1.本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其是了一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法。
背景技术：2.煤岩破坏失稳问题一直是国内外岩石力学领域研究的难点问题，诸多工程灾害的发生(如岩爆、岩质边坡失稳、冲击地压等)均和煤岩破坏失稳过程有关。在煤炭开采领域，煤岩内部应变场分布及其演化规律等内容是研究的热点问题，尤其是超前工作面内部、煤柱内部、断层等地质构造附近煤岩应变场及其演化规律对于指导煤矿安全高效生产具有重要意义。
3.煤岩是煤矿开采所面临的主要研究对象，是具有裂隙、微结构面的天然非均质介质，内部裂隙位置和力学性质的分布具有随机性和复杂性，因此煤岩破坏失稳是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程。煤矿中矿山压力和岩层控制问题本身是三维的力学问题。除了少数问题可以简化为平面问题或者轴对称问题来进行研究外，二维模型的应用研究具有一定局限性。因此，基于三维模型的煤岩破坏问题也是该领域研究的关键。
4.目前，相似材料模拟方法、数值模拟和现场原位测试方法都是有效地研究煤岩破坏失稳的重要手段。煤岩破坏失稳的本质是煤岩内部损伤劣化的积累演化。因而如何采取有效的研究手段和方法，系统地研究煤岩或大尺寸类煤岩试样破裂失稳过程中其内部裂隙的演化过程，直观地反映煤岩或大尺寸类煤岩试样内部裂隙扩展的空间位置，对理解煤岩破坏失稳机制具有重要意义。现有技术中，研究煤岩内部破裂的时空演化规律采用的手段有ct、声发射、电磁波等技术，但仅能定性地表征煤岩破坏的剧烈程度及裂隙空间分布，难以定量描述。
技术实现要素：5.为了得到煤岩破坏的三维动态测试数据图像，实现煤岩内部变形及应变场监测，提升监测仪器的抗干扰能力，直观地反映煤岩内部变形、应变与裂隙时空分布及演化特征，本发明提供了一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，具体的技术方案如下。
6.一种基于电缆传感器的三维动态测试方法，包括压力试验机、相似材料模型和电缆传感器，在相似材料模型中铺设电缆传感器，所述电缆传感器与煤岩相似材料耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪；所述相似材料模型置于压力试验机下进行试验，所述电缆传感器监测煤岩试件水平方向和竖直方向的应变；所述压力试验机对相似材料模型施加载荷；计算机利用电缆传感器的监测数据在三维空间内通过数据插值方法构建图像，确定相似材料模型破裂的三维动态测试数据图像。
7.优选的是，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，计算机分析处理监测数据，确定相似材料模型内应变及裂隙的空间分布。
8.优选的是，电缆传感器包括同轴电缆、公头连接器，同轴电缆的两端设置有公头连接器，在同轴线缆上设置多个开孔，其中一个公头连接器与终端负载相连。
9.一种基于电缆传感器的相似材料变形破坏三维动态测试方法，利用上述的一种基于电缆传感器的三维动态测试方法，步骤包括：
10.a.制作铺设相似材料模型，在铺设过程中埋设电缆传感器；
11.其中在电缆传感器表面涂抹环氧树脂胶，相似材料模型与电缆传感器耦合前施加预紧力；
12.b.安装连接终端负载和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，粘接密封电缆传感器，并检验电缆传感器是否正常工作；
13.c.利用压力试验机进行试验，采集监测数据；
14.d.计算机根据空间位置对监测数据进行影响因素补偿；
15.e.补偿后的数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数据插值方法构建图像，得到真实煤岩破坏的三维动态测试数据图像。
16.进一步优选的是，影响因素补偿包括温度，其中温度变化和电缆的变形量成正比；在相似材料模型内部安装温度补偿电缆传感器，监测数据减去温度补偿电缆的应变得到实际应变。
17.一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，包括钻孔和电缆传感器，在煤岩中施工钻孔，钻孔内安装电缆传感器后向钻孔内注浆，所述电缆传感器与煤岩耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪，所述电缆传感器监测煤岩不同方向上的应变；计算机利用电缆传感器的监测数据在三维空间内通过数据插值方法构建图像，确定煤岩破坏的三维动态测试数据图像。
18.优选的是，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，计算机分析处理监测数据，确定相似材料模型内的应变及裂隙空间分布。
