徐 帥 韓明飛 李家后 田 猛 楊 敏

（深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

在深部開采過程中，原生應力場指的是未開挖或未受到開挖影響的原巖體所處的應力平衡狀態(tài)，而受開挖卸荷影響導致原生應力場從原始平衡狀態(tài)過渡到新平衡狀態(tài)被稱為次生應力場。次生應力場相對于原生應力場的改變值被稱為相對應力［1］?？梢姡鄬儆谑荛_采卸荷而動態(tài)變化的值。原生地應力是存在于巖層內的內應力，開挖卸荷導致了內應力的調整而產(chǎn)生相對應力。原巖應力反映了巖體開挖前所處的天然應力狀態(tài)，是影響巖石工程開挖變形和破壞的根本作用力。原巖應力是確定工程巖體力學屬性、圍巖穩(wěn)定性分析、巖石開挖設計和科學決策的重要基礎。原巖應力的大小和方向影響著開挖空間的穩(wěn)定，進而影響到工程開挖效率和支護成本，影響工程位置和開挖參數(shù)的選擇。相對應力是引起工程失穩(wěn)、變形與破壞和應力調整等一切工程災害事故的直接原因。因此，地應力的測量在地下工程的施工中是非常重要的內容。

據(jù)不完全統(tǒng)計，國外已有80多座礦山進入了深部開采，部分金礦開采深度已達4 000 m，礦體延深6 000 m以上?！笆奈濉逼陂g，我國預計有30多座礦山進入了1 000 m以下的深部開采。地應力與開采深度的平方成正比，因而深部開采過程中原巖應力更高，開挖卸荷帶來的相對應力的數(shù)值也越大，高地應力帶來的工程災害更加頻繁。一般地絕對應力的測量有應力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落觀測法、簡單理論計算等方法。但進行某一深度的地應力值測量時，必須先進行深部鉆孔，作用范圍也是在巷道、隧道中進行，測量工序繁雜，測量成本較高，因此，絕對應力的測量實際工程中通常在有限地點進行，獲得區(qū)域大概的絕對應力數(shù)值，為工程布置、支護等提供參考，為基于數(shù)值計算進行區(qū)域應力場的反演、模擬提供支撐。相對相力是對某地點應力狀態(tài)進行實時監(jiān)測的方法，相對應力測量是測量某位置點不同時刻地應力的變化值，相對應力的監(jiān)測結果反映了開挖工程受到地應力的改變值，為開采工程支護、穩(wěn)定性分析、工程災害預警與調控提供支撐。由此可見，相對應力的監(jiān)測對于了解深部地應力的遷移和演化規(guī)律、掌握深部工程災害的孕育、發(fā)展與災變的機理意義重大。

本文通過文獻分析，介紹現(xiàn)有的鉆孔應力計、剛性空心包體應力計、基于光纖光柵的應力測量方式的原理、使用步驟、適用條件和特點。通過對比分析三種方法的優(yōu)缺點，結合當前的5G+互聯(lián)網(wǎng)通訊技術快速發(fā)展的特點，提出了相對地應力測量的改進方法和發(fā)展趨勢。本研究可為深部資源開采過程中開展相對地應力監(jiān)測、設備研發(fā)和工程應用提供有益的借鑒。

1 液壓鉆孔應力計

1.1 液壓鉆孔應力計的測量原理

按照顯示的示數(shù)讀取種類與方式劃分液壓鉆孔應力計，可以分為直讀式鉆孔應力計（KS型）和鋼弦式鉆孔應力計（KSE型）。兩者的區(qū)別就在于應力信號的表達方式不同：KS型將油壓顯示在壓力表上；而KSE型則是通過使用試驗測算出來的“鋼弦振動頻率—壓力”的函數(shù)換算關系式，把應力枕內的油壓信號轉變?yōu)殇撓业恼駝宇l率，簡化了數(shù)據(jù)采集的難度。

