扰动应力监测系统的研发及在马鞍山矿的应用

李子林，孙歆硕，李 远，刘子斌

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083； 2.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100083)

围岩应力扰动是引起工程失稳和破坏的直接因素，实时应力监测能够通过应力是否发生突变来预测岩石内部是否出现因施工扰动、不明地质现象造成的工程失稳和破坏。人类对地应力的认知不到百年，而采用仪器等来测量及分析计算地应力仅数十年。20世纪60年代，南非科学家和工业研究委员会(CSIR)首先研制出了三轴孔壁应变计；澳大利亚联邦科学和工业研究组织力学部研制了技术更为成熟、使用更为普遍的CSIRO型三轴空心包体应变计；水压致裂法测量岩体应力的理论在1968年提出，该种方法最大的优点是能够测量深部的应力值，这是其他方法所不能达到的[1]。除了上述方法外，美国学者还提出微应变曲线分析法、钢弦应力计、钻孔张裂测量法、非弹性恢复应变测量法和圆柱光弹应变计等。

我国对地应力测量的研究开始于20世纪50年代末。20世纪60年代中期，湖北大冶铁矿实现了国内首次应力解除测量，成功获取-80 m处岩体表面的应力[2]；70年代中期后，水利水电部门也开展了大量的应力测量工作；80年代空心包体应变计被引入我国，我国学者对其进行一系列改进，并研制了改进型的空心包体应变计，成功应用于现场测量[3]。1980年，水压致裂法从美国引进，首次进行了地应力测量[4]。2003年，中国地震局地壳应力研究所谢富仁成功研制轻便型水压致裂测量设备[5]。

北京科技大学蔡美峰院士团队一直致力于采用空心包体应变计来实现地应力测量的理论研究和其技术的改进和创新。蔡美峰[6-8]提出了完全温度补偿技术，用于减少乃至消除空心包体应变计在地应力测量过程中由于温度引起的误差，即将热敏电阻放置于测量传感器附近以同步感受温度变化，并记录温度相关数值，后期采用温度标定算法消除纯温度变化产生的应变量，极大地消除了由温度引起的测量精度误差。李远等[9]在团队开发改进出的有线型空心包体应变计的基础上，研发了瞬接续采型空心包体地应力测试技术，基于蔡美峰教授提出的完全温度补偿思想，同时考虑无线型应变计内置采集板路同时受到温度而引起的误差，采用双温度补偿算法减少乃至消除误差，实现了原位采集信号的数字化转换，避免了信号长期监测中的衰减影响；稳定的纯净电源供电设计过滤了电压不稳造成的数据振荡，研发出BKD系列原位数字化空心包体应变计，并在多个工程现场成功投入使用。

1 工程概况及系统安装方案

露天边坡岩体受工程条件、气候、地质条件影响较大，环境条件复杂程度超过了地下井巷工程，且温度变化较大(现场春季日现场环境温度变化约为20 ℃)。因此露天边坡岩体监测中除了需要考虑长期监测供电、信号传输稳定性外，还要对温度大幅度变化情况进行设备温度自补偿设计，实现监测系统在温度强扰动条件下的稳定测试。

监测区域位于安徽省东部马鞍山市南山矿凹山露天采场，矿床由一亿二千万黏片蒲黄“断裂火山带”形成，矿体高度延伸范围为-214～+175 m。目前，矿坑深为255 m，东西走向约为1 200 m，南北约980 m。年平均气温16 ℃左右，年温度变化范围为-15～40 ℃，北亚热带湿润性季风气候，季风明显，四季分明，温暖湿润，雨热同季，雨量充沛。工程现场按方位设置3个钻孔，每个钻孔孔内设孔深分别为5 m和10 m两个测点。1号测孔、2号测孔设于-30 m处，3号测孔设于-45 m处，详见图1。

图1 测孔位置布置图Fig.1 Pore location layout

采用窄带无线数传方式进行信号传输；供电采用12 V防雷稳压太阳能蓄电池，以实现无人值守并保证雷雨天气下测试设备安全；采用可续采型采集系统以防止梅雨天气下太阳能供电不足。信号接收系统位于矿区高程+30 m处，与测点处距离平均为1 km。1号测孔10 m孔深应力计损坏，其余5个应力计正常工作。监测系统布设方案见图2。

