一种采动应力的动态监测系统及方法

摘要

本发明公开了一种采动应力的动态监测系统及方法，涉及岩土工程和采矿工程领域。包括：钻机、双层岩芯管、取芯钻头和应力监测系统，所述双层岩芯管包括外层岩芯管和内层岩芯管，所述应力监测系统包括：第一应变监测传感器、第二应变监测传感器、处理单元和推送机构。本发明提供的采动应力的动态监测系统适用于采动应力的动态监测，能够解决如何实时采集和动态监测采动应力的问题。

权利要求

1.一种采动应力的动态监测系统，其特征在于，包括：钻机、双层岩芯管、取芯钻头和应力监测系统，所述双层岩芯管包括外层岩芯管和内层岩芯管，所述应力监测系统包括：第一应变监测传感器、第二应变监测传感器、处理单元和推送机构，其中：所述外层岩芯管与所述取芯钻头连接，所述钻机通过所述外层岩芯管带动所述取芯钻头转动，所述内层岩芯管与所述钻机相对固定，所述内层岩芯管的内壁设置有由第一弹性材料构成的第一弹性层，所述第一应变监测传感器排布在所述第一弹性层的表面，所述第一应变监测传感器用于当钻机控制所述取芯钻头钻入岩石取得岩芯后，采集处于第一弹性层处的岩芯的应变数据；

所述推送机构设置在所述双层岩芯管靠近所述取芯钻头的一端，用于当所述取芯钻头取芯完成后，将离体式监测器推入孔洞内，所述离体式监测器包括由第二弹性材料构成的第二弹性层，所述第二弹性层内设置有第二应变监测传感器，用于采集孔洞内岩石的应变数据；

所述处理单元用于根据所述岩芯的应变数据、所述孔洞内岩石的应变数据、所述第一弹性材料的弹性系数和所述第二弹性材料的弹性系数，得到围岩的应力信息。

2.根据权利要求1所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，所述处理单元具体用于根据所述岩芯的应变数据确定所述岩芯的形变量，根据所述岩芯的形变量确定所述岩芯的应力信息，并根据所述岩芯的形变量和所述第一弹性材料的弹性系数确定所述第一弹性材料的应力信息，根据所述第一弹性材料的应力信息对所述岩芯的应力信息进行补偿，得到围岩采动的残余应力信息；

所述处理单元还用于根据所述孔洞内岩石的应变数据确定所述孔洞内岩石的形变量，根据所述孔洞内岩石的形变量确定所述孔洞内岩石的应力信息，并根据所述孔洞内岩石的形变量和所述第二弹性材料的弹性系数确定所述第二弹性材料的应力信息，根据所述第二弹性材料的应力信息对所述孔洞内岩石的应力信息进行补偿，得到围岩采动的初始应力信息；

所述处理单元还用于根据所述残余应力信息对所述初始应力信息进行修正和补偿。

3.根据权利要求1所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，还包括：通讯单元和显控终端，所述通讯单元用于将所述应力信息发送给所述显控终端，所述显控终端用于实时显示所述应力信息。

4.根据权利要求3所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，还包括：位移传感器，所述位移传感器设置在所述第二弹性层内，用于获取所述离体式监测器的位移信息。

5.根据权利要求4所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，还包括：定位传感器，所述定位传感器设置在所述第二弹性层内，用于获取所述离体式监测器的位置信息。

6.根据权利要求5所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，所述显控终端具体用于通过预先建立的数字化模型实时显示所述应力信息、所述位移信息和所述位置信息，所述数字化模型包括巷道围岩的三维模型，所述显控终端还用于根据所述应力信息、所述位移信息和所述位置信息对所述三维模型的几何参数进行实时更新。

7.根据权利要求6所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，所述显控终端还用于根据所述应力信息、所述位移信息和所述位置信息反向控制所述钻机。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，所述外层岩芯管和所述内层岩芯管之间设置有轴承，所述外层岩芯管和所述内层岩芯管通过所述轴承相对转动。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的采动应力的动态监测系统，其特征在于，所述第一弹性材料呈环形排布在所述内层岩芯管的内壁，形成第一弹性层，并且所述第一弹性层的弧面半径与所述内层岩芯管的内表面半径相同。

10.一种采动应力的动态监测方法，其特征在于，使用如权利要求1至9中任一项所述的采动应力的动态监测系统实时监测采动应力，包括：钻机通过外层岩芯管带动取芯钻头转动，内层岩芯管与所述钻机相对固定；