將液壓鉆孔應力計合理安裝好后，當鉆孔內應力發(fā)生變化時，該應力通過以擠壓應力枕兩邊的包裹體的形式將力傳遞到應力枕；引起應力枕內部的液壓油的油壓改變。KS型鉆孔應力計內部液體壓力經(jīng)油管傳遞到壓力表，進而可以在壓力表上讀出孔內應力變化量；KSE型鉆孔應力計內的液體壓力通過油管將應力施加到“壓力—頻率”轉換器，把油壓信號變成換算后的鋼弦振動的頻率，之后將頻率信號導入數(shù)字顯示儀中進行數(shù)據(jù)處理，最終顯示出鉆孔內應力的變化量。圖1（a）為KS型鉆孔應力計組成圖，圖1（b）為KS型鉆孔應力計實物圖。

1.2 液壓鉆孔應力計應用現(xiàn)狀

液壓鉆孔應力計應用較為普遍，如躍進煤礦采用KSE型鋼弦應力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測分析數(shù)據(jù)，獲得相對應力變化曲線，通過與礦壓監(jiān)測分析理論的聯(lián)合應用，推算出工作面超前支撐的應力大小與分布范圍［2］；南屯煤礦利用鋼弦鉆孔應力計監(jiān)測技術，對超前支撐面的壓力分布進行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)采集、終端處理以及結合理論分析得出最有可能誘發(fā)產(chǎn)生沖擊地壓的高風險階段，預先設計合理的規(guī)避措施，從而避免了沖擊地壓引起一系列災害的發(fā)生［3］；冬瓜山深井銅礦將鉆孔應力監(jiān)測系統(tǒng)與微震監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合應用，將深井高應力礦床開采過程中地壓活動情況及時掌握，研究巖爆與礦巖壓力及變形之間的關系和規(guī)律，指導礦山安全高效生產(chǎn)［4］。

1.3 液壓鉆孔應力計的主要測量步驟

以KSE型液壓鉆孔應力計為例，應用步驟如下：

（1）液壓鉆孔應力計的主要參數(shù)。量程取0～20 MPa；鉆孔應力枕的厚度取38 mm，最大直徑不大于42 mm，有效工作長度取220 mm，適應鉆孔直徑取45～50 mm。

（2）檢查。先檢驗應力計的功能完整情況，若能進行正常工作再進行安裝。

（3）安裝與連接。將鉆孔應力計安置在鉆孔內，必要時進行空隙充填，然后將壓力泵的注油管螺帽與鉆孔應力計的注油嘴連接緊密，連接數(shù)字顯示儀的測量電纜與信號轉換器電纜，將數(shù)字顯示器電源接通后，信號轉換器的鋼弦振動頻率應該穩(wěn)定顯示。

（4）數(shù)據(jù)采集。測量并記錄鉆孔應力計的初始頻率f0（應力計無載荷的情況下），之后每隔固定時間去讀取應力計示數(shù)f（應力計有載荷的情況下）。

（5）數(shù)值計算。將步驟（4）測得的f代入下式：

式中，P為應力枕內液體的壓力，MPa；C為應力計常數(shù)，各應力計有其特定的C值，可從表1中讀取；f0為無載荷時的頻率，Hz；f為應力計有荷載時的頻率，Hz。

KSE型鉆孔應力計屬于柔性測量傳感器，受被測鉆孔介質彈性模量的影響，其測量靈敏度隨介質彈性模量的增加而相應地下降，因此需要對所計算出的壓力枕內液體壓力進行靈敏度修正。鉆孔內最終應力的計算式為

式中，σ為鉆孔內應力，MPa；α為靈敏度系數(shù)，可由圖2查得；E為鉆孔孔壁巖石的彈性模量［5］。

1.4 適用條件

液壓鉆孔應力計適用于對精度要求不高但需要監(jiān)測范圍較大的監(jiān)測區(qū)域中，既可降低監(jiān)測成本，也可以取得一定的監(jiān)測效果。

