擾動應力監測系統的研發及在馬鞍山礦的應用

李子林，孫歆碩，李 遠，劉子斌

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083； 2.國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100083)

圍巖應力擾動是引起工程失穩和破壞的直接因素，實時應力監測能夠通過應力是否發生突變來預測巖石內部是否出現因施工擾動、不明地質現象造成的工程失穩和破壞。人類對地應力的認知不到百年，而采用儀器等來測量及分析計算地應力僅數十年。20世紀60年代，南非科學家和工業研究委員會(CSIR)首先研制出了三軸孔壁應變計；澳大利亞聯邦科學和工業研究組織力學部研制了技術更為成熟、使用更為普遍的CSIRO型三軸空心包體應變計；水壓致裂法測量巖體應力的理論在1968年提出，該種方法最大的優點是能夠測量深部的應力值，這是其他方法所不能達到的[1]。除了上述方法外，美國學者還提出微應變曲線分析法、鋼弦應力計、鉆孔張裂測量法、非彈性恢復應變測量法和圓柱光彈應變計等。

我國對地應力測量的研究開始于20世紀50年代末。20世紀60年代中期，湖北大冶鐵礦實現了國內首次應力解除測量，成功獲取-80 m處巖體表面的應力[2]；70年代中期后，水利水電部門也開展了大量的應力測量工作；80年代空心包體應變計被引入我國，我國學者對其進行一系列改進，并研制了改進型的空心包體應變計，成功應用于現場測量[3]。1980年，水壓致裂法從美國引進，首次進行了地應力測量[4]。2003年，中國地震局地殼應力研究所謝富仁成功研制輕便型水壓致裂測量設備[5]。

北京科技大學蔡美峰院士團隊一直致力于采用空心包體應變計來實現地應力測量的理論研究和其技術的改進和創新。蔡美峰[6-8]提出了完全溫度補償技術，用于減少乃至消除空心包體應變計在地應力測量過程中由于溫度引起的誤差，即將熱敏電阻放置于測量傳感器附近以同步感受溫度變化，并記錄溫度相關數值，后期采用溫度標定算法消除純溫度變化產生的應變量，極大地消除了由溫度引起的測量精度誤差。李遠等[9]在團隊開發改進出的有線型空心包體應變計的基礎上，研發了瞬接續采型空心包體地應力測試技術，基于蔡美峰教授提出的完全溫度補償思想，同時考慮無線型應變計內置采集板路同時受到溫度而引起的誤差，采用雙溫度補償算法減少乃至消除誤差，實現了原位采集信號的數字化轉換，避免了信號長期監測中的衰減影響；穩定的純凈電源供電設計過濾了電壓不穩造成的數據振蕩，研發出BKD系列原位數字化空心包體應變計，并在多個工程現場成功投入使用。

1 工程概況及系統安裝方案

露天邊坡巖體受工程條件、氣候、地質條件影響較大，環境條件復雜程度超過了地下井巷工程，且溫度變化較大(現場春季日現場環境溫度變化約為20 ℃)。因此露天邊坡巖體監測中除了需要考慮長期監測供電、信號傳輸穩定性外，還要對溫度大幅度變化情況進行設備溫度自補償設計，實現監測系統在溫度強擾動條件下的穩定測試。

監測區域位于安徽省東部馬鞍山市南山礦凹山露天采場，礦床由一億二千萬黏片蒲黃“斷裂火山帶”形成，礦體高度延伸范圍為-214～+175 m。目前，礦坑深為255 m，東西走向約為1 200 m，南北約980 m。年平均氣溫16 ℃左右，年溫度變化范圍為-15～40 ℃，北亞熱帶濕潤性季風氣候，季風明顯，四季分明，溫暖濕潤，雨熱同季，雨量充沛。工程現場按方位設置3個鉆孔，每個鉆孔孔內設孔深分別為5 m和10 m兩個測點。1號測孔、2號測孔設于-30 m處，3號測孔設于-45 m處，詳見圖1。

圖1 測孔位置布置圖Fig.1 Pore location layout

采用窄帶無線數傳方式進行信號傳輸；供電采用12 V防雷穩壓太陽能蓄電池，以實現無人值守并保證雷雨天氣下測試設備安全；采用可續采型采集系統以防止梅雨天氣下太陽能供電不足。信號接收系統位于礦區高程+30 m處，與測點處距離平均為1 km。1號測孔10 m孔深應力計損壞，其余5個應力計正常工作。監測系統布設方案見圖2。