2 岩体扰动应力监测系统

2.1 应变计骨架结构优化

扰动应力监测系统测量地应力的基础是空心包体应变计法，传统的空心包体应变计骨架多采用尼龙材料制成，尼龙的耐磨性和抗静电性都是较理想的空心包体应变计骨架材料，有成本优势，在早期的空心包体应变计制作中应用广泛。随着地应力测量在各种工程作业环境和复杂地质条件下的开展和实施，尼龙材料由于吸水性导致精度和耐光性差、强度较低等问题，难以满足岩体扰动应力长期监测精度高、时间长、稳定性高等需求。

李远等[9]研发了瞬接续采型空心包体地应力测试技术，对传统应变计尼龙骨架进行了优化设计，采用高强度无磁性铝合金应变计骨架，较好地满足地应力原位测试技术。在考虑高强度无磁铝合金应变计骨架结构优缺点的基础上，结合岩体扰动应力监测的长期性、稳定性和便携安装的需要，对应变计骨架结构进行了优化设计，使其能够对同一钻孔不同孔深岩体扰动应力进行同时同步监测；新型高强度无磁铝合金应变计骨架前后两端设置倒爪，在探头安装后能够在探头与孔壁两者之间产生一定的支撑作用，防止监测探头在安装和胶结过程中出现松动甚至滑动的现象，保证探头的胶结质量，传统CSIRO应变计骨架与新型高强度无磁性铝合金应变计骨架对比如图3所示。

图2 远程监测系统布设方案Fig.2 Remote monitoring system deployment plan

图3 三种应变计骨架对比Fig.3 Comparison of three strain gauge skeletons

2.2 岩体扰动应力长期监测中布片方式改进

空心包体应变计地应力测量时，其应变片布置方式为沿圆周等距离(120°)嵌入3组应变花，每组应变花由4支应变片组成，互相间隔45°。以安装时A片正对y轴方向，如图4所示。

2.3 基于数字化空心包体技术的岩体扰动应力监测采集系统优化及高精度铂金热敏电阻接入

为了提高空心包体应变计的测量精度，增强应力计对温度的敏感度，改变传统的空心包体应变计在测温方法上误差较大、敏感度较差的现象，李远等[17]研发了瞬接续采型空心包体地应力测试技术，基于蔡美峰院士提出的完全温度补偿方法，改进了传统的电桥电路连接方法，提出双温度补偿法，接入了较原固定电阻更为敏感的铂金电阻，既消除了采集板路带来的误差，又能保证测温铂金电阻通道示数与温度对应关系的线性和稳定性，改进的路线图见图5。

图4 应变片布置方式Fig.4 Strain gauge arrangement

图5 改进的电桥电路图Fig.5 Improved bridge circuit diagram

为了消除每个应变计在使用过程中随温度变化造成的误差，在其制作完成后需要进行温度标定实验，来寻求温度与测温通道示数的函数关系，其中高精度铂金电阻能工作的温度范围很大，为-50～300 ℃，精度可以达到TCR=3 850 ppm/K。

3 监测系统供电与数据传输方案选择

3.1 供电方式选择

选择为满足露天工作环境的供电、防雷、防雨等条件和长期温度变化条件，供电系统需满足：①工作温度-40～+85 ℃，满足大部分工程环境；②太阳能或交流电快速充电，充电时间短，供电稳定；③12 V和5 V电压输出通道，满足无线模块和采集板路供电需求；④过压、过流、过放、短路保护，对监测系统起保护作用。

3.2 无线信号传输系统及安装方法

在应力监测系统长时间的工作中，考虑到监测环境的监测难度以及信号台安置难度，能同时兼顾环境影响并利用环境优势，在边坡岩体实行监测时，选择AS61-DTU30型窄带无线数传传输设计，采用无线数传电台进行信号的转化。占用空间小，接线操作便捷，对功率要求不高，能传输的距离较远，在空旷环境下可以达到数千米，环境工作温度为-40～+85 ℃。

为满足长期监测需求，无线数传电台性能如下：①嵌入高速低功耗单机片和高性能射频芯片，窄带传输，小功率能达到远距离；②采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度高；③体积小巧便捷，RS232/RS485电平与电脑相连，操作简单易懂；④具有数据加密和压缩功能，数据量小，对接收显示端的硬件要求较低；⑤工作温度-40～+85 ℃，可连接各种SMA发射天线，满足大部分工程环境要求。

收发射信号系统基本装置：无线数传电台若干；USB转RS485转化器若干；无线信号发射和接受天线；12V/5V移动电源一个；太阳能板一个；可供装置连通的配套电线若干。

