李天宇，李 遠(yuǎn)，秦志暄，吳世兵，劉子斌

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100083)

0 引 言

地下巖體進(jìn)行巷道掘進(jìn)或其他施工作業(yè)時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)擾動(dòng)應(yīng)力可以保障施工安全，避免頂板斷裂、巖爆等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生[1-2]。因此,需要一種科學(xué)精確而又操作簡(jiǎn)易的擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法。地應(yīng)力測(cè)量?jī)H能反映巖體某一個(gè)時(shí)間段一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，但要對(duì)巖體破壞變形特性進(jìn)行研究需要長(zhǎng)期的巖體應(yīng)力資料，通過(guò)應(yīng)力變化來(lái)了解和分析巖石破壞變形的應(yīng)力路徑，因此，擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)成為巖石力學(xué)和深部巖體研究的重要技術(shù)手段。針對(duì)施工作業(yè)中產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力，王浩等[3]使用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)揭露了張雙樓礦西一采區(qū)沖擊失穩(wěn)的充要條件是開采活動(dòng)及礦震擾動(dòng)引起的應(yīng)力偏量超過(guò)煤巖體強(qiáng)度極限；徐文全等[4]基于靜水壓力原理開發(fā)了采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感裝置，該裝置用于神火集團(tuán)梁北煤礦進(jìn)行了擾動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)，結(jié)果表明巷道垂直應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)逐步升高到峰值后急劇降低；目前研究實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)應(yīng)力在不同深度測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)量，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)同一測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，李遠(yuǎn)等[5]、喬蘭等[6]研發(fā)出基于數(shù)字化CSIRO雙溫度補(bǔ)償方法的巖體擾動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并成功的應(yīng)用于安徽東部馬鞍山南山礦凹山露天采場(chǎng)的邊坡巖體擾動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的空心包體應(yīng)變計(jì)，一次安裝可監(jiān)測(cè)三維應(yīng)力張量及方向，監(jiān)測(cè)結(jié)果與巖體真實(shí)應(yīng)力擾動(dòng)情況相吻合。

目前李建賀等[7]、劉寧等[8]運(yùn)用數(shù)值模擬得到了地下硐室圍巖應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)規(guī)律，但需要進(jìn)一步開展理論和工程實(shí)踐研究[7-8]。而現(xiàn)有的擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法傳感器安裝復(fù)雜，操作繁瑣，需要工作人員在工程現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)采集數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的云端實(shí)時(shí)反饋[9-11]，因此,本文以數(shù)字化CSIRO巖體擾動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)為監(jiān)測(cè)設(shè)備，WiFi模塊作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼和傳輸模塊，光纖收發(fā)器和光纜構(gòu)成井下網(wǎng)絡(luò)，使用4G路由器接入網(wǎng)絡(luò)，并配合云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集軟件，共同構(gòu)成在線云平臺(tái)擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)金川鎳礦二礦區(qū)1 150 m水平有軌聯(lián)絡(luò)道實(shí)驗(yàn)洞段的線上擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，截至目前近416 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，測(cè)點(diǎn)位置5 m孔深處軸向應(yīng)力變化3.3 MPa，環(huán)向應(yīng)力變化2.9 MPa；10 m孔深處軸向應(yīng)力變化2.4 MPa，環(huán)向應(yīng)力變化1.2 MPa。在保證擾動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的云端實(shí)時(shí)反饋，研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期準(zhǔn)確的云端監(jiān)測(cè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)云平臺(tái)系統(tǒng)的研發(fā)及構(gòu)建

1.1 擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)在測(cè)點(diǎn)安裝基于完全溫度補(bǔ)償型的空心包體監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)(圖1)。每個(gè)應(yīng)變計(jì)共有14個(gè)應(yīng)變采集通道，其中，1通道～12通道為軸向和縱向應(yīng)變通道，13通道和14通道為溫度通道，用于雙溫度補(bǔ)償[12-13]，消除監(jiān)測(cè)過(guò)程溫度造成的應(yīng)變誤差。該應(yīng)變計(jì)采用斷電續(xù)采型數(shù)字化采集電路以適用擾動(dòng)應(yīng)力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[14]。

圖1 空心包體監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)Fig.1 CSIRO cell of monitoring