19.优选的是，电缆传感器包括同轴电缆、公头连接器，同轴电缆的两端设置有公头连接器，在同轴线缆上设置多个开孔，其中一个公头连接器与终端负载相连。
20.一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，利用上述的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，步骤包括：
21.a.在采煤工作面的回采巷道内向煤岩设置水平或倾斜钻孔，并在钻孔内安装电缆传感器；
22.b.向钻孔内注入水泥浆，煤岩与电缆传感器形成变形协调整体，在电缆传感器施加预紧力；
23.c.安装连接终端负载和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，并检验电缆传感器是否正常工作；
24.d.矢量网络分析仪将监测到的煤岩应变数据通过总线连接到服务器，通过对不同监测方向的监测数据进行分析得到大区域的煤岩应变状况，计算机根据空间位置对监测数据进行影响因素补偿；
25.e.远程监测中心通过互联网实时读取云端服务器的监测数据，数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数
据插值方法构建图像，得到煤岩破坏的三维动态测试数据图像，并实时处理发布。
26.进一步优选的是，影响因素补偿包括温度，其中温度变化和电缆的变形量成正比；在煤岩内部安装温度补偿电缆传感器，监测数据减去温度补偿电缆的应变得到实际应变。
27.本发明提供的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法有益效果是，将电缆铺设于相似材料物理模型内部或置于煤岩内部，电缆传感器固定并与试验材料或煤岩耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪，在压力机下进行相似材料模拟试验或现场测试，监测煤岩内部应变，从而确定煤岩内部裂隙分布，试验后根据空间位置进行温度影响因素补偿，随后根据监测数值采用插值方法构建图像。电缆传感器布置在煤岩中还可以得到工程现场煤岩变形破坏的三维动态测试数据图像，该方法还具有结构简单、使用方便、容易操作、抗干扰能力强等优点。
附图说明
28.图1是电缆传感器结构示意图；
29.图2是试验测试方法步骤流程图；
30.图3是三维应变图像重构流程图；
31.图4是相似材料工作面上覆岩层应变场电缆传感器布置示意图；
32.图5是相似材料断层面应变场测试方法示意图；
33.图6是工程现场煤柱应变场测试方法示意图；
34.图7是工程现场工作面顶板岩层应变场测试方法示意图；
35.图8是工程现场断层应变场测试方法示意图；
36.图中：1-相似材料，2-煤岩，3-电缆传感器，31-公头连接器，32-负载，33-电缆钻孔，4-相似材料模型，5-外接同轴电缆，6-电缆分线盒，7-矢量网络分析仪。
具体实施方式
37.结合图1至图8所示，对本发明提供的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法具体实施方式进行说明。
38.一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，包括压力试验机、相似材料模型和电缆传感器，压力机可以对煤岩施加三向载荷，相似材料模型通过电缆传感器实现了动态监测。在相似材料模型中铺设电缆传感器，电缆传感器与相似材料模型耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪。相似材料模型置于压力试验机下进行试验，电缆传感器监测煤岩试件水平方向和竖直方向的应变。压力试验机对相似材料模型施加载荷。电缆传感器在相似材料模型内部进行测量，计算机利用电缆传感器的监测数据在三维空间内通过数据插值方法构建图像，确定真实类煤岩试样破裂的三维动态测试数据图像。
39.矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，计算机分析处理监测数据，确定相似材料模型内的应变及裂隙空间分布。电缆传感器包括同轴电缆、公头连接器，同轴电缆的两端设置有公头连接器，在同轴线缆上设置多个开孔，其中一个公头连接器与终端负载相连。同轴电缆上布置多个钻孔形成不连续点，电磁波在不连续点处反射构成法布里-珀罗干涉腔，通过监测相邻2个反射处的频移计算出测点应变值。
40.该方法可以真实的监测煤岩内部应变及裂隙初始、扩展的空间位置，同时可连续、
实时地监测载荷作用下的煤岩内部微裂隙的产生和扩展，最终形成类煤岩试样破裂的三维动态测试数据图像。