1.5 評 價

液壓鉆孔應力計具有安裝簡單、制作成本低、適用范圍廣、可推廣性強、讀數(shù)方便等優(yōu)點。鉆孔應力計的缺點是需要人工讀表計數(shù)，誤差偏大；安裝到鉆孔后，其膨脹條件不足以使其與鉆孔壁保持緊密貼合，導致應力計顯示的讀數(shù)與真實值誤差較大。

2 空心包體應力計

2.1 空心包體應力計的測量原理

剛性空心包體應力計主要是由一個硬質的空心圓柱及其中起到壓力傳感作用的應變片組成，在使用時應先在測量點打一個可以將空心圓柱擠壓進去的鉆孔，二者要保持緊密接觸，從而保證測量的準確性。

根據(jù)理論分析，如果一個剛性包體位于無限體中，周圍發(fā)生應力變化時，在剛性包體中產(chǎn)生的應力場會是均勻分布的，它的大小和周圍的應力變化有一定的比例關系，如果巖體中的x方向應力變化了σx，那么在剛性包體中就會在同一方向產(chǎn)生一個對應的應力變化，它們之間的關系滿足下述公式［6］。

式中，E、E'分別為巖體和剛性包體的彈性模量；υ、υ'分別為巖體和剛性包體的泊松比。

液壓式空心包體應力計結構圖與實物圖如圖3所示。當鉆孔周圍巖體的應力發(fā)生變化時，會擠壓空心包體應力計，而應力計的中間部位是裝有油水混合物的中心槽，當其發(fā)生變形后會引起液壓發(fā)生變化，而這種變化可以傳遞到端部的薄膜上，由其上附著的電阻應變片測量并記錄下來。

2.2 空心包體應力計的應用現(xiàn)狀

空心包體應力計是基于套孔應力解除法測量地應力的儀器，多用于地下開采、隧道開挖、圍巖邊坡等工程中的的相對地應力測量。根據(jù)壓力測試原理的不同，剛性包體應力計可分為以下幾種：壓磁式應力計、液壓式應力計、光彈式應力計、電阻應變片式應力計、鋼弦應力計。除鋼弦應力計外，其他類型的應力計因靈敏度較低，不符合工程測量需要，在20世紀80年代后，被逐步淘汰。

在工程中其可與BA-Ⅱ型松動圈測試儀、定向儀、礦山壓力記錄分站和率定儀等聯(lián)合使用形成整套的相對地應力測量體系，進行全方位的相對地應力測量和分析。例如，喬蘭等在對三山島金礦采空區(qū)進行地應力測量時，便使用到了完全溫度補償?shù)目招膽兗夹g的套孔應力解除法，并且測量結果較為準確可信；對平煤十礦地應力的測量時蔡美峰等人用到了三維套孔應力解除技術，及具有補償功能的空心包體應變計，并利用數(shù)值模擬技術研究圍巖應力隨著采礦過程的變化［7］。

2.3 空心包體應力計的主要測量

（1）打大孔。用鉆頭直徑為76 mm的鉆機在圍巖鉆出應力解除孔，鉆孔深度應調整至不受環(huán)境圍巖場影響。

（2）打小孔。用φ36 mm的小鉆頭打出50 cm深的一段小鉆孔，特制的液壓鉆具在不同深度上開有泄水孔，水壓的變化反映出鉆孔的深度，從而保證打出的小孔可用。

（3）裝儀器。用砂紙將空心包體外側圓柱面打毛，使其更加光滑以減小誤差；按照一定的比例配置好粘結劑，并倒入適量的粘結劑在空心包體的空腔內，固定，將包體安裝在定向器中，用鉆桿緩慢送入大孔中，記錄下長度，在剩余5 cm時應注意慢推，否則會造成包體不能夠順利進入小孔。當包體的前端進入小孔約20 cm時，應將探頭和安裝器脫鉤，之后包體便可以成功安裝進入小孔。