1.2 云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

在線云平臺(tái)擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括應(yīng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、在線云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)等部分(圖2)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心組件主要包括空心包體式擾動(dòng)應(yīng)力采集儀、供電模塊、WiFi模塊、光纖收發(fā)器、4G路由器、云平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集軟件(北京科技大學(xué)地應(yīng)力測(cè)試中心開發(fā))等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用光纜有線傳輸數(shù)據(jù)，配合WiFi模塊等數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備達(dá)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的在線傳輸和監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)的云端在線采集。

圖2 在線云平臺(tái)擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of online cloud platformdisturbance stress monitoring system

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝有監(jiān)控?cái)z像頭，可實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況傳回監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成示意圖Fig.3 Integration schematic of monitoring system

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊、路由器、交換機(jī)和光纖收發(fā)器傳輸至云服務(wù)器，云服務(wù)器采集軟件自動(dòng)將采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)文件夾中，用戶可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和拷貝等操作，方便對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。采集軟件界面見圖4，該軟件可根據(jù)需求通過(guò)AT指令遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變計(jì)進(jìn)行設(shè)置[15]。該軟件的工作區(qū)可查看監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，在指令框輸入指令可遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更改應(yīng)變計(jì)的采集模式、采集時(shí)間間隔等；具有查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，更改應(yīng)變計(jì)狀態(tài)并可隨時(shí)調(diào)用云端已采集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件操作界面圖Fig.4 Monitoring system data acquisition software operation interface diagram

2 擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)原理

擾動(dòng)應(yīng)力基于李子林等[16]在馬鞍山凹山鐵礦監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中推導(dǎo)的巖體擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)基本公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)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(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)布設(shè)應(yīng)變片所測(cè)量得到的軸向應(yīng)變和各個(gè)角度的環(huán)向應(yīng)變值。巖體擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)在鉆孔中使用水泥凈漿與圍巖膠結(jié)耦合，監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)所布設(shè)的應(yīng)變片與水泥凈漿直接接觸(中間有一層1 mm厚環(huán)氧樹脂膠層，早期研究指出當(dāng)應(yīng)變片黏結(jié)厚度在0.5～1.0 mm范圍內(nèi)時(shí)，黏結(jié)巖芯顯示的溫度應(yīng)變性能基本相同，所以在本文忽略環(huán)氧樹脂膠膠層對(duì)應(yīng)變片變形性能的影響)，反映凝固后水泥凈漿受巖體擾動(dòng)應(yīng)力變化而產(chǎn)生的應(yīng)變。若將監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)和凝固水泥凈漿層視為一個(gè)整體，根據(jù)彈性力學(xué)原理，計(jì)算模型如圖5所示。在無(wú)限體中有半徑為R1的鉆孔，孔中為應(yīng)變計(jì)和凝固水泥凈漿耦合體，R2為巖體與鉆孔圓點(diǎn)的距離(在計(jì)算模型中，巖體、凝固水泥凈漿、應(yīng)變計(jì)三者處于耦合狀態(tài)并未分離)。

圖5 圍壓狀態(tài)下計(jì)算模型Fig.5 Calculation model under circumferential pressure

現(xiàn)將圍巖壓力等效為無(wú)限體邊界力，設(shè)凝固水泥凈漿層受壓產(chǎn)生的對(duì)孔壁支持力為q(表示為標(biāo)量)。將R1和R2之間的巖體視為一個(gè)圓筒，則有E筒=E∞=E，ν筒=ν∞=ν，由彈性力學(xué)可得式(3)～式(6)。

圓筒中有式(3)和式(4)。

(3)

(4)

無(wú)限體中有式(5)和式(6)。

(5)

(6)

(7)

當(dāng)r=R1時(shí)，將σr|r=R1=-q代入式(7)可得式(8)。

(8)

由平面應(yīng)力問(wèn)題可知，圓筒與無(wú)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(huán)向壓縮產(chǎn)生的對(duì)孔壁的支護(hù)作用對(duì)巖體彈性模量實(shí)際值的影響，會(huì)導(dǎo)致巖體彈性模量室內(nèi)測(cè)量值和實(shí)際值會(huì)有一定的誤差[17-18]。當(dāng)考慮凝固水泥凈漿層抗力時(shí)，在空間上可將凈漿層看作一個(gè)空心圓筒，在平面上可以看作一個(gè)空心圓盤，如圖6所示。假設(shè)凝固水泥凈漿層彈性模量為E0，泊松比為ν0，空心圓盤內(nèi)部壓力為qa，外部壓力qb=q。徑向應(yīng)力大小為式(15)。

