一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法技术领域
本发明属于矿压测试技术领域，涉及一种基于分布式电阻应变片测量围岩松
动圈的方法。
背景技术
巷道开挖后破坏原岩应力平衡状态，导致应力重新分布，伴随着应力集中现
象的出现。当集中应力大于围岩的强度后，围岩发生不同层次的岩石破坏并逐步
由周边向纵深扩展，形成一个损伤破碎岩体构成的松动圈。松动圈的物理状态表
现为破裂缝的增加及岩体应力水平的降低，其大小反映了围岩应力、岩石强度等
因素共同作用的结果，是分析围岩稳定、确定支护方式的一个重要参数，对于合
理的确定支护参数和施工工艺具有重要的意义，可以作为支护设计、灾害预防等
工程决策的重要依据。
松动圈测试就是测试开巷后新的破坏裂缝及其分布范围，围岩中有新破裂缝
与没有破裂缝的界面位置就是松动圈的边界。目前常用对围岩松动圈的测定方法
有地质雷法探测法、地震波法、渗透法、声波法、多点位移计量测法以及先进的
钻孔摄像法。
地质雷达探测法是一种新型的非破损探测技术，能够适应不同强度级别的围
岩，精度、效率、分辨率高，但使用此法的价格昂贵，测试的方法复杂，环境干
扰的因素多；地震波法的测试原理是直接利用总波的到时拟合曲线，进行岩层速
度对比与判断，测试的范围大，数据可靠，但使用的仪器较贵，探头布置和仪器
的安装困难；渗透法测试的原理简单，利用岩体有较多裂隙生成和发展时渗透率
变大，但对软岩和遇水膨胀的岩层，测试难度大，工作量大；声波法测试时需注
水耦合，抗干扰能力差，当围岩破损，破裂岩体波速与水的波速差别不大时，不
能明显的判断松动圈范围；多点位移计量测法的原理是由于松动圈内破裂缝的产
生和发展，碎胀变形较深度未松动围岩的变形量要大，该法的优点为测试数据可
靠，操作简单，但观测的工作量大，测试的精度较低，监测时间长，对于变形量
小的围岩，很难观测；钻孔摄像法适用于岩性较好的岩体，所得的信息量大，测
试结果精度高，但仪器昂贵，现场操作复杂。
在现场的具体施工过程中，上述方法测量围岩松动圈大都存在操作复杂，测
试费用高、工作量大的问题。为克服上诉问题，发明一种全新的、稳定性高、快
速经济、操作简便的分布式电阻应变片测量围岩的松动圈方法对围岩的支护设
计、参数确定、施工工艺等具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法，也
是一种接触式测试方法，通过电阻应变片测量不同位置处煤岩体的应变来分析松
动圈的分布范围，该方法操作方便、快速经济、灵敏度高、测量结果易于数据处
理，易于现场的实施。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法，包括以下步骤：
步骤1、根据经验公式估算出测试位置松动圈的范围，再根据估算结果给出
的松动圈的范围，选择适长的PVC管，制作加工测试元件，电阻应变片间距粘贴
到PVC管的管体表面固定，粘贴方向保持一致，并对每一个电阻应变片进行编号；
步骤2、测试围岩位置的应变值：
(21)选定测试巷道围岩位置及方向，
(22)施工钻孔，钻孔的深度与测试元件的长度相适应，
(23)将测试元件置于钻孔内，电阻应变片的方向朝上，注浆封孔，使测试
元件与围岩耦合；
(24)调试应变仪，将编号为1的电阻应变片通过连接导线与应变仪电性连
接，测量编号为1的电阻应变片对应的围岩位置的应变值ε1；
(25)将编号为2、3、…、n的电阻应变片，按照步骤(24)的测试方法，
测得编号为2、3、…、n的电阻应变片对应的围岩位置处的应变值
ε2、......、εn-1、εn，记录存储应变值数据；
步骤3、判断围岩位置松动圈的范围：根据步骤3的测试结果，绘制出围岩
位置与应变值ε的关系曲线，通过围岩内部不同位置处的应变值的分布特征即差
异分析，来判断围岩位置松动圈的范围。
作为上述方案的进一步优化，所述电阻应变片按照间距为3～5cm的距离粘
贴到PVC管的管体表面固定。
作为上述方案的进一步优化，步骤3中，判断围岩位置松动圈的范围的标准
为：应变值峰值位置至钻孔处之间的围岩处于松动圈范围内。
作为上述方案的进一步优化，所述测试元件包括PVC管(1)、该PVC管(1)
沿管身长度方向间距设有若干电阻应变片(2)，所述电阻应变片(2)粘贴固定
在PVC管(1)上，所述PVC管(1)沿管身长度方向间距设有若干圆孔，每一电
阻应变片(2)边均设有一圆孔(3)，每一电阻应变片(2)与一导线(4)的一
端电性连接，所述导线(4)穿过对应圆孔(3)，引出到PVC管(1)的外部。
与已有技术相比，本发明的一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方
法的有益效果体现在：
1、本发明的一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法，采用电阻
应变测试技术测量围岩松动圈范围，是一种新的测试松动圈的方法，通过测量不
同围岩深度围岩的应变值，得到巷道周边围岩应变分布特征，真实的反映巷道围
岩受开挖等采动影响应变的变化规律，建立关系曲线，可以快速的判断出松动圈
的范围，灵敏度高、精度高、测量结果易于数据处理。
2、与现行的松动圈测试技术相比，本发明的一种基于分布式电阻应变片测
量围岩松动圈的方法，测试成本低廉、并且大大减少工作量，测量的结果精度高，
在现场易于施工等优点，可广泛应用在隧道、地下工程等围岩松动圈的测试中。
附图说明
图1是本发明的一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法的流程
示意图。
图2是本发明的测试元件的俯视图。
图3是应用测试元件测试围岩松动圈施工的示意图。