当所述钻机控制所述取芯钻头钻入岩石取得岩芯后，第一应变监测传感器采集处于第一弹性层处的岩芯的应变数据，所述第一弹性层由第一弹性材料构成，设置在所述内层岩芯管的内壁，所述第一弹性层的表面排布有所述第一应变监测传感器；

推送机构将离体式监测器推入孔洞内，所述离体式监测器包括由第二弹性材料构成的第二弹性层，所述第二弹性层内设置有第二应变监测传感器，用于采集孔洞内岩石的应变数据；

所述处理单元根据所述岩芯的应变数据、所述孔洞内岩石的应变数据、所述第一弹性材料的弹性系数和所述第二弹性材料的弹性系数，得到围岩的应力信息。

说明书

一种采动应力的动态监测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土工程和采矿工程领域，尤其涉及一种采动应力的动态监测系统及方法。

背景技术

[0002] 采动应力是地下空间开掘之后，空间体周边围岩在原岩应力的基础上出现应力重新分布后的应力场。采动应力是空间体开掘扰动和原岩应力场的叠加效果，在岩土工程和采矿工程领域内，采动应力是引起围岩、支护变形和破坏、产生矿井动力现象的根本动力源，在诸多影响工程稳定性的因素中，采动应力是最主要和最根本的因素之一，准确的采动应力数据是合理进行隧道掘进、巷道开拓、巷道布置、巷道支护设计、工作面开采设计的前提，为岩土工程和采矿工程决策和设计科学化的提供数据保障。

[0003] 目前，采动应力可以借鉴原岩应力的测量方法套芯应力解除法进行监测。以地下空间体中最常见的巷道为例，应力解除法需要在巷道帮部先打直径为115mm的大孔，再打一个和大孔同心的直径为35mm的小孔，钻孔之后需要在小孔孔洞内部通过胶结剂放置应力监测传感器，待胶结剂固化后进行应力解除实验。

[0004] 然而，应力解除法将应力监测传感器放入小孔孔洞后，需要等待胶结剂固化后再通过钻取岩芯的过程将应力传感器取出，才能实现套孔岩芯的应力解除，由此测得放入小孔后围岩施加给应力传感器的应力。应力解除法操作过程复杂繁琐，小孔内传感器是否与围岩紧密接触决定着应力测得是否准确，而且套取小孔传感器岩芯时钻取过程对传感器扰动极大，存在破坏传感器的风险。另外，应力解除法无法实现对围岩采动应力的实时采集，并且应力监测结果无法体现工程施工对其的扰动，无法实现应力的动态监测。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采动应力的动态监测系统及方法。

[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

[0007] 一种采动应力的动态监测系统，包括：钻机、双层岩芯管、取芯钻头和应力监测系统，所述双层岩芯管包括外层岩芯管和内层岩芯管，所述应力监测系统包括：第一应变监测传感器、第二应变监测传感器、处理单元和推送机构，其中：

[0008] 所述外层岩芯管与所述取芯钻头连接，所述钻机通过所述外层岩芯管带动所述取芯钻头转动，所述内层岩芯管与所述钻机相对固定，所述内层岩芯管的内壁设置有由第一弹性材料构成的第一弹性层，所述第一应变监测传感器排布在所述第一弹性层的表面，所述第一应变监测传感器用于当钻机控制所述取芯钻头钻入岩石取得岩芯后，采集处于第一弹性层处的岩芯的应变数据；

[0009] 所述推送机构设置在所述双层岩芯管靠近所述取芯钻头的一端，用于当所述取芯钻头取芯完成后，将离体式监测器推入孔洞内，所述离体式监测器包括由第二弹性材料构成的第二弹性层，所述第二弹性层内设置有第二应变监测传感器，用于采集孔洞内岩石的应变数据；

[0010] 所述处理单元用于根据所述岩芯的应变数据、所述孔洞内岩石的应变数据、所述第一弹性材料的弹性系数和所述第二弹性材料的弹性系数，得到围岩的应力信息。

[0011] 本发明的有益效果是：本发明提供的采动应力的动态监测系统，通过双层岩芯管和取芯钻头取岩芯，在取得岩芯后，直接通过内层岩芯管内壁的第一弹性层中的第一应变监测传感器测量岩芯的应变数据，再通过将离体式监测器推入孔洞内，采集孔洞内岩石的应变数据，二者结合实现了采动应力的实时采集，监测结果能够体现工程施工对其的扰动，实现了采用应力的动态监测。