（4）獲取數(shù)據(jù)。包體安裝20 h左右，環(huán)氧樹脂固化。將安裝器從鉆孔中取出，其中的電子羅盤記下探頭安裝角，即為應力計的安裝角。

（5）解應力。應變儀在井下到達預定時間后，會自動啟動，開始測量并記錄數(shù)據(jù)。此時按預定深度緩慢鉆進，進行套芯解除，一段時間后，當讀數(shù)穩(wěn)定時每隔10 s進行1次讀數(shù)，連續(xù)記錄10 h以上，到達預定深度后，結束讀數(shù)，并將包含包體的巖芯折斷，取出其中的剛性包體，在實驗室中進一步對其巖性描述。

（6）重復測量。根據(jù)需要，重復進行多次測量［8］。

2.4 適用條件

空心包體應力計多用于對相對應力測量精度要求較高的檢測區(qū)域中。目前廣泛使用的為KX-81型空心包體應力計，在完整性較差的巖體中測量表現(xiàn)優(yōu)異，操作方便，多適用于對相對地應力的細測。在應力解除過程中使用完全溫度補償，可以有效保證測量結果的準確性和可信度，能夠在很大程度上消除溫度等環(huán)境因素所產(chǎn)生的影響［9］。

2.5 評 價

剛性包體應力計具有很高的穩(wěn)定性，因此多用于對現(xiàn)場應力變化的長期監(jiān)測，其在單孔中通過一次套芯解除便能得到所測位置的三維應力狀態(tài)，多次重復使用的話更能提高測試的可信度和準確性，是目前最為實用、準確的一種工程地應力測試工具［10］。但是它也存在很多缺點，比如只能測量與鉆孔平面垂直的單向或雙向的應力變化，而無法直接測量出原巖應力的大小。剛性包體應力計的造價過高，測量費用昂貴且無法回收，造成其難以大范圍使用?？招陌w應力計在鉆頭粘貼材料同圍巖力學性質不匹配時易出現(xiàn)軸向應力偏大現(xiàn)象，造成測量結果不可靠的問題。

3 光纖光柵應力傳感器

3.1 光纖光柵應力傳感器的測量原理

光纖布拉格陣列的檢測機構包括彈性和彈性變形效應、熱和熱光膨脹效應以及由磁場誘導的法拉第效應。由于這些基本效應，光纖布拉格光纖陣列可以由“光纖傳感器”和檢測網(wǎng)絡組成，以檢測多種參數(shù)，例如應力、應變、溫度、壓力、振動磁場和電流。

光纖由石英、涂層和中間層組成（見圖4）。通過處理所述涂層的折射率中心層來獲得所述中心層的折射率，所述光可以通過形成2維波導而擴散到所述中心。

光纖光柵傳感的基本原理是布拉格反射。當光波傳輸通過布拉格光柵時，反射符合布拉格反射條件的光，入射光就會分成反射光和傳輸光。布拉格陣列的反射或傳輸波長取決于反向耦合模塊的有效折射率N和陣列的周期扭轉，任何改變這兩個參數(shù)的物理過程都會導致陣列的布拉格波長漂移。其測量能檢測外部物理量的變化。光柵中心波長λE與應變ε及溫度T的關系［11］為

式中，λE為光柵中心波長；Pe為彈光系數(shù)；ε為光柵的軸向應變；α、ζ為熱光系數(shù)。

光纖光柵應力傳感器根據(jù)光纖光柵傳感原理制作。

3.2 光纖光柵應力傳感器的研究現(xiàn)狀

光纖網(wǎng)絡傳感器監(jiān)測技術是近年來的前沿應用學科，光纖傳感信號和光纖傳輸信號的應用是自動監(jiān)測的前沿技術。光纖陣列傳感器可用于煤礦、油田、滑坡等多種地質場合。

