòng)通訊的最新技術(shù)。相對(duì)于當(dāng)前廣泛使用的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率基本實(shí)現(xiàn)了提高100倍，達(dá)到10 Gb/s的目標(biāo)。首先，5G數(shù)據(jù)傳輸更快，可滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸；其次，網(wǎng)絡(luò)延遲低于1 ms，相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)的30～70 ms而言，網(wǎng)絡(luò)延遲下降了50倍；再次，5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)基站能量的消耗更小，節(jié)約能源，成本更低；最后，5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量更大，可以為千億設(shè)備體提供同時(shí)的連接服務(wù)，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信。5G的多用戶、多點(diǎn)、多天線、多攝取的協(xié)同組網(wǎng)特點(diǎn)，以及各個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的靈活調(diào)整，都表明5G通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體協(xié)同化、智能化水平提升。5G網(wǎng)絡(luò)未來在礦山尤其是地下開采礦山的推廣使用，為相對(duì)應(yīng)力的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了條件。

（2）物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡(jiǎn)稱IoT），是利用數(shù)據(jù)傳感器、識(shí)別技術(shù)、定位系統(tǒng)、感應(yīng)器、掃描器等感知器進(jìn)行信息采集，包括控制信息、連接信息、位置信息、生物信息、化學(xué)信息等，基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，建立物與物、物與人的泛在連接，達(dá)到對(duì)目標(biāo)物體和目標(biāo)對(duì)象活動(dòng)過程的智能感知、識(shí)別和管理，物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息作為載體，建立了目標(biāo)對(duì)象間的關(guān)聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，可以為相對(duì)應(yīng)力的智能、協(xié)同采集提供信息技術(shù)基礎(chǔ)。

4.2 基于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)傳感器的智能化改造

5G+互聯(lián)網(wǎng)為礦山智能監(jiān)測(cè)提供了條件，當(dāng)前5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山的建設(shè)剛剛邁出探索性的步伐，全面展開上需要一定的時(shí)間和過程。在當(dāng)前技術(shù)條件下，相對(duì)地應(yīng)力的監(jiān)測(cè)需求是，基于現(xiàn)有的應(yīng)力采集傳感器，研發(fā)一種測(cè)量精度適中，成本不高，且又可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控分析的相對(duì)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。通過研發(fā)新型安裝裝置并設(shè)計(jì)合理的安裝方式，實(shí)現(xiàn)傳感器與被監(jiān)測(cè)巖體的協(xié)調(diào)緊密接觸；利用油電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)油壓與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，開發(fā)應(yīng)力遠(yuǎn)程實(shí)施采集設(shè)備，基于WiFi實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，實(shí)現(xiàn)云端遠(yuǎn)程存儲(chǔ)、集成可視化、智能分析和預(yù)測(cè)預(yù)警，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體如圖5所示。

研發(fā)傳感器安裝套（彈模、材料參數(shù)與傳感器或巖體適配），實(shí)現(xiàn)液壓枕與鉆孔內(nèi)壁的緊密貼合，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)力的靈敏與真實(shí)傳遞。研發(fā)傳感器安裝套相適應(yīng)的的安裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)力等埋入式傳感器的快速簡(jiǎn)便安裝與目標(biāo)信息的高效精準(zhǔn)傳遞?；诂F(xiàn)有相對(duì)應(yīng)力采集傳感器（鉆孔應(yīng)力計(jì)和空心包體計(jì)），利用油電或油壓和頻率轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)液壓枕的油壓數(shù)據(jù)與電信號(hào)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；通過室內(nèi)標(biāo)定，建立電信號(hào)或頻率信號(hào)與油壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)液壓枕應(yīng)力的自動(dòng)采集。研發(fā)的相對(duì)應(yīng)力采集終端，基于WiFi無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與管理。其中無電源環(huán)境采用基于蓄電池的間歇性采集模塊，同樣實(shí)現(xiàn)有電源環(huán)境的高效采集效果?；谠贫吮砻姹O(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)的可視化與預(yù)警功能，將相對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析與展現(xiàn)，并支持動(dòng)態(tài)預(yù)警。