[0012] 本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

[0013] 一种采动应力的动态监测方法，使用如上述技术方案所述的采动应力的动态监测系统实时监测采动应力，包括：

[0014] 钻机通过外层岩芯管带动取芯钻头转动，内层岩芯管与所述钻机相对固定；

[0015] 当所述钻机控制所述取芯钻头钻入岩石取得岩芯后，第一应变监测传感器采集处于第一弹性层处的岩芯的应变数据，所述第一弹性层由第一弹性材料构成，设置在所述内层岩芯管的内壁，所述第一弹性层的表面排布有所述第一应变监测传感器；

[0016] 推送机构将离体式监测器推入孔洞内，所述离体式监测器包括由第二弹性材料构成的第二弹性层，所述第二弹性层内设置有第二应变监测传感器，用于采集孔洞内岩石的应变数据；

[0017] 所述处理单元根据所述岩芯的应变数据、所述孔洞内岩石的应变数据、所述第一弹性材料的弹性系数和所述第二弹性材料的弹性系数，得到围岩的应力信息。

[0018] 本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

[0019] 图1为本发明采动应力的动态监测系统的实施例提供的结构示意图；

[0020] 图2为本发明采动应力的动态监测系统的实施例提供的双层岩芯管结构示意图；

[0021] 图3为本发明采动应力的动态监测系统的实施例提供的弹性材料示意图；

[0022] 图4为本发明采动应力的动态监测系统的实施例提供的离体式监测器结构示意图；

[0023] 图5为本发明采动应力的动态监测系统的其他实施例提供的结构框架示意图；

[0024] 图6为本发明采动应力的动态监测方法的实施例提供的流程示意图。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0026] 当一块岩石从受力作用的岩体中取出后，由于其岩石的弹性会发生膨胀变形，测量出应力解除后的此块岩石的三维膨胀变形，并通过现场弹模率定确定其弹性模量，则由线性虎克定律即可计算出应力解除前岩体中应力的大小和方向。应力解除法就是基于这一原理测量岩芯的应力，下面对应力解除法进行简要的说明。

[0027] 首先，从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、桐室或其它开挖的表面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。大孔直径为下一步即将打的用于安装探头的小孔直径的3倍以上，小孔直径一般为36-38mm，因此大孔直径一般为130-150mm。

[0028] 然后，用平钻头将孔底磨平，并用锥形钻头打出喇叭口，然后从孔底打直径为36mm的同心小孔，孔深20-40cm。小孔打完后用水冲洗干净，并将用丙酮浸泡过的擦拭头送入小孔中来回擦洗，以彻底清除小孔中的油污和其他脏物。

[0029] 然后，将粘结剂和固化剂按比例混合，搅拌均匀后注入应变计空腔内，用插销固定好柱塞，然后用带有定向器的安装杆将其送入小孔中预定位置。待应变计前部的锥形头碰到小孔底后，用力推安装杆，以切断插销，使柱塞进入空腔内，空腔内的胶结剂通过柱塞中心孔和后部的径向孔流入应变计和钻孔壁之间的环状间隙中。应变计两端的密封圈将阻止胶结剂从此间隙中流出。当胶结剂固化后，应变计即和小孔紧密胶结在一起。

[0030] 然后，待胶结剂固化后，即可进行应力解除试验。应力解除前首先将应变计的导线电缆从岩芯管、钻杆及其后部的水线三通管穿出，接入电桥转换装置中。然后用直径为130mm的薄壁钻头继续延深大孔，使应变计周围的岩石逐渐与围岩脱离，从而实现套孔岩芯的应力解除。应力解除过程中，应变计中各应变片所测得的应变值由电桥转换装置和数据采集器自动记录下来。根据指令，每进尺2-4cm记录一次应变数据，同时记录一次热敏电阻的读数。

[0031] 应力解除完成后，通过计算机将数据采集器贮存的应变数据打印出来，并据此绘制出应力解除曲线，即各应变片的应变值随应力解除深度变化的曲线。根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围的原岩应力状态，即地应力。