近20年來礦井一直靠錨撐著錨桿的強度狀態(tài)反映了整個采礦通道的機械狀態(tài)，并為預防和管理與采礦應力有關的災害提供了指導。西安科技大學柴靜等人應用光纖傳感器對梁應力進行實時測量。通過與電阻應變片測量值的比較，體現(xiàn)出了光纖傳感器穩(wěn)定性好抗干擾能力強、分辨率高、靈敏度高的優(yōu)點。

2004年，大連理工大學李宏男等人使用光纖陣列傳感器監(jiān)測石油平臺的健康狀況［12］。同年，電子科技大學代志勇等人將光纖傳感器監(jiān)測山崩，并開發(fā)了更合理的山崩監(jiān)測系統(tǒng)來測量壓力、空間分辨率和距離。隨后，中國地質大學的科學家（史彥新等人［13］）將布拉格網(wǎng)絡與分布用于監(jiān)測滑坡的光纖應力檢測技術結合起來。在整個巫術山滑動軌道上安裝光纖，以便利用分布式檢測技術監(jiān)視和獲取關于整個滑動軌道的一般信息。布拉格柵極傳感器安裝在導軌變形的主要部分的變形縫隙上，由此可以獲得主部分的地應力信息。從點到線對表面進行監(jiān)視，并為滑動部分提供相對完整的應力應變信息。

3.3 使用步驟

（1）確定結構的應變分布。測量點的位置和測量分布模式是根據(jù)特定的結構和技術應用確定的，估計每個測量點的應力范圍，計算整個結構的應力分布概況。

（2）確定各個測點處放置的光纖光柵的中心光波波長大小。每個測量點的位置對應于光纖陣列的波長，該波長對應于估計的應力分布狀態(tài)，特別是每個測量點的最大應力值。在使用分布式檢測方法時，在測量點之間的波長分布被保證為取決于每個測量點的最大應力值和應力特性的波長分布。這可以避免在操作過程中串行網(wǎng)絡的波長重疊。

（3）確定傳感器的結構和安裝方式。掩埋和保護工藝根據(jù)監(jiān)測要求和實際工作狀況確定。

（4）確定光纖光柵解調系統(tǒng)。依據(jù)每個點的波長分配間隔的大小，計算所有測量點的波長和間隔變化值之和，然后乘以相應的波長變化系數(shù)，確定每個點的波長分配間隔大小。所需光纖陣列解調器的波長解調范圍，并根據(jù)所需測量精度選擇相應的纖維陣列解調器。

（5）通過試驗標定光纖光柵傳感器的靈敏度系數(shù)K。據(jù)所選擇的光纖陣列傳感器的結構形狀和安裝模式選擇所述靈敏度系數(shù)K的值，并在解調軟件中調節(jié)所述靈敏度系數(shù)的K值，所述測量結果直接顯示所述應力值。

（6）結構整體狀態(tài)的分析和評估。根據(jù)每個結構測量點測量的應力值執(zhí)行特定的編程操作，以確定結構組件的應力分布狀態(tài)并警告極端狀態(tài)。

3.4 適用條件

光纖光柵應力傳感器在諸如傳輸距離遠［14］、高腐蝕［15］、高電磁干擾且需要精確測量和分布式測量等場所發(fā)揮著重要的作用［16］。在一些與防爆式力學傳感器相結合的特殊情況下，用光纖光柵制作應力傳感器將被測參數(shù)轉化成光柵應力進行測量也具有重要的研究價值。

3.5 評價

光纖光柵有本質防爆、無電傳感、化學性能穩(wěn)定、傳輸距離遠的優(yōu)點，以其耐腐蝕、抗電磁干擾、高靈敏度、電絕緣性好和可分布式測量等眾多優(yōu)點受到很多應用場合的青睞。然而，布拉格光纖陣列傳感器的反射光譜不敏感于側應力的影響，很難區(qū)分應力和溫度的測量變化，即應用中溫度和應力的交叉靈敏度。而且，由于波長編碼信號解調有難度而造成成本過高，在普通領域難以實現(xiàn)全面推廣。

