本發(fā)明屬于監(jiān)測設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種用于巖體變化狀態(tài)監(jiān)測的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、受工程開挖擾動影響，巖體原有狀態(tài)被改變，其變化狀態(tài)包括但不限于溫度、應(yīng)變和巖石破裂；巖體變化狀態(tài)會直接影響工程建設(shè)和長期運營安全，對其變化狀態(tài)進行有效監(jiān)測及預(yù)測，是確保工程安全的重要舉措。巖體變化狀態(tài)，不僅涉及應(yīng)力場場調(diào)整引起的變形狀態(tài)變化以及巖體破裂，比如圍巖坍塌及巖爆等，還可能涉及溫度場的改變，比如涌突水及高放廢物地質(zhì)處置等。巖爆作為巖體破裂災(zāi)害的典型代表之一，不僅是一種極具危險性的動力災(zāi)害，而且至今仍缺乏可有效監(jiān)測及預(yù)測的設(shè)備和分析技術(shù)。

2、巖爆是由于巖體受到外界擾動導(dǎo)致巖體中聚積的彈性變形勢能突然猛烈釋放引起，在巖石破裂發(fā)生前僅是巖體內(nèi)部發(fā)生劣化，會有輕微震動，發(fā)出人耳無法辨別的聲響。巖石破裂多在巖體被開挖后的24h之內(nèi)發(fā)生，延續(xù)時間一般為1～2個月，有的延長1年以上，嚴重的可測到4～6級地震，烈度達7～8度。因此，如何根據(jù)巖石破裂發(fā)生前和發(fā)生過程中產(chǎn)生的震動和聲響等特點，對巖石破裂實施監(jiān)測和預(yù)判，判別出巖石破裂發(fā)生的位置、震級大小、可能持續(xù)時間，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，就能大大減少或者杜絕因巖石破裂導(dǎo)致的施工人員傷亡及財產(chǎn)損失。

3、目前，對巖爆進行現(xiàn)場實測預(yù)測主要是在施工期間通過現(xiàn)場監(jiān)測的方法對巖爆發(fā)生的部位和可能性進行預(yù)測，如微震(ms)法、聲發(fā)射(ae)法、鉆屑法、電磁輻射(emr)法、分布式光纖監(jiān)測法等。其中，分布式光纖監(jiān)測法是采用光纖條在監(jiān)測點對巖體破裂發(fā)生前及發(fā)生過程中產(chǎn)生的震動和聲響等破裂信號進行監(jiān)測，存在監(jiān)測信號較為分散、布設(shè)難度大、在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中存活率較低等問題。

4、例如：授權(quán)公告號為cn212003266u的中國實用新型專利公開了一種基于分布式光纖傳感的巖爆監(jiān)測系統(tǒng)，其采用多根監(jiān)測鎧裝光纜沿正在掘進或已完工隧道的頂部和兩側(cè)支撐巖體或支護墻體上，或者在沿山體或礦體正在開挖的工作面上安裝固定；多根監(jiān)測鎧裝光纜一端均與多通道寬頻分布式光纖聲波和應(yīng)變傳感調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)連接，多通道寬頻分布式光纖聲波和應(yīng)變傳感調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)與實時數(shù)據(jù)記錄處理計算機連接。由于深埋地下的隧道洞室一般采用爆破開挖，洞壁圍巖起伏較大，采用光纖條進行巖爆監(jiān)測，會使得光纖與圍巖耦合效果不佳。而且，為了使光纖與圍巖耦合，往往需要使光纖在監(jiān)測點受到較大程度彎折，從而很大程度上降低光纖的存活率。另外，上述專利采用沿隧道軸向呈直線型布設(shè)的方式并不適用于具有多個交錯分布洞室的設(shè)施，如深地實驗室、地下廠房等工程；這是因為光纖對沿其軸線方向的變形較為敏感，這種直線型布設(shè)方式往往只能監(jiān)測到沿隧道軸向分布的破裂信號，不能監(jiān)測除隧道軸向以外的其他方向的破裂信號，難以實現(xiàn)對破裂發(fā)生位置的震源進行三維定位。

5、因此，本領(lǐng)域亟需一種用于巖體變化狀態(tài)監(jiān)測的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)來解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提供了一種用于巖體變化狀態(tài)監(jiān)測的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，其應(yīng)用于地下洞室能夠同時監(jiān)測地下洞室軸向和徑向的破裂信號，以利于對破裂發(fā)生位置的震源進行三維定位。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：用于巖體變化狀態(tài)監(jiān)測的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，包括第一光纖，所述第一光纖用于沿地下洞室的軸向布設(shè)在其洞室壁上；