圖6 考慮凝固水泥凈漿層抗力影響的計(jì)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(shù)，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(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)算公式，見式(21)。

(εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°))E=

(21)

巖體擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的基本公式可推導(dǎo)為式(22)。

(22)

式中：εθ=εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°)為監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)同一環(huán)向應(yīng)變片所測(cè)得應(yīng)變和；εZ為監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)軸向應(yīng)變片所測(cè)得應(yīng)變值。

M、K0為換算系數(shù)，計(jì)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(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)半徑。彈性模量及泊松比，基于現(xiàn)場(chǎng)同測(cè)點(diǎn)巖體及灌注水泥漿制備的Φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣的單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取，結(jié)合云端監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)及式(22)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)擾動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)。

3 水平擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

金川鎳礦二礦區(qū)1 150 m有軌聯(lián)絡(luò)道位于二礦區(qū)1 150 m水平30行位置，埋深650 m，在此巷道中選取兩個(gè)試驗(yàn)洞段，方位為NE38°38′，分別記為1#試驗(yàn)洞段、2#試驗(yàn)洞段，具體位置如圖7所示。結(jié)構(gòu)面分級(jí)的主要依據(jù)為結(jié)構(gòu)面的規(guī)模。長(zhǎng)度系包括其延展性和連續(xù)性，寬度則反映結(jié)構(gòu)面的大小[19-20]。對(duì)一個(gè)工程區(qū)而言，結(jié)構(gòu)面的寬度要比其長(zhǎng)度重要，因?yàn)槌^(guò)工程范圍的長(zhǎng)度或超越具體工程部位的結(jié)構(gòu)面對(duì)工程無(wú)直接意義，當(dāng)然長(zhǎng)度與寬度之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。寬度對(duì)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(guò)程揭露的巖石條件來(lái)看(圖8)，含有大量的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面和Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。由于項(xiàng)目所選試驗(yàn)孔分布在1#試驗(yàn)洞段和2#試驗(yàn)洞段內(nèi)，所以本文僅對(duì)試驗(yàn)洞段的地質(zhì)條件進(jìn)行分析。

圖7 1 150 m有軌聯(lián)絡(luò)道實(shí)驗(yàn)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(lián)絡(luò)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(yàn)洞段巖性單一，主要為肉紅色的花崗巖γs，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物組成為正長(zhǎng)石、石英。巖體的節(jié)理十分發(fā)育，巖體十分破碎。2#試驗(yàn)洞地質(zhì)條件差，巖性復(fù)雜，主要巖性有大理巖ML、綠泥石片巖Sc-qc、輝長(zhǎng)巖γ、黑云母綠泥石片巖Sc-c1，蝕變強(qiáng)烈，局部可見金屬硫化物，礦化分布不均勻，巖石較破碎，結(jié)構(gòu)面的線密度9條/m。

3.2 擾動(dòng)應(yīng)力云端監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

鉆取實(shí)驗(yàn)鉆孔至設(shè)計(jì)位置。試驗(yàn)區(qū)域巖體的節(jié)理十分發(fā)育，巖體十分破碎，所以在試驗(yàn)洞段利用地質(zhì)鉆機(jī)施工打鉆時(shí)，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(guò)程就會(huì)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。故設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(yàn)區(qū)域鉆孔取芯情況Fig.9 Core drilling in 1# test area

試驗(yàn)孔深為5 m、10 m處分別埋設(shè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備(圖10)。用速凝水泥漿堵住洞口，并預(yù)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(shè)備內(nèi)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)見圖11。從主光纜分離出測(cè)點(diǎn)所需光纖與拉往測(cè)點(diǎn)處光纜熔接，在測(cè)點(diǎn)處利用尾纖將監(jiān)測(cè)所用光纜與光纖收發(fā)器A端相連，光纖收發(fā)器使用網(wǎng)線與井下路由器連接，WiFi模塊使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接路由器，由于礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)為全封閉內(nèi)網(wǎng)，因此在機(jī)房端分離出測(cè)點(diǎn)光纖連接光纖收發(fā)器B端之后，使用4G路由器配合無(wú)線網(wǎng)卡將網(wǎng)絡(luò)并入以太網(wǎng)。