[0032] 这种方式虽然能够测量出较为精确的原岩应力，然而，这种测量方法具有如下缺点。

[0033] 第一，应力解除法需要在巷道帮部先打直径为115mm的大孔，再打一个和大孔同心的直径为35mm的小孔。大孔和小孔的同心不易实现；第二，钻孔之后需要在小孔孔洞内部放置应力监测传感器，但放置过程较为复杂，需要和传感器入孔时的方位一致，不易实现；第三，使用钻机打钻的岩石套芯过程对岩石扰动极大，往往会使岩石裂隙和损伤进一步扩大，而且在孔洞周围会产生应力集中，而应力集中往往会被测得的结果所忽视；第四，原岩应力监测结果无法体现工程施工对其的扰动，无法实现应力的动态监测；第五，胶结剂固化通常需要20小时左右，才能进行应力解除试验，测试过程十分漫长，无法满足工程需求。

[0034] 基于此，本发明提出了一种能够实时动态监测采动应力的系统，下面结合附图1～5进行说明。

[0035] 如图1所示，为本发明采动应力的动态监测系统的实施例提供的结构示意图，该系统包括：钻机1、双层岩芯管2、取芯钻头3和应力监测系统4，双层岩芯管2包括外层岩芯管22和内层岩芯管21，应力监测系统4包括：第一应变监测传感器41、第二应变监测传感器42、处理单元和推送机构，其中：

[0036] 外层岩芯管22与取芯钻头3连接，钻机1通过外层岩芯管22带动取芯钻头3转动，内层岩芯管21与钻机1相对固定，内层岩芯管21的内壁设置有由第一弹性材料构成的第一弹性层5，第一应变监测传感器41排布在第一弹性层5的表面，第一应变监测传感器41用于当钻机1控制取芯钻头3钻入岩石取得岩芯后，采集处于第一弹性层5处的岩芯的应变数据；

[0037] 推送机构设置在双层岩芯管2靠近取芯钻头3的一端，用于当取芯钻头3取芯完成后，将离体式监测器推入孔洞内，离体式监测器包括由第二弹性材料构成的第二弹性层，第二弹性层内设置有第二应变监测传感器42，用于采集孔洞内岩石的应变数据；

[0038] 处理单元用于根据岩芯的应变数据、孔洞内岩石的应变数据、第一弹性材料的弹性系数和第二弹性材料的弹性系数，得到围岩的应力信息。

[0039] 应理解，为便于展示，图1中将应力监测系统4和第一弹性层5画在了双层岩芯管2的表面上，实际应该在内层岩芯管21的内部。

[0040] 如图2所示，给出了一种示例性的双层岩芯管2结构示意图，左图为双层岩芯管2的截面图，以第一弹性层5所在位置处做截面，从图中可以看出，内层岩芯管21嵌套在外层岩芯管22内，两层岩芯管可以相对转动，内层岩芯管21的内壁设置有第一弹性层5。右图为双层岩芯管2的的侧面剖视图，从图中可以看出，弹性材料设置在内层岩芯管21内壁的预设位置处。应理解，为了为岩芯提供充足的膨胀空间，可以将第一弹性层5设置为圆环形，即在内层岩芯管21的预设位置处，内壁都是弹性材料，外壁仍是刚性材料。

[0041] 应理解，第一弹性材料可以根据实际需求选择，例如，可以为橡胶、橡胶化合物等，也可以为弹簧51，应理解，由于岩芯的膨胀程度通常较小，因此，可以选择弹性系数较大的弹性材料。

[0042] 如图3所示，给出了一种第一弹性材料选择弹簧51时的结构示意图，内层岩芯管21的内壁设置有凹槽，凹槽内设置有弹簧51，弹簧51的外部与刚性材料形成的挡板52连接，例如，刚性材料可以与内层岩芯管21的材料相同，当岩芯膨胀时，可以将挡板52向内推移一小段距离。应理解，由于岩芯的膨胀程度通常较小，因此，可以选择高精度高灵敏度的弹簧51。

[0043] 需要说明的，第一应变监测传感器41在第一弹性层5的分布位置可以根据实际需求设置，例如，当第一弹性层5为环形区域时，第一应变监测传感器41可以分别设置在4等分点处，以便于精确测量岩芯的各个方向上的形变。