3、還包括第二光纖，所述第二光纖包括周側(cè)光纖段和換向過渡段；

4、所述周側(cè)光纖段用于沿洞室壁的橫截面輪廓布設(shè)在其上；

5、所述周側(cè)光纖段至少為兩個并可沿地下洞室的軸向間隔布設(shè)，各周側(cè)光纖段通過換向過渡段依次首尾相連，以使第二光纖的光路連續(xù)。

6、進一步的，所述洞室壁包括洞室左側(cè)壁、洞室頂壁和洞室右側(cè)壁；

7、所述第一光纖為三條以上，至少有一條用于布設(shè)在洞室左側(cè)壁上，至少有一條用于布設(shè)在洞室頂壁上，至少有一條用于布設(shè)在洞室右側(cè)壁上。

8、進一步的，所述第一光纖為六條；

9、其中一條用于布設(shè)在洞室左側(cè)壁上，并處于洞室左側(cè)壁1/3高度的位置；

10、其中一條用于布設(shè)在洞室左側(cè)壁上，并處于洞室左側(cè)壁2/3高度的位置；

11、其中一條用于布設(shè)在洞室頂壁上，并處于洞室頂壁1/3弧長的位置；

12、其中一條用于布設(shè)在洞室頂壁上，并處于洞室頂壁2/3弧長的位置；

13、其中一條用于布設(shè)在洞室右側(cè)壁上，并處于洞室右側(cè)壁1/3高度的位置；

14、其中一條用于布設(shè)在洞室右側(cè)壁上，并處于洞室右側(cè)壁2/3高度的位置。

15、進一步的，該分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)還包括多通道光纖傳感調(diào)節(jié)儀和數(shù)據(jù)處理終端；

16、所述第一光纖和第二光纖的一端均用于延伸至地下洞室的開挖面，且均設(shè)置有消光器；

17、所述第一光纖和第二光纖的另一端均通過可沿豎井的壁面布設(shè)的引出光纖與多通道光纖傳感調(diào)節(jié)儀光學(xué)連接；

18、所述多通道光纖傳感調(diào)節(jié)儀與數(shù)據(jù)處理終端通訊連接。

19、進一步的，所述第一光纖和/或第二光纖上光學(xué)連接有用于在重點監(jiān)測區(qū)域采集破裂信號的集成式光纖傳感器；

20、所述集成式光纖傳感器包括變形體和第三光纖，所述第三光纖包括彼此連通的第一光纖線段和第二光纖線段；

21、所述第一光纖線段設(shè)置在變形體的周壁上，并繞變形體的軸向呈螺旋狀纏繞至少一圈，形成第一光纖線圈；

22、所述第二光纖線段包括沿變形體的軸向設(shè)置在其周壁上的直線段，所述直線段至少為兩個并圍繞變形體的周向均勻分布，各直線段通過弧形換向段依次首尾相連，形成光路連續(xù)的第二光纖線圈。

23、進一步的，所述集成式光纖傳感器還包括振動傳導(dǎo)組件；

24、所述振動傳導(dǎo)組件設(shè)置在變形體的底部，用于將巖體破裂產(chǎn)生的振動傳導(dǎo)至變形體。

25、進一步的，所述振動傳導(dǎo)組件包括剛性傳導(dǎo)片和剛性振動球；

26、所述剛性傳導(dǎo)片的一側(cè)表面貼設(shè)在變形體的底面上；

27、所述剛性振動球設(shè)置在剛性傳導(dǎo)片的另一側(cè)表面上，所述剛性振動球至少為三個并以變形體軸心線的延長線為陣列中心線呈環(huán)形陣列分布。

28、進一步的，所述集成式光纖傳感器還包括保護外殼、光纖引導(dǎo)管和巖體耦合部件；

29、所述變形體呈圓柱狀；

30、所述保護外殼罩設(shè)在變形體外，所述振動傳導(dǎo)組件的底部至少部分露出于保護外殼外；

31、所述光纖引導(dǎo)管包括內(nèi)引導(dǎo)管和外引導(dǎo)管；所述內(nèi)引導(dǎo)管沿變形體的軸向插入設(shè)置在保護外殼內(nèi)；所述外引導(dǎo)管設(shè)置在保護外殼外，其局部管段開口并與內(nèi)引導(dǎo)管的一端管口連接；