圖10 監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)示意圖Fig.10 Monitoring equipment buried schematic

圖11 鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Drilling construction site

3.3 擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5 m、10 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)出廠前室內(nèi)溫度標(biāo)定結(jié)果如圖12和圖13所示。監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)安裝完成后，設(shè)置采集間隔為30 min/次。根據(jù)雙溫度補(bǔ)償方法，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試所用C20水泥，采用水灰比0.65∶1水泥凈漿試塊-應(yīng)變片-環(huán)氧樹脂膠層耦合體，測(cè)得耦合體軸向溫度補(bǔ)償值為15.925 με/℃，環(huán)向溫度補(bǔ)償值為44.425 με/℃，采用雙溫度補(bǔ)償算法，分別得到孔深5 m和10 m的應(yīng)變變化，如圖14和圖15所示。

圖12 5 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)室內(nèi)溫度標(biāo)定曲線Fig.12 Indoor temperature calibration curve of 5 m borehole depth

圖13 10 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)室內(nèi)溫度標(biāo)定曲線Fig.13 Indoor temperature calibration curve of 10 m borehole depth

圖14 5 m孔深應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.14 Strain monitoring data of 5 m borehole depth

圖15 10 m應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.15 Strain monitoring data of 10 m borehole depth

由圖14和圖15可知，監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)從2018年3月安裝后截至2019年3月8日共計(jì)371 d的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于工程現(xiàn)場(chǎng)原因，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，另外5 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)由于環(huán)向1號(hào)應(yīng)變片在監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)異常漂移值，故舍棄該應(yīng)變片的環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)。但是數(shù)據(jù)整體性具有代表性，能夠反映測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化量及變化趨勢(shì)。此外，10 m孔深監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變均呈先下降后上升趨勢(shì)，環(huán)向應(yīng)變變化量和變化速度均明顯高于軸向應(yīng)變，其中環(huán)向應(yīng)變1在監(jiān)測(cè)初期減少了-500個(gè)微應(yīng)變左右后開始增加到后期的+3 000個(gè)微應(yīng)變，最大變化量為+3 500個(gè)微應(yīng)變左右；環(huán)向應(yīng)變2和環(huán)向應(yīng)變3在監(jiān)測(cè)初期均減少到-1 500個(gè)微應(yīng)變左右后開始增加，到后期環(huán)向應(yīng)變2增加到+3 000個(gè)微應(yīng)變，最大變化量為+4 500個(gè)微應(yīng)變左右；環(huán)向應(yīng)變3增加到+2 000個(gè)微應(yīng)變，最大變化量為+3 500個(gè)微應(yīng)變左右；軸向應(yīng)變變化量較小，約+600個(gè)微應(yīng)變左右。13通道溫度傳感器通道示數(shù)穩(wěn)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(nèi)溫度標(biāo)定公式可以求出對(duì)應(yīng)溫度值最高為25.6 ℃，最低值為24.4 ℃，滿足氣候變化趨勢(shì)及地下巖體環(huán)境特征；14通道溫度傳感器通道示數(shù)穩(wěn)定中有小幅度減小，示數(shù)大小和變化趨勢(shì)與13通道幾乎相同，由高精度溫度傳感器室內(nèi)溫度標(biāo)定公式可以求出對(duì)應(yīng)溫度值最高為24 ℃，最低值為22.7 ℃，從13通道溫度傳感器測(cè)出的溫度和14通道溫度傳感器測(cè)出的溫度可以得到，孔深10 m處應(yīng)變計(jì)內(nèi)外溫度大約相差1.6 ℃。相較于5 m孔深應(yīng)變計(jì)，10 m孔深應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在2018年6月27日左右應(yīng)變計(jì)應(yīng)變片受擾動(dòng)影響較大，數(shù)據(jù)產(chǎn)生較為明顯波動(dòng)。

選用現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)注漿，制取水泥凈漿試樣(圖16)，通過(guò)單軸加載試驗(yàn)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(yàn)Fig.17 Uniaxial test of cement net slurry test block

通過(guò)以上3個(gè)試塊的彈性模量、泊松比取平均值，得到C20水泥凈漿在養(yǎng)護(hù)期滿后的彈性模量為23.71 GPa，泊松比為0.14。同理，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得同測(cè)點(diǎn)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(guò)應(yīng)力應(yīng)變換算公式，得到測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化如圖18所示。