41.一种基于电缆传感器的相似材料变形破坏三维动态测试方法，利用上述的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，步骤包括：
42.a.制作铺设相似材料模型，在铺设过程中埋设电缆传感器；
43.其中在电缆传感器表面涂抹环氧树脂胶，相似材料与电缆传感器耦合前施加预紧力；
44.b.安装连接终端负载和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，粘接密封电缆传感器，并检验电缆传感器是否正常工作；
45.c.利用压力试验机进行试验，采集监测数据；
46.d.计算机根据空间位置对监测数据进行影响因素补偿；
47.e.补偿后的数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数据插值方法构建图像，得到真实煤岩破坏的三维动态测试数据图像。
48.利用计算机将矢量分析仪的数据进行处理，通过测量第n个谐振频点的相对频移δfnfn计算应变ε，从而实现每个单独的电缆传感器的应变测量，由计算机将上述应变数据值转化成图像尺度上的应变值，生成三维图像。补偿后的数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数据插值方法构建图像，得到相似材料模型的三维动态测试数据图像。步骤如下：
49.①
数据文件生成。将相似材料模型划分成大小为电缆传感器尺寸的若干个单元，并根据相似材料模型的形状尺寸，选取原点坐标建立空间坐标系及数据边界，标记每个含有电缆传感器单元的空间位置信息(包括x,y,z值)和补偿后传感器测得的应变信息(包括ε
x
，εy，εz值)，生成相应的txt文件；
50.②
数据处理。采用matlab编程，读取txt文件中的测点坐三维空间坐标和对应应变值，利用linspace和meshgrid函数进行数据插值生成三维数组。根据生成的三维数组，分别利用griddata和isosurface函数构建曲面点集实现三维形态展现；
51.③
三维应变场重构。基于matlab软件的三维绘图功能，通过mtlab中定义相应区域的观察视角view、填充颜色set、视图效果camlight、透明度alpha、光照效果light函数，绘制相似材料模型的三维重构图。通过读取试验不同阶段的txt文件，重复以上步骤，就能得到相似材料模型试验过程中的三维重构图像及裂隙损伤区的演化过程。
52.其中，影响因素补偿包括温度，其中温度变化和电缆的变形量成正比；在相似材料模型内安装温度补偿电缆传感器，监测数据减去温度补偿电缆的应变得到实际的应变。
53.一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，包括钻孔和电缆传感器，在煤岩中施工钻孔，钻孔内安装电缆传感器后向钻孔内注浆。电缆传感器与煤岩耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪。电缆传感器监测煤岩不同方向上的应变。计算机利用电缆传感器的监测数据在三维空间内通过数据插值方法构建图像，确定煤岩破坏的三维动态测试数据图像。另外布置服务器和远程监测方法，能够对大范围的煤岩监测数据进行处理，实时高效记录处理应变和温度数据。布置多个应变传感器，每个应变传感器分别连接矢量网络分析仪，各个矢量网络分析仪接入服务器，服务器整合不同位置的煤岩的应变
和温度信息，远程监测方法通过互联网实时读取服务器的监测数据，并获取处理监测信息，得到煤岩破坏三维动态测试数据图像。
54.矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，计算机分析处理监测数据，确定相似材料模型内应变及裂隙的空间分布。电缆传感器包括同轴电缆、公头连接器，同轴电缆的两端设置有公头连接器，在同轴线缆上设置多个开孔，其中一个公头连接器与终端负载相连。同轴电缆上布置多个钻孔形成不连续点，电磁波在不连续点处反射构成法布里-珀罗干涉腔，通过监测相邻2个反射处的频移计算出测点应变值。
55.一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，利用上述的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，步骤包括：
56.a.在采煤工作面的回采巷道内向煤岩设置水平或倾斜钻孔，并在钻孔内安装电缆传感器；
57.其中，在工程现场煤岩监测，可以在工作面巷道内向煤岩内打孔，钻孔施工完毕后将固定套管和应变传感器安装于钻孔内。具体的包括：
58.(1)煤柱三维动态测试，垂直煤柱侧巷帮煤壁进行钻孔施工，钻孔直径略大于电缆传感器套管直径，间距1000-2000mm，排距3000-5000mm。
59.(2)顶板岩层三维动态测试，自巷道向顶板岩层施工钻孔，钻孔直径略大于电缆传感器套管直径，孔底间距500-1000mm，排距3000-5000mm。