2 巖體擾動應力監測系統

2.1 應變計骨架結構優化

擾動應力監測系統測量地應力的基礎是空心包體應變計法，傳統的空心包體應變計骨架多采用尼龍材料制成，尼龍的耐磨性和抗靜電性都是較理想的空心包體應變計骨架材料，有成本優勢，在早期的空心包體應變計制作中應用廣泛。隨著地應力測量在各種工程作業環境和復雜地質條件下的開展和實施，尼龍材料由于吸水性導致精度和耐光性差、強度較低等問題，難以滿足巖體擾動應力長期監測精度高、時間長、穩定性高等需求。

李遠等[9]研發了瞬接續采型空心包體地應力測試技術，對傳統應變計尼龍骨架進行了優化設計，采用高強度無磁性鋁合金應變計骨架，較好地滿足地應力原位測試技術。在考慮高強度無磁鋁合金應變計骨架結構優缺點的基礎上，結合巖體擾動應力監測的長期性、穩定性和便攜安裝的需要，對應變計骨架結構進行了優化設計，使其能夠對同一鉆孔不同孔深巖體擾動應力進行同時同步監測；新型高強度無磁鋁合金應變計骨架前后兩端設置倒爪，在探頭安裝后能夠在探頭與孔壁兩者之間產生一定的支撐作用，防止監測探頭在安裝和膠結過程中出現松動甚至滑動的現象，保證探頭的膠結質量，傳統CSIRO應變計骨架與新型高強度無磁性鋁合金應變計骨架對比如圖3所示。

圖2 遠程監測系統布設方案Fig.2 Remote monitoring system deployment plan

圖3 三種應變計骨架對比Fig.3 Comparison of three strain gauge skeletons

2.2 巖體擾動應力長期監測中布片方式改進

空心包體應變計地應力測量時，其應變片布置方式為沿圓周等距離(120°)嵌入3組應變花，每組應變花由4支應變片組成，互相間隔45°。以安裝時A片正對y軸方向，如圖4所示。

2.3 基于數字化空心包體技術的巖體擾動應力監測采集系統優化及高精度鉑金熱敏電阻接入

為了提高空心包體應變計的測量精度，增強應力計對溫度的敏感度，改變傳統的空心包體應變計在測溫方法上誤差較大、敏感度較差的現象，李遠等[17]研發了瞬接續采型空心包體地應力測試技術，基于蔡美峰院士提出的完全溫度補償方法，改進了傳統的電橋電路連接方法，提出雙溫度補償法，接入了較原固定電阻更為敏感的鉑金電阻，既消除了采集板路帶來的誤差，又能保證測溫鉑金電阻通道示數與溫度對應關系的線性和穩定性，改進的路線圖見圖5。

圖4 應變片布置方式Fig.4 Strain gauge arrangement

圖5 改進的電橋電路圖Fig.5 Improved bridge circuit diagram

為了消除每個應變計在使用過程中隨溫度變化造成的誤差，在其制作完成后需要進行溫度標定實驗，來尋求溫度與測溫通道示數的函數關系，其中高精度鉑金電阻能工作的溫度范圍很大，為-50～300 ℃，精度可以達到TCR=3 850 ppm/K。

3 監測系統供電與數據傳輸方案選擇

3.1 供電方式選擇

選擇為滿足露天工作環境的供電、防雷、防雨等條件和長期溫度變化條件，供電系統需滿足：①工作溫度-40～+85 ℃，滿足大部分工程環境；②太陽能或交流電快速充電，充電時間短，供電穩定；③12 V和5 V電壓輸出通道，滿足無線模塊和采集板路供電需求；④過壓、過流、過放、短路保護，對監測系統起保護作用。

3.2 無線信號傳輸系統及安裝方法

在應力監測系統長時間的工作中，考慮到監測環境的監測難度以及信號臺安置難度，能同時兼顧環境影響并利用環境優勢，在邊坡巖體實行監測時，選擇AS61-DTU30型窄帶無線數傳傳輸設計，采用無線數傳電臺進行信號的轉化。占用空間小，接線操作便捷，對功率要求不高，能傳輸的距離較遠，在空曠環境下可以達到數千米，環境工作溫度為-40～+85 ℃。

為滿足長期監測需求，無線數傳電臺性能如下：①嵌入高速低功耗單機片和高性能射頻芯片，窄帶傳輸，小功率能達到遠距離；②采用高效的循環交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度高；③體積小巧便捷，RS232/RS485電平與電腦相連，操作簡單易懂；④具有數據加密和壓縮功能，數據量小，對接收顯示端的硬件要求較低；⑤工作溫度-40～+85 ℃，可連接各種SMA發射天線，滿足大部分工程環境要求。

收發射信號系統基本裝置：無線數傳電臺若干；USB轉RS485轉化器若干；無線信號發射和接受天線；12V/5V移動電源一個；太陽能板一個；可供裝置連通的配套電線若干。