4 相對應力測量未來發(fā)展趨勢

4.1 5G+物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展

（1）5G高速通訊。5G通訊技術（5thgeneration mobile networks）是當前移動通訊的最新技術。相對于當前廣泛使用的4G蜂窩網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率基本實現(xiàn)了提高100倍，達到10 Gb/s的目標。首先，5G數(shù)據(jù)傳輸更快，可滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量傳輸；其次，網(wǎng)絡延遲低于1 ms，相對于4G網(wǎng)絡的30～70 ms而言，網(wǎng)絡延遲下降了50倍；再次，5G網(wǎng)絡對基站能量的消耗更小，節(jié)約能源，成本更低；最后，5G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)儲存量更大，可以為千億設備體提供同時的連接服務，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信。5G的多用戶、多點、多天線、多攝取的協(xié)同組網(wǎng)特點，以及各個網(wǎng)絡間的靈活調整，都表明5G通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)的整體協(xié)同化、智能化水平提升。5G網(wǎng)絡未來在礦山尤其是地下開采礦山的推廣使用，為相對應力的實時遠程自動監(jiān)測提供了條件。

（2）物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IoT），是利用數(shù)據(jù)傳感器、識別技術、定位系統(tǒng)、感應器、掃描器等感知器進行信息采集，包括控制信息、連接信息、位置信息、生物信息、化學信息等，基于網(wǎng)絡通訊技術，建立物與物、物與人的泛在連接，達到對目標物體和目標對象活動過程的智能感知、識別和管理，物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息作為載體，建立了目標對象間的關聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，可以為相對應力的智能、協(xié)同采集提供信息技術基礎。

4.2 基于現(xiàn)有監(jiān)測傳感器的智能化改造

5G+互聯(lián)網(wǎng)為礦山智能監(jiān)測提供了條件，當前5G+物聯(lián)網(wǎng)技術在礦山的建設剛剛邁出探索性的步伐，全面展開上需要一定的時間和過程。在當前技術條件下，相對地應力的監(jiān)測需求是，基于現(xiàn)有的應力采集傳感器，研發(fā)一種測量精度適中，成本不高，且又可以實現(xiàn)動態(tài)實時監(jiān)控分析的相對應力測量系統(tǒng)。通過研發(fā)新型安裝裝置并設計合理的安裝方式，實現(xiàn)傳感器與被監(jiān)測巖體的協(xié)調緊密接觸；利用油電轉換實現(xiàn)油壓與數(shù)字信號的轉化，開發(fā)應力遠程實施采集設備，基于WiFi實現(xiàn)遠程通訊，實現(xiàn)云端遠程存儲、集成可視化、智能分析和預測預警，監(jiān)測系統(tǒng)整體如圖5所示。

研發(fā)傳感器安裝套（彈模、材料參數(shù)與傳感器或巖體適配），實現(xiàn)液壓枕與鉆孔內壁的緊密貼合，實現(xiàn)相對應力的靈敏與真實傳遞。研發(fā)傳感器安裝套相適應的的安裝技術，實現(xiàn)相對應力等埋入式傳感器的快速簡便安裝與目標信息的高效精準傳遞。基于現(xiàn)有相對應力采集傳感器（鉆孔應力計和空心包體計），利用油電或油壓和頻率轉換，實現(xiàn)液壓枕的油壓數(shù)據(jù)與電信號數(shù)據(jù)的轉換；通過室內標定，建立電信號或頻率信號與油壓信號的對應模型，實現(xiàn)液壓枕應力的自動采集。研發(fā)的相對應力采集終端，基于WiFi無線傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與管理。其中無電源環(huán)境采用基于蓄電池的間歇性采集模塊，同樣實現(xiàn)有電源環(huán)境的高效采集效果。基于云端表面監(jiān)測位移數(shù)據(jù)的可視化與預警功能，將相對應力監(jiān)測所獲得數(shù)據(jù)進行可視化分析與展現(xiàn)，并支持動態(tài)預警。