60.(3)断层三维动态测试，自巷道向断层施工钻孔，钻孔直径略大于电缆传感器套管直径，孔底间距500-1000mm，排距3000-5000mm。
61.b.向钻孔内注入水泥浆，煤岩与电缆传感器形成变形协调整体，在电缆传感器施加预紧力；
62.在钻孔施工完毕后，可以通过分段钢管将电缆传感器送入钻孔内，固定好电缆传感器后，将分段钢管抽离，钻孔内注入水泥浆，使围岩和带固定套管的应变电缆形成变形协调整体；电缆传感器粘贴在套管上时，要施加0.1kn左右的预紧力，使电缆的初始状态保持在大约0.05％-0.1％的正应变。
63.c.安装连接终端负载和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，并检验电缆传感器是否正常工作；
64.d.矢量网络分析仪将监测到的煤岩应变数据通过总线连接到服务器，通过对不同监测方向的监测数据进行分析得到大区域的煤岩应变状况，计算机根据空间位置对监测数据进行影响因素补偿；
65.e.远程监测中心通过互联网实时读取云端服务器的监测数据，数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数据插值方法构建图像，得到煤岩变形破坏的三维动态测试数据图像，并实时处理发布。
66.计算机将矢量分析仪的数据进行处理，通过测量第n个谐振频点的相对频移δfnfn计算应变ε，从而实现每个单独的电缆传感器的应变测量，由计算机将上述应变数据值转化成图像尺度上的应变值，生成三维图像。补偿后的数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数据插值方法构建图像，得到煤岩破坏的三维动态测试数据图像。步骤如下：
67.①
数据文件生成。将煤岩划分成大小为电缆传感器尺寸的若干个单元，并根据类
煤岩试样形状尺寸，选取原点坐标建立空间坐标系及数据边界，标记每个含有电缆传感器单元的空间位置信息(包括x，y，z值)和补偿后传感器测得的应变信息(包括ε
x
，εy，εz值)，生成相应的txt文件；
68.②
数据处理。采用matlab编程，读取txt文件中的测点坐三维空间坐标和对应应变值，利用linspace和meshgrid函数进行数据插值生成三维数组。根据生成的三维数组，分别利用griddata和isosurface函数构建曲面点集实现三维形态展现；
69.③
三维应变场重构。基于matlab软件的三维绘图功能，通过mtlab中定义相应区域的观察视角view、填充颜色set、视图效果camlight、透明度alpha、光照效果light函数，绘制煤岩的三维重构图。通过读取试验不同阶段的txt文件，重复以上步骤，就能得到煤岩压缩过程中的三维重构图像及裂隙损伤区的演化过程。
70.其中，影响因素补偿包括温度，其中温度变化和电缆的变形量成正比。在相似材料模型内安装温度补偿电缆传感器，监测数据减去温度补偿电缆的应变得到实际的应变。
71.该方法可以真实的监测煤岩内部的应变与破裂过程及裂隙初始、扩展的空间位置，同时可连续、实时地监测载荷作用下的煤岩内部微裂隙的产生和扩展过程，最终形成真实、直观的煤岩破坏三维动态测试数据图像。
72.该方法将电缆铺设于相似材料物理模型内部或置于煤岩内部，电缆传感器固定并与试验相似材料或煤岩耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪，在压力机下进行相似材料模拟试验或现场测试，测试相似材料或工程现场煤岩的三维应变，监测破裂过程，从而确定类煤岩试样或煤岩内部裂隙的扩展，试验后还需要根据空间位置进行温度影响因素补偿，随后根据监测数值采用插值方法构建图像。电缆传感器布置在煤岩中还可以得到工程现场煤岩破坏的三维动态测试数据图像，该方法还具有结构简单、使用方便、容易操作等优点。
73.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种基于电缆传感器的三维动态测试方法，其特征在于，包括压力试验机、相似材料模型和电缆传感器，在相似材料模型中铺设电缆传感器，所述电缆传感器与煤岩试件耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪；所述相似材料模型置于压力试验机下进行试验，所述电缆传感器监测煤岩试件水平方向和竖直方向的应变；所述压力试验机对相似材料模型施加载荷；计算机利用电缆传感器的监测数据在三维空间内通过数据插值方法构建图像，确定相似材料模型变形破坏的三维动态测试数据图像。2.根据权利要求1所述的一种基于电缆传感器的三维动态测试方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，计算机分析处理监测数据，确定相似材料模型内的应变及裂隙空间分布。