32、所述第三光纖還包括進入光纖段和引出光纖段；所述進入光纖段的尾端從外引導(dǎo)管的一端管口穿入光纖引導(dǎo)管內(nèi)，并從內(nèi)引導(dǎo)管的側(cè)部穿出，且與第一光纖線段的首端連接；所述引出光纖段的首端與第二光纖線段的尾端連接，其尾端從內(nèi)引導(dǎo)管的側(cè)部穿入光纖引導(dǎo)管內(nèi)，并從外引導(dǎo)管的另一端管口穿出；

33、所述巖體耦合部件設(shè)置在振動傳導(dǎo)組件的底部，用于與巖體耦合連接。

34、進一步的，所述巖體耦合部件為耦合錐頭，所述耦合錐頭通過其底面與振動傳導(dǎo)組件的底部連接。

35、進一步的，所述巖體耦合部件包括耦合底座和耦合連接件；

36、所述耦合底座的一側(cè)表面貼設(shè)在振動傳導(dǎo)組件的底部；

37、所述耦合連接件設(shè)置在耦合底座上，其至少部分連接部從耦合底座的另一側(cè)表面穿出；

38、所述耦合連接件至少為三個，并以變形體軸心線的延長線為陣列中心線呈環(huán)形陣列分布。

39、本發(fā)明的有益效果如下：

40、(1)本發(fā)明提供的用于巖體變化狀態(tài)監(jiān)測的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，布設(shè)于地下洞室中對巖體破裂發(fā)生前及發(fā)生過程中產(chǎn)生的震動和聲響等破裂信號進行監(jiān)測時，其第一光纖沿地下洞室的軸向布設(shè)在其洞室壁上，能夠?qū)ρ氐叵露词逸S向分布的破裂信號進行監(jiān)測；其第二光纖主要由周側(cè)光纖段和換向過渡段組成，周側(cè)光纖段沿洞室壁的橫截面輪廓布設(shè)在洞室壁上，能夠?qū)ρ氐叵露词覐较蚍植嫉钠屏研盘栠M行監(jiān)測?？梢?，該分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠同時監(jiān)測地下洞室軸向和徑向的破裂信號，實現(xiàn)對地下洞室的空間監(jiān)測，利于更精準地對破裂發(fā)生位置的震源進行三維定位。

41、(2)該分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)還包括多通道光纖傳感調(diào)節(jié)儀和數(shù)據(jù)處理終端；通過多通道光纖傳感調(diào)節(jié)儀可同時獲取第一光纖和第二光纖測得的應(yīng)變信號，并將之發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端；通過數(shù)據(jù)處理終端能夠?qū)?yīng)變信號進行分析和處理，利于實時反饋地下洞室在開挖過程中破裂事件的能量大小和位置分布，以便于根據(jù)位置信息和能量信息，提前預(yù)測可能發(fā)生巖爆或坍塌等災(zāi)害事件的區(qū)域，從而指導(dǎo)工作人員提前進行預(yù)防和處置，最大程度減小災(zāi)害事件導(dǎo)致的施工人員傷亡及財產(chǎn)損失。

42、(3)通過在第一光纖和/或第二光纖上連接集成式光纖傳感器，可利用集成式光纖傳感器對地下洞室中的重點監(jiān)測區(qū)域進行監(jiān)測，提高了該分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果。集成式光纖傳感器的變形體在感受到破裂信號時會產(chǎn)生形變，進而使得變形體周壁上的第一光纖線圈和第二光纖線圈產(chǎn)生變形，實現(xiàn)對破裂信號的監(jiān)測；由于光纖可對沿其軸向的破裂信號進行監(jiān)測，因此繞變形體的軸向呈螺旋狀纏繞至少一圈的第一光纖線圈，可對振動引起的垂直于變形體軸向的縱向和橫向應(yīng)變進行有效監(jiān)測，而具有兩個或多個圍繞變形體的周向均勻分布并沿變形體的軸向設(shè)置的直線段的第二光纖線圈，可對振動引起的沿變形體軸向的應(yīng)變進行有效監(jiān)測?？梢?，該集成式光纖傳感器可同時獲得破裂信號對應(yīng)的x、y、z三個方向上的分量，對破裂發(fā)生前及發(fā)生過程中產(chǎn)生的震動和聲響等破裂信號具有良好的監(jiān)測效果。

43、(4)基于該分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的監(jiān)測方法，同步獲得的被監(jiān)測洞室?guī)r體的變形場和溫度場是三維分布，可更真實反映洞室空間形態(tài)不同部位的變形場狀態(tài)與溫度場差異。

44、本發(fā)明的其他技術(shù)特征帶來的或直接產(chǎn)生的技術(shù)效果，將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。