图4是本发明优选实施例的围岩深度与应变值的变化趋势图。
图中标记含义如下：PVC管1、电阻应变片2、圆孔3、导线4、巷道5、钻
孔6、测试元件7、应变仪8。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下
进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限
于下述的实施例。
本发明的一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法的监测指标为
围岩不同位置处的应变值，通过应变仪测量出粘贴在PVC管体上不同位置处的电
阻应变片受开挖等采动影响后的应变变化，确定出松动圈的范围。
大量的试验观测和理论分析表明，松动圈处于破裂区内，宏观表现微裂隙增
多，变形增大、变形模量降低。处于松动圈范围内的电阻应变片测量出来的围岩
应变值，相对于塑性区、弹性区和原岩应力区大，可以根据应变这一突变的特点，
判断出松动圈的范围。判断围岩位置松动圈的范围的标准为：应变值峰值位置至
钻孔处之间的围岩处于松动圈范围内。
一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法，参见图1，图1是本
发明的一种基于分布式电阻应变片测量围岩松动圈的方法的流程示意图，包括以
下步骤：
步骤101、根据经验公式估算出测试位置松动圈的范围，再根据估算结果给
出的松动圈的范围，选择适长的PVC管制作加工测试元件：
将电阻应变片间距粘贴到PVC管的管体表面固定，粘贴方向保持一致，并对
每一个电阻应变片进行编号；
参见图2，测试元件包括PVC管1,该PVC管1沿管身长度方向间距设有若干
电阻应变片2，该电阻应变片2粘贴固定在PVC管1上。该PVC管1沿管身长度
方向间距设有若干圆孔，每一电阻应变片2边均设有一圆孔3，每一电阻应变片
2与一导线4的一端电性连接，该导线4穿过对应圆孔3，引出到PVC管1的外
部。
本优选实施例中，与估算结果给出的松动圈的范围相适应的PVC管上间距设
有n个电阻应变片2，且电阻应变片2按照L1＝L/n＝3～5cm的间距设置于PVC管
体上，且电阻应变片2的粘贴方位保持一致，对电阻应变片2依次进行编号，依
次编号为1#、2#、…、i#≤n)。
步骤102、利用测试元件测试不同围岩位置的应变值：
(21)选定测试巷道围岩位置及方向；
(22)施工钻孔，钻孔的深度与测试元件的长度相适应；
使用风钻或者液压钻机向巷道围岩内部施工钻孔，钻孔的直径为42-45mm，
钻孔的深度与测试元件的长度相适应的，钻孔施工完毕后，退出钻杆。参见图3，
图3是应用测试元件测试围岩松动圈施工的示意图。选定巷道5，施工钻孔，使
得钻孔6的深度与测试元件7的长度相适应。
(23)将测试元件7置于钻孔6内，电阻应变片2的方向朝上，注浆封孔，
使测试元件与围岩耦合；
将加工好的测试元件7，也就是带有电阻应变片的PVC管放置于钻孔内，电
阻应变片的方向朝上，对钻孔进行注浆，封实钻孔。待封孔完成后，稳定5～10d，
使测试元件与围岩进行有效耦合后，开始进行测试。参见图3，图3是应用测试
元件测试围岩松动圈施工的示意图。稳定期间内，保护好引出测试元件7外部的
导线4，防止受潮等导致导线4损坏。
(24)调试应变仪，将编号为1#的电阻应变片通过导线与应变仪8电性连
接，测量编号为1的电阻应变片对应的围岩位置的应变值ε1，作为判断松动圈范
围的依据，存储并记录；
(25)将编号为2、3、…、n的电阻应变片，按照步骤(24)的测试方法，
测得编号为2、3、…、n的电阻应变片对应的围岩位置处的应变值
ε2、......、εn-1、εn，记录存储应变值数据，作为判断松动圈范围的依据；
测试完1#电阻应变片对应的应变值ε1后，重复步骤对剩下的n-1个电阻应
变片进行测试，分别测试出的应变值为ε2、......、εn-1、εn，当第n个电阻应变片对
应围岩位置的应变值εn记录存储后，整个测试工作结束。
步骤103、根据不同围岩位置的应变值的分布特征，判断围岩位置松动圈的
范围。
根据步骤3的测试结果，绘制出围岩位置与应变值ε的关系曲线，通过围岩内
部不同位置处的应变值的分布特征即差异分析，来判断围岩位置松动圈的范围：
应变峰值位置至钻孔孔口处之间的围岩处于松动圈范围内。
参见图4，图4是本发明优选实施例的围岩深度与应变值的变化趋势图。横
坐标为围岩的深度即测试元件中电阻应变片距离孔口的距离，纵坐标为围岩的应
变值。应变峰值位置至钻孔处之间的围岩处于松动圈范围内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而
且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发
明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性
的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要
求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的
任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方
式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领
域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组
合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。