3.根据权利要求1所述的一种基于电缆传感器的三维动态测试方法，其特征在于，所述电缆传感器包括同轴电缆、公头连接器，同轴电缆的两端设置有公头连接器，在同轴线缆上设置多个开孔，其中一个公头连接器与终端负载相连。4.一种基于电缆传感器的相似材料变形破坏三维动态测试方法，其特征在于，利用权利要求1至3任一项所述的一种基于电缆传感器的三维动态测试方法，步骤包括：a.制作铺设相似材料模型，在铺设过程中埋设电缆传感器；其中在电缆传感器表面涂抹环氧树脂胶，相似材料与电缆传感器耦合前施加预紧力；b.安装连接终端负载和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，粘接密封电缆传感器，并检验电缆传感器是否正常工作；c.利用压力试验机进行试验，采集监测数据；d.计算机根据空间位置对监测数据进行影响因素补偿；e.补偿后的数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数据插值方法构建图像，得到煤岩破坏的三维动态测试数据图像。5.根据权利要求4所述的一种基于电缆传感器的相似材料变形破坏三维动态测试方法，其特征在于，所述影响因素补偿包括温度，其中温度变化和电缆的变形量成正比；在相似材料模型内安装温度补偿电缆传感器，监测数据减去温度补偿电缆的应变得到实际应变。6.一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，其特征在于，包括煤岩、钻孔和电缆传感器，在煤岩中施工钻孔，钻孔内安装电缆传感器后向钻孔内注浆，所述电缆传感器与煤岩耦合同步变形，电缆传感器连接矢量网络分析仪，所述电缆传感器监测煤岩不同方向上的应变；计算机利用电缆传感器的监测数据在三维空间内通过数据插值方法构建图像，确定煤岩破坏的三维动态测试数据图像。7.根据权利要求6所述的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，计算机分析处理监测数据，确定相似材料模型内部应变及裂隙的空间分布。8.根据权利要求6所述的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，其特征在于，所述电缆传感器包括同轴电缆、公头连接器，同轴电缆的两端设置有公头连接器，在同轴线缆上设置多个开孔，其中一个公头连接器与终端负载相连。9.一种基于电缆传感器的现场煤岩变形破坏三维动态测试方法，其特征在于，利用权
利要求6至8任一项所述的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，步骤包括：a.在采煤工作面的回采巷道内向煤岩设置水平或倾斜钻孔，并在钻孔内安装电缆传感器；b.向钻孔内注入水泥浆，煤岩与电缆传感器形成变形协调整体，在电缆传感器施加预紧力；c.安装连接终端负载和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过数据线连接计算机，并检验电缆传感器是否正常工作；d.矢量网络分析仪将监测到的煤岩应变数据通过总线连接到服务器，通过对不同监测方向的监测数据进行分析得到大区域的煤岩应变状况，计算机根据空间位置对监测数据进行影响因素补偿；e.远程监测中心通过互联网实时读取云端服务器的监测数据，数据值转化为图像尺度上的应变值，将各个测点的测试数据作为点图像并用颜色标识，在三维空间内利用数据插值方法构建图像，得到煤岩破坏的三维动态测试数据图像，并实时处理发布。10.根据权利要求9所述的一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，其特征在于，所述影响因素补偿包括温度，其中温度变化和电缆的变形量成正比；在煤岩内部安装温度补偿电缆传感器，监测数据减去温度补偿电缆的应变得到实际的应变。
技术总结本发明提供了一种基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法，涉及岩石力学技术领域。通过在相似材料或煤岩内放置电缆传感器，与煤岩层模拟材料或煤岩耦合同步变形，电缆连接矢量网络分析仪。在相似材料模拟试验中或现场开采过程中对待测煤岩进行应变场监测，确定其内部的裂隙扩展位置，还可以根据空间位置进行温度影响因素补偿，根据监测的应变数值采用插值方法重构图像及裂隙演化过程，并得到真实的煤岩变形破坏三维动态测试数据图像。该方法不仅可以直观地反映待测相似材料及煤岩内部裂隙初始、扩展的空间位置，还可以对煤岩的应变及裂隙空间分布等进行定量描述，具有耐用、操作简便等优点。操作简便等优点。操作简便等优点。
技术研发人员：公绪飞 陈玏昕 谭彦 郭伟耀 李玉蓉
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