安裝由無線傳輸模塊組成的信號發射裝置以及信號接收裝置見圖6和圖7。

圖6 信號發射裝置Fig.6 Signal transmitting device

圖7 信號接收裝置Fig.7 Signal receiving device

將安裝好的發射裝置放置于鐵箱內并將太陽能電池板連接上電源，將線路歸置合理。

受到施工破壞、氣候影響和坡頂廢渣傾倒的影響，2017年3月原安裝的發射裝置以及接收裝置已經不能繼續使用，而且凹山礦場在成為棄坑并持續注水后，水位不斷上升，應施工方要求，為滿足應力監測能長期實現，故將發射系統的地點設置于礦坑外。應力計在制作時，本身具有優良的防水性能，故通過數百米的防水電纜將其與發射系統連接，并將接收系統選置在數百米外接收站，經過實際操作，信號接受良好，數據傳輸穩定。

4 擾動應力監測結果及分析

巖體擾動應力監測的基本公式經過算法優化后推導得到式(1)和式(2)。

(1)

式中：εθ=εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°)為監測探頭同一環向應變片所測得應變和；εZ為監測探頭軸向應變片所測得應變值。

(2)

式中：E為巖體彈性模量，Pa；E1為凝固水泥凈漿彈性模量，Pa；ν為巖體泊松比；ν1為凝固水泥凈漿泊松比；R為巖芯半徑，cm，r為鉆孔半徑，即凝固水泥凈漿圓筒半徑，cm；a為監測探頭半徑，cm。

測點于2017年3月27日調試完畢，1號測孔5 m 孔深應變監測數據見圖8，用雙溫度補償算法，計算出應力監測數據見圖9。

A-軸向微應變平均值；B-環向微應變平均值；C-溫度補償片微應變；D-14通道低溫度系數電阻通道示數圖8 1號測孔5 m孔深應變監測數據Fig.8 5 m hole depth strain monitoring data for No.1 hole

圖9 1號測孔5 m孔深應力監測數據Fig.9 5 m hole depth stress monitoring data of No.1 hole

現場1號測孔5 m孔深監測數據顯示，分別在4月8日后到4月12日前(間隔3天)和4月21日后到4月26日前(間隔4天)出現較長時間數據傳輸中斷現象。分析其原因，調查監測時間段試驗現場天氣記錄及歷史天氣預報，在4月9日和4月22日監測信號傳輸中斷前，有連續多天的陰雨天氣，太陽能蓄電池得不到有效的電量補充，在電量耗盡后系統停止工作。在天氣放晴后太陽能蓄電池重新蓄電，系統恢復工作狀態，斷電后續采數據與斷電前體現出接續性，數據連續規律，在供電電源方面還需要根據現場情況進行必要的改進。根據公式和前期溫度標定數據，推導得到各個測點30 d應力變化值見表1。

根據馬鞍山露天礦邊坡監測數據顯示，在1個月的監測中，受到氣候和坡頂廢渣傾倒的影響，應力變化基本穩定。溫度通道顯示一天中氣溫數據波動但整體溫度呈明顯上升趨勢，各通道經溫度補償后，軸向應力基本保持不變，環向應力變化為1.09～2.53 MPa，與施工情況一致。

表1 各測點30 d應力變化值Table 1 30-day stress change values of each measurement point

圖10 5 m深應力變化圖Fig.10 5 m deep stress change diagram

圖11 10 m深應力變化圖Fig.11 10 m deep stress change diagram

監測后期由于信號接收基站搬遷等原因致使監測數據傳輸中斷，根據項目要求，監測系統已于2018年10月底重新組裝，在接下來將近一個月的持續監測中，得到了新的監測數據，經過計算處理，得到較為穩定的結果，以2號測點為例，5 m深測孔的軸向應力變化范圍為10.4～11.55 MPa，環向應力變化范圍為4.52～5.61 MPa(圖10)；10 m深測孔軸向應力變化范圍為10.84～11.01 MPa，環向應力變化范圍為7.96～8.11 MPa(圖11)。應力變化較為穩定且起伏不大，與施工情況一致。

5 結 語

邊坡巖體擾動應力監測系統通過在安徽馬鞍山凹山露天采場的應用顯示，在1個月的監測中，受到氣候影響和坡頂廢渣傾倒的影響，應力變化基本穩定。溫度通道顯示一天中氣溫數據波動但整體溫度呈明顯上升趨勢，各通道經溫度補償后，軸向應力基本保持不變，環向應力變化為1.09～2.53 MPa，與施工情況一致。根據項目要求，監測系統已于2018年10月底重新組裝，監測探頭在數據間斷近一年后，全部重新恢復數據傳輸，并在處理數據后得到與施工情況一致的環向、軸向應力，整個檢測系統探頭工作性能穩定，數據傳輸性能良好，也證明了系統長期工程現場應用的穩定性和可靠性。