[0044] 应力监测系统4的具体型号可以根据用户的实际需求选择，第一应变监测传感器41可以为应变片，平行设置在第一弹性层5表面。

[0045] 如图4所示，提供了一种示例性的离体式监测器的结构示意图，图中，包括第二弹性层50，第二弹性层50中间是实体结构，第二弹性层50中排布有第二应变监测传感器42。

[0046] 应理解，第二弹性材料可以根据实际需求选择，例如，可以为橡胶、橡胶化合物等。

[0047] 第二弹性层的直径应该略大于孔洞的内径，以使离体式监测器能够刚好填满孔洞。

[0048] 推送机构将离体式监测器推送如孔洞内，离体式监测器可以脱离推送机构，留在孔洞内，可以通过导线与第二弹性层50内的传感器进行连接，连接到外部的处理单元或采集终端，可以和地面的监测系统通过通信方式交换数据，进行实施动态监测。

[0049] 通过这种方式，相比于传统的应力解除法，不需要用粘结剂和围岩粘结在一起，也不需要再进行应力解除，由于第二弹性层50的存在，在其内部的应变监测传感器不受围岩直接接触，不会被破坏，而且不用再解除了，永久放入围岩内部，能实时动态监测应力。同时，弹性材料与应变监测传感器无缝接触，应力监测相对准确，没有应力集中现象的出现。

[0050] 下面对本系统的工作流程进行说明。

[0051] 首先，通过普通钻头进行钻孔，当孔洞到达待探测的岩石时，换上取芯钻头3，此时，钻机1通过外层岩芯管22带动取芯钻头3钻孔，由于取芯钻头3是中空的，会采集到岩芯，随着取芯钻头3继续推进，岩芯沿着内层岩芯管21进入到第一弹性层5域，此时，可以暂停取芯，或者减慢取芯速度，等待岩芯膨胀。

[0052] 然后设置在双层岩芯管2一端的推送机构将离体式监测器推入孔洞内，应理解，推送机构可以通过机械结构实现，例如，可以将推送机构的一端与内层岩芯管21固定连接，另一端通过轴承和推杆实现离体式监测器的推送。

[0053] 第二弹性层50中排布有第二应变监测传感器42，离体式监测器进入孔洞后，第二弹性层50与孔洞紧密接触，第二应变监测传感器42检测孔洞的形变信息。

[0054] 然后，通过设置在第一弹性层5域的第一应变监测传感器41测量岩芯各个方向上的形变，根据形变量确定岩芯的应力信息，并根据形变量和弹性系数确定弹性材料的弹力信息，根据弹力信息对应力信息进行补偿，得到采动的残余应力信息。然后处理单元根据第二应变监测传感器42检测孔洞的形变信息确定围岩采动的初始应力信息，再通过残余应力信息进行修正和补偿。

[0055] 下面以一个实例进行说明。

[0056] 假设第二弹性层50内设置有成正三角形排布的3个第二应变监测传感器，那么可以根据以下公式计算其应变和应力：

[0057] εx＝ε1

[0058]

[0059]

[0060]

[0061] 其中，εx表示x轴方向上的应变，εy表示y轴方向上的应变，ε1、ε2、ε3分别表示3个应变监测传感器，ε1表示与x轴方向平行的应变监测传感器，Jx表示x轴方向上的应力，Jy表示y轴方向上的应力，E表示岩层的弹性模量，μ表示泊松比。

[0062] 由于应力数据是在钻孔后实时采集的，因此，能够充分反应工程施工对其的扰动，实现了采动应力的实时动态采集，不需要像传统的应力解除法一样，进行复杂繁琐的人工操作，以及等待漫长的测量时间，能够提高应力测量的实时性。

[0063] 本实施例提供的采动应力的动态监测系统，通过双层岩芯管和取芯钻头取岩芯，在取得岩芯后，直接通过内层岩芯管内壁的第一弹性层中的第一应变监测传感器测量岩芯的应变数据，再通过将离体式监测器推入孔洞内，采集孔洞内岩石的应变数据，二者结合实现了采动应力的实时采集，监测结果能够体现工程施工对其的扰动，实现了采用应力的动态监测。

[0064] 可选地，在一些实施例中，处理单元具体用于根据岩芯的应变数据确定岩芯的形变量，根据岩芯的形变量确定岩芯的应力信息，并根据岩芯的形变量和第一弹性材料的弹性系数确定第一弹性材料的应力信息，根据第一弹性材料的应力信息对岩芯的应力信息进行补偿，得到围岩采动的残余应力信息；