由圖18(a)可知，5 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)在持續(xù)近416 d的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，雖然因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工影響及電源故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷大約79 d(116～137 d時(shí)段共計(jì)21 d，150～208 d時(shí)段共計(jì)58 d)，但從整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程來(lái)看，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具備良好的規(guī)律性，5 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)布設(shè)點(diǎn)的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力在監(jiān)測(cè)初期(0～45 d)均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，其中環(huán)向應(yīng)力下降0.29 MPa，軸向應(yīng)力下降0.16 MPa，之后的321 d(45～366 d)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力持續(xù)增加，且增速逐漸減小，在366～371 d監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，軸向應(yīng)力下降0.3 MPa，環(huán)向應(yīng)力下降0.1 MPa，371～404 d時(shí)段內(nèi)環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，處于交替的下降和上升變化過(guò)程中，但整體趨勢(shì)表現(xiàn)為迅速增大，其中，軸向應(yīng)力共增加2.1 MPa，環(huán)向應(yīng)力共增加2 MPa。

由圖18(b)可知，10 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)中斷和接續(xù)時(shí)間與5 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)保持一致，監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力在0～45 d時(shí)段均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，其中，環(huán)向應(yīng)力下降0.18 MPa，軸向應(yīng)力下降0.19 MPa，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力均不斷增大，增速有緩慢下降趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)進(jìn)行至112 d和146 d時(shí)，10 m處應(yīng)變計(jì)受到明顯擾動(dòng)，在圖(18)中體現(xiàn)為應(yīng)力曲線明顯的跳動(dòng)，截至目前416 d的持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)10 m測(cè)點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力相比安裝時(shí)增加了約1.2 MPa，軸向應(yīng)力增加了約2.4 MPa。

圖18 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線Fig.18 Stress monitoring curve of measurement point

4 結(jié) 論

針對(duì)目前深部地應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題，通過(guò)自主研發(fā)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)研究，提出構(gòu)建基于空心包體應(yīng)變法的擾動(dòng)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要結(jié)論如下所述。

1) 開發(fā)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，使用特定采集軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和存儲(chǔ)。利用該采集軟件可遠(yuǎn)程對(duì)監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行采集模式和采集頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)按實(shí)際需求隨時(shí)進(jìn)行測(cè)試模式的更改。

2) 擾動(dòng)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，在保證精確測(cè)量的前提下，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期無(wú)人監(jiān)測(cè)，有效減少了人工成本；擾動(dòng)應(yīng)力的云端實(shí)時(shí)反饋，提高了應(yīng)力監(jiān)測(cè)的便捷性，增加了施工現(xiàn)場(chǎng)的安全系數(shù)，實(shí)用性強(qiáng)，具有重要的參考價(jià)值。

3) 在金川鎳礦二礦區(qū)1 150 m水平課題組前期安裝的擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)井下光纜、光纖收發(fā)器、路由器和自研發(fā)的WiFi模塊等，構(gòu)建了數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳的新型應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并成功在遠(yuǎn)程云平臺(tái)實(shí)施，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)云端安裝，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)組建硬件服務(wù)器的成本，為后續(xù)其他項(xiàng)目應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)入網(wǎng)上傳提供接口和平臺(tái)。

4) 通過(guò)對(duì)比金川鎳礦二礦區(qū)1 150 m水平5 m處和10 m處的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在監(jiān)測(cè)時(shí)間處于0～371 d時(shí)段內(nèi)，5 m孔深處和10 m孔深處的監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)所測(cè)得的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，都處于持續(xù)增加狀態(tài)，且10 m孔深處應(yīng)力變化值較大。監(jiān)測(cè)時(shí)間處于371～404 d時(shí)段內(nèi)，10 m孔深監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)應(yīng)力數(shù)據(jù)仍持續(xù)增加，但5 m孔深處應(yīng)變計(jì)受到明顯擾動(dòng)，且由數(shù)據(jù)可看出該擾動(dòng)具有很強(qiáng)的循環(huán)特征，循環(huán)周期約為4.2 d，對(duì)比5 m孔深處和10 m孔深處應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合擾動(dòng)特征推測(cè)巷道淺層圍巖在該時(shí)段內(nèi)可能受到了施工影響，具體擾動(dòng)原因需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行確認(rèn)。