系統(tǒng)特點(diǎn)：基于現(xiàn)有傳感器，利用當(dāng)前的油電轉(zhuǎn)換和油壓與頻率轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息的連續(xù)、自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸、云端存儲(chǔ)和可視化分析；改變了當(dāng)前人工讀取滯后性和人為誤差，為井下災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警提供了一種過渡期解決方案。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有傳感器的快速、緊密安裝，確保傳感器采集信息的準(zhǔn)確可靠。

4.3 基于5G+互聯(lián)網(wǎng)的光纖光柵相對(duì)應(yīng)力智能監(jiān)測(cè)與協(xié)同預(yù)警

相對(duì)應(yīng)力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值，單個(gè)應(yīng)力傳感器智能監(jiān)測(cè)空間某一個(gè)具體位置（x，y，z）處隨時(shí)間t的變化的應(yīng)力值σt=（x，y，z，t）；深部金屬礦床埋深大（1 000 m以下）；走向長(zhǎng)（超過5 000 m）；多中段、多采場(chǎng)同時(shí)作業(yè)，影響范圍大。因此，單點(diǎn)或局部監(jiān)測(cè)不能很好地揭示深部開采過程中相對(duì)應(yīng)力的遷移和演變規(guī)律，因此無法及時(shí)對(duì)巖爆、大變形或大體積塌方等工程災(zāi)害做出預(yù)警和預(yù)報(bào)。因此，基于5G通訊技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合的相對(duì)應(yīng)力智能監(jiān)測(cè)與協(xié)同分析技術(shù)是未來地應(yīng)力監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

利用光纖光柵傳感器替代傳統(tǒng)的鉆孔應(yīng)力計(jì)和空心包體應(yīng)力計(jì)，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)巖體的應(yīng)變、應(yīng)力、乃至溫度、濕度等信息集中化一體采集，工作關(guān)系如圖6所示，基于5G+互聯(lián)網(wǎng)的光纖光柵相對(duì)應(yīng)力智能監(jiān)測(cè)與協(xié)同預(yù)警，改善現(xiàn)有單個(gè)傳感器單點(diǎn)采集的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了單孔全深連續(xù)測(cè)試。測(cè)試獲得的光柵信號(hào)，通過激光調(diào)整解調(diào)與信號(hào)解譯，利用5G通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器間、傳感器與工作人員、運(yùn)行設(shè)備間的精細(xì)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)安全性自動(dòng)預(yù)警與分析。

基于5G+物聯(lián)網(wǎng)的相對(duì)應(yīng)力智能監(jiān)測(cè)與協(xié)同預(yù)警技術(shù)，基于高速低延遲5G技術(shù)，利用人工智能深度學(xué)習(xí)，建立安全預(yù)警分析平臺(tái)，將多點(diǎn)光纖光柵監(jiān)測(cè)信息快速處理分析，開展工作區(qū)域安全性等級(jí)劃分與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備的避險(xiǎn)調(diào)度預(yù)警，為復(fù)雜高風(fēng)險(xiǎn)礦體開采提供安全支撐。

5 結(jié)論

（1）目前3種常用的相對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備：鉆孔應(yīng)力計(jì)、剛性空心包體應(yīng)力計(jì)和光纖光柵應(yīng)力傳感器，就測(cè)量精度和成本上來說，光纖光柵最高，空心包體應(yīng)力計(jì)次之，鉆孔應(yīng)力計(jì)最差。3種設(shè)備使用時(shí)最佳狀態(tài)均需通過注漿方式進(jìn)行安裝，導(dǎo)致設(shè)備安裝程序繁瑣，不可回收。

（2）基于現(xiàn)有礦山通訊網(wǎng)絡(luò)狀況，研發(fā)新型安裝輔助設(shè)備和安裝方法，避免注漿，可以充分發(fā)揮現(xiàn)有低成本監(jiān)測(cè)設(shè)備的功效；利用數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，改造現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備的人工讀取的模式，是當(dāng)前行之有效的發(fā)展方向。

（3）基于5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)光纖光柵相對(duì)應(yīng)力智能設(shè)備，利用人工智能深度學(xué)習(xí)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，開展人員、設(shè)備間智能預(yù)警是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。