[0065] 处理单元还用于根据孔洞内岩石的应变数据确定孔洞内岩石的形变量，根据孔洞内岩石的形变量确定孔洞内岩石的应力信息，并根据孔洞内岩石的形变量和第二弹性材料的弹性系数确定第二弹性材料的应力信息，根据第二弹性材料的应力信息对孔洞内岩石的应力信息进行补偿，得到围岩采动的初始应力信息；

[0066] 所述处理单元还用于根据残余应力信息对初始应力信息进行修正和补偿。

[0067] 可选地，在一些实施例中，如图5所示，还包括：通讯单元6和显控终端7，通讯单元6用于将应力信息发送给显控终端7，显控终端7用于实时显示应力信息。

[0068] 应理解，通讯单元6可以通过有线或无线的方式与显控终端7和处理单元连接。

[0069] 显控终端7可以为具有显示和控制功能的终端，例如，计算机、工业控制计算机等。

[0070] 可选地，在一些实施例中，如图4、图5所示，还包括：位移传感器8，位移传感器8设置在第二弹性层50内，用于获取离体式监测器应力监测系统4的位移信息。

[0071] 可选地，在一些实施例中，如图4、图5所示，还包括：定位传感器9，定位传感器9设置在第二弹性层50内，用于获取离体式监测器应力监测系统4的位置信息。

[0072] 可选地，在一些实施例中，显控终端7具体用于通过预先建立的数字化模型实时显示应力信息、位移信息和定位信息，数字化模型包括巷道围岩的三维模型，显控终端7还用于根据应力信息、位移信息和定位信息对三维模型的几何参数进行实时更新。

[0073] 需要说明的是，本发明的数字化模型与物理实体共同构成了数字孪生系统，数字孪生系统是构建物理实体与虚拟模型之间数据和信息实时动态交互的自主判识系统，可与物理实体同步规划、同步建设、适度超前布局，实现对物理实体故障和健康状态的智能化预测。数字孪生系统的建立需要完成以下三个模块，即物理实体，虚拟的数字化模型，物理实体和数字化模型之间的数据接口及信息互馈。

[0074] 对于本发明而言，物理实体就是采动应力监测的围岩和各类传感器；数字化模型包括围岩的数值模型、传感器监测数据和围岩的边界条件设置；信息互馈是指物理实体测得的应力数据传输到数字化模型中，数值模型进行处理后反馈给物理实体的传感器、控制器中。

[0075] 具体地，物理实体包括隧道或者巷道所处地质环境，包括周围土体属性、应力环境、温度环境和边界载荷等。数字化模型可以根据围岩结构参数数据库、传感器安装流程、隧道地质信息、隧道水文信息等因素，同步构建围岩结构的全要素多物理场数字化模型，基于大型高性能并行算法，实现围岩地质结构的数字化多物理场模型与物理空间实体数据库、建设历史数据以及隧道运行状态数据之间的全要素、全流程、全数据动态共享、融合和集成，为达到实体空间和数字化模型之间形态展布、位移场、应力场、温度场、约束条件、运行状态等多场数据动态实时交互和反馈提供前提条件和数据保障。

[0076] 而本发明中，通过对应力监测系统4、位移传感器8和位置传感器进行布置，是构建数字孪生系统的核心和关键。本发明可以运用地震波CT动态扫描技术探测隧道地质构造及土体裂隙场分布特征，掌握围岩地质结构外部地质因素对其稳定性影响，自主识别并预警地质构造和土体裂隙场的来压异常，并实施反馈给数字化模型。

[0077] 通过布置围岩应力场传感器，传输物理空间实体和数字化模型之间的交互式数据，实现隧道土体压力的数字孪生模型应力场实时动态更新，统一提取形态展布、位移场、应力场等多场传感器实时动态数据，收集隧道运行过程中围岩异常和错误信息，进行动态管理，以便及时调整和纠偏。

[0078] 进一步地，本申请通过物理实体和数字化模型的信息互馈，能够保障采动应力场动态监测的数字孪生系统有效运行。可以基于数字化全要素多物理场模型模拟仿真技术，集成围岩多物理场传感器监测数据，存储并统一编码到数字孪生系统数据源中，运用大型高性能并行算法自主模拟隧道运行过程，分析围岩在应力、温度和工程载荷作用下多物理场数据演化特征。构建大数据驱动的围岩数字孪生仿真平台，实时共享、同步和互馈围岩多物理场运行数据，实现数字孪生系统对物理空间实体的虚拟反向控制，建立多物理场数据驱动的物理实体和数字化模型信息交互同步运行机制。