安装由无线传输模块组成的信号发射装置以及信号接收装置见图6和图7。

图6 信号发射装置Fig.6 Signal transmitting device

图7 信号接收装置Fig.7 Signal receiving device

将安装好的发射装置放置于铁箱内并将太阳能电池板连接上电源，将线路归置合理。

受到施工破坏、气候影响和坡顶废渣倾倒的影响，2017年3月原安装的发射装置以及接收装置已经不能继续使用，而且凹山矿场在成为弃坑并持续注水后，水位不断上升，应施工方要求，为满足应力监测能长期实现，故将发射系统的地点设置于矿坑外。应力计在制作时，本身具有优良的防水性能，故通过数百米的防水电缆将其与发射系统连接，并将接收系统选置在数百米外接收站，经过实际操作，信号接受良好，数据传输稳定。

4 扰动应力监测结果及分析

岩体扰动应力监测的基本公式经过算法优化后推导得到式(1)和式(2)。

(1)

式中：εθ=εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°)为监测探头同一环向应变片所测得应变和；εZ为监测探头轴向应变片所测得应变值。

(2)

式中：E为岩体弹性模量，Pa；E1为凝固水泥净浆弹性模量，Pa；ν为岩体泊松比；ν1为凝固水泥净浆泊松比；R为岩芯半径，cm，r为钻孔半径，即凝固水泥净浆圆筒半径，cm；a为监测探头半径，cm。

测点于2017年3月27日调试完毕，1号测孔5 m 孔深应变监测数据见图8，用双温度补偿算法，计算出应力监测数据见图9。

A-轴向微应变平均值；B-环向微应变平均值；C-温度补偿片微应变；D-14通道低温度系数电阻通道示数图8 1号测孔5 m孔深应变监测数据Fig.8 5 m hole depth strain monitoring data for No.1 hole

图9 1号测孔5 m孔深应力监测数据Fig.9 5 m hole depth stress monitoring data of No.1 hole

现场1号测孔5 m孔深监测数据显示，分别在4月8日后到4月12日前(间隔3天)和4月21日后到4月26日前(间隔4天)出现较长时间数据传输中断现象。分析其原因，调查监测时间段试验现场天气记录及历史天气预报，在4月9日和4月22日监测信号传输中断前，有连续多天的阴雨天气，太阳能蓄电池得不到有效的电量补充，在电量耗尽后系统停止工作。在天气放晴后太阳能蓄电池重新蓄电，系统恢复工作状态，断电后续采数据与断电前体现出接续性，数据连续规律，在供电电源方面还需要根据现场情况进行必要的改进。根据公式和前期温度标定数据，推导得到各个测点30 d应力变化值见表1。

根据马鞍山露天矿边坡监测数据显示，在1个月的监测中，受到气候和坡顶废渣倾倒的影响，应力变化基本稳定。温度通道显示一天中气温数据波动但整体温度呈明显上升趋势，各通道经温度补偿后，轴向应力基本保持不变，环向应力变化为1.09～2.53 MPa，与施工情况一致。

表1 各测点30 d应力变化值Table 1 30-day stress change values of each measurement point

图10 5 m深应力变化图Fig.10 5 m deep stress change diagram

图11 10 m深应力变化图Fig.11 10 m deep stress change diagram

监测后期由于信号接收基站搬迁等原因致使监测数据传输中断，根据项目要求，监测系统已于2018年10月底重新组装，在接下来将近一个月的持续监测中，得到了新的监测数据，经过计算处理，得到较为稳定的结果，以2号测点为例，5 m深测孔的轴向应力变化范围为10.4～11.55 MPa，环向应力变化范围为4.52～5.61 MPa(图10)；10 m深测孔轴向应力变化范围为10.84～11.01 MPa，环向应力变化范围为7.96～8.11 MPa(图11)。应力变化较为稳定且起伏不大，与施工情况一致。

5 结 语

边坡岩体扰动应力监测系统通过在安徽马鞍山凹山露天采场的应用显示，在1个月的监测中，受到气候影响和坡顶废渣倾倒的影响，应力变化基本稳定。温度通道显示一天中气温数据波动但整体温度呈明显上升趋势，各通道经温度补偿后，轴向应力基本保持不变，环向应力变化为1.09～2.53 MPa，与施工情况一致。根据项目要求，监测系统已于2018年10月底重新组装，监测探头在数据间断近一年后，全部重新恢复数据传输，并在处理数据后得到与施工情况一致的环向、轴向应力，整个检测系统探头工作性能稳定，数据传输性能良好，也证明了系统长期工程现场应用的稳定性和可靠性。