系統(tǒng)特點：基于現(xiàn)有傳感器，利用當前的油電轉換和油壓與頻率轉換，實現(xiàn)應力監(jiān)測系統(tǒng)信息的連續(xù)、自動采集、遠程傳輸、云端存儲和可視化分析；改變了當前人工讀取滯后性和人為誤差，為井下災害預測預警提供了一種過渡期解決方案。系統(tǒng)的關鍵技術是實現(xiàn)現(xiàn)有傳感器的快速、緊密安裝，確保傳感器采集信息的準確可靠。

4.3 基于5G+互聯(lián)網(wǎng)的光纖光柵相對應力智能監(jiān)測與協(xié)同預警

相對應力是一個動態(tài)變化的數(shù)值，單個應力傳感器智能監(jiān)測空間某一個具體位置（x，y，z）處隨時間t的變化的應力值σt=（x，y，z，t）；深部金屬礦床埋深大（1 000 m以下）；走向長（超過5 000 m）；多中段、多采場同時作業(yè)，影響范圍大。因此，單點或局部監(jiān)測不能很好地揭示深部開采過程中相對應力的遷移和演變規(guī)律，因此無法及時對巖爆、大變形或大體積塌方等工程災害做出預警和預報。因此，基于5G通訊技術和物聯(lián)網(wǎng)技術相融合的相對應力智能監(jiān)測與協(xié)同分析技術是未來地應力監(jiān)測的發(fā)展方向。

利用光纖光柵傳感器替代傳統(tǒng)的鉆孔應力計和空心包體應力計，實現(xiàn)孔內巖體的應變、應力、乃至溫度、濕度等信息集中化一體采集，工作關系如圖6所示，基于5G+互聯(lián)網(wǎng)的光纖光柵相對應力智能監(jiān)測與協(xié)同預警，改善現(xiàn)有單個傳感器單點采集的缺點，實現(xiàn)了單孔全深連續(xù)測試。測試獲得的光柵信號，通過激光調整解調與信號解譯，利用5G通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳感器間、傳感器與工作人員、運行設備間的精細互聯(lián)互通，實現(xiàn)安全性自動預警與分析。

基于5G+物聯(lián)網(wǎng)的相對應力智能監(jiān)測與協(xié)同預警技術，基于高速低延遲5G技術，利用人工智能深度學習，建立安全預警分析平臺，將多點光纖光柵監(jiān)測信息快速處理分析，開展工作區(qū)域安全性等級劃分與風險預警，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，快速實現(xiàn)人員、設備的避險調度預警，為復雜高風險礦體開采提供安全支撐。

5 結論

（1）目前3種常用的相對應力監(jiān)測設備：鉆孔應力計、剛性空心包體應力計和光纖光柵應力傳感器，就測量精度和成本上來說，光纖光柵最高，空心包體應力計次之，鉆孔應力計最差。3種設備使用時最佳狀態(tài)均需通過注漿方式進行安裝，導致設備安裝程序繁瑣，不可回收。

（2）基于現(xiàn)有礦山通訊網(wǎng)絡狀況，研發(fā)新型安裝輔助設備和安裝方法，避免注漿，可以充分發(fā)揮現(xiàn)有低成本監(jiān)測設備的功效；利用數(shù)字信號傳輸技術實現(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測，改造現(xiàn)有監(jiān)測設備的人工讀取的模式，是當前行之有效的發(fā)展方向。

（3）基于5G+物聯(lián)網(wǎng)技術，研發(fā)光纖光柵相對應力智能設備，利用人工智能深度學習，構建風險評估模型，開展人員、設備間智能預警是未來發(fā)展的必然趨勢。