[0079] 可选地，在一些实施例中，显控终端7还用于根据应力信息、位移信息和定位信息反向控制钻机1。

[0080] 可选地，在一些实施例中，外层岩芯管22和内层岩芯管21之间设置有轴承，外层岩芯管22和内层岩芯管21通过轴承相对转动。

[0081] 可选地，在一些实施例中，弹性材料呈环形排布在内层岩芯管21的内壁，形成第一弹性层5，并且第一弹性层5的弧面半径与内层岩芯管21的内表面半径相同。

[0082] 可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

[0083] 如图6所示，为本发明采动应力的动态监测方法的实施例提供的流程示意图，该方法使用如上述任意实施例所述的采动应力的动态监测系统实时监测采动应力，包括：

[0084] S1，钻机通过外层岩芯管带动取芯钻头转动，内层岩芯管与钻机相对固定；

[0085] S2，当钻机控制取芯钻头钻入岩石取得岩芯后，第一应变监测传感器采集处于第一弹性层处的岩芯的应变数据，第一弹性层由第一弹性材料构成，设置在内层岩芯管的内壁，第一弹性层的表面排布有第一应变监测传感器；

[0086] S3，推送机构将离体式监测器推入孔洞内，离体式监测器包括由第二弹性材料构成的第二弹性层，第二弹性层内设置有第二应变监测传感器，用于采集孔洞内岩石的应变数据；

[0087] S4，处理单元根据岩芯的应变数据、孔洞内岩石的应变数据、第一弹性材料的弹性系数和第二弹性材料的弹性系数，得到围岩的应力信息。

[0088] 可选地，在一些实施例中，S3具体包括：

[0089] 处理单元根据岩芯的应变数据确定岩芯的形变量，根据岩芯的形变量确定岩芯的应力信息，并根据岩芯的形变量和第一弹性材料的弹性系数确定第一弹性材料的应力信息，根据第一弹性材料的应力信息对岩芯的应力信息进行补偿，得到围岩采动的残余应力信息；

[0090] 处理单元根据孔洞内岩石的应变数据确定孔洞内岩石的形变量，根据孔洞内岩石的形变量确定孔洞内岩石的应力信息，并根据孔洞内岩石的形变量和第二弹性材料的弹性系数确定第二弹性材料的应力信息，根据第二弹性材料的应力信息对孔洞内岩石的应力信息进行补偿，得到围岩采动的初始应力信息；

[0091] 处理单元根据残余应力信息对初始应力信息进行修正和补偿。

[0092] 可选地，在一些实施例中，还包括：

[0093] 通讯单元将应力信息发送给显控终端，显控终端实时显示应力信息。

[0094] 可选地，在一些实施例中，还包括：

[0095] 位移传感器获取离体式监测器的位移信息，位移传感器设置在第二弹性层内。

[0096] 可选地，在一些实施例中，还包括：

[0097] 定位传感器获取离体式监测器的位置信息，定位传感器设置在第二弹性层内。

[0098] 可选地，在一些实施例中，还包括：

[0099] 显控终端通过预先建立的数字化模型实时显示应力信息、位移信息和定位信息，数字化模型包括巷道围岩的三维模型；

[0100] 显控终端根据应力信息、位移信息和定位信息对三维模型的几何参数进行实时更新。

[0101] 可选地，在一些实施例中，还包括：

[0102] 显控终端根据应力信息、位移信息和定位信息反向控制钻机。

[0103] 可选地，在一些实施例中，外层岩芯管和内层岩芯管之间设置有轴承，外层岩芯管和内层岩芯管通过轴承相对转动。

[0104] 可选地，在一些实施例中，弹性材料呈环形排布在内层岩芯管的内壁，形成第一弹性层，并且第一弹性层的弧面半径与内层岩芯管的内表面半径相同。

[0105] 可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

[0106] 需要说明的是，上述各实施例是与在先产品实施例对应的方法实施例，对于方法实施例中各可选实施方式的说明可以参考上述各产品实施例中的对应说明，在此不再赘述。

[0107] 读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0108] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

[0109] 上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0110] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。