CN103527180B - 水压致裂法原地应力测量数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水压致裂法原地应力测量数据采集系统，可以实现在水压致裂法原地应力测量过程中，同时对测试段压力数据、封隔器监测压力数据、测试段流量数据的采集，采集频率达5-10Hz，并实现了数据采集的平稳传输。

Description

水压致裂法原地应力测量数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种水压致裂法原地应力测量数据采集系统，主要用于水压致裂法测试过程中压力信号和流量信号的数据记录和采集。

背景技术

地应力测量是测量固体地球物理现象背后物理机制的力学基本参数，在地下隧道、铁路、公路、采矿工程围岩、高边坡及岩土开挖等地质工程中应用十分广泛。掌握准确的地应力时空分布特征和规律是分析固体地球物理问题的基础，也是地质工程问题稳定性研究和设计分析、实现岩土工程决策科学化的必要前提，因此地应力测量理论、方法及地应力场的研究，具有重要的科学意义。

通过测量发现，最大主应力的方向几乎都是接近水平的。在目前广泛应用的地应力测量方法中，只有地应力解除法和水压致裂法能提供水平应力的主应力大小和方向，其余地应力测量方法仅能提供主应力方向，不能提供主应力大小。而水压致裂法因其测量深度大、无需套芯、无需精密复杂的井下仪器、不依赖于岩石的应力—应变关系、所测得的是较大范围内的平均地应力值等突出的优点，得到科研工作者的青睐。

水压致裂法是低渗岩石在水压作用下微裂纹产生、扩展、贯通，直到宏观裂纹产生，并导致其致裂的过程，水压致裂法原地应力测量是通过在钻孔周围岩层中诱发人工裂缝来获取地应力的一种方法。其实质是利用一对可膨胀的橡胶封隔器在预定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过注入流体对封隔段增压，致使孔壁及其周围岩体产生人工裂缝，同时利用仪器记录压力随时间的变化，根据压裂过程曲线的压力特征值就可得到测点附近原地应力的大小、方向及岩石的致裂压力、重张压力以及抗拉强度等力学参数，为分析地质工程问题稳定性等问题提供重要依据。

在早期，水压致裂法原地应力测试系统的数据记录和采集系统采用了磁带记录仪和表格记录仪，随着计算机存储技术的快速发展，从2002年起，逐步淘汰了磁带记录仪，采用表格记录仪和计算机快速数采记录仪系统。

现有的数据记录和采集系统存在以下问题：

（1）表格记录仪只能记录两路信号，记录速度和范围有限，与此同时，由于表格记录仪逐步被淘汰，且与表格记录仪有关的附属设施产品有关厂家均已经不再生产，导致表格记录仪的使用、维护和升级换代困难。

（2）初期的计算机快速数采记录仪系统也只能记录两路信号，而且信号受到工地现场发电机信号以及交流电脉冲信号的影响，记录曲线噪声非常大，采集信号十分不稳定，进而导致在曲线数据处理过程会产生较大的误差，并给后期记录数据的自动分析处理造成很大的困难。

（3）早期的数采系统均采用R232串行口来进行数据传输，而现在流行的计算机系统基本废除了R232串行口通讯协议，采用USB2.0或者USB3.0通讯协议，故需要对其进行改进以适应新的技术发展。

鉴于以上客观技术原因，非常有必要开发新一代的数据记录和采集系统。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种水压致裂法原地应力测量数据采集系统，它实现了水压致裂法原地应力测量过程中三通道或者四通道同时数据采集，采集频率达5-10Hz，并实现了数据采集的平稳传输。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种水压致裂法原地应力数据采集系统，包括壳体和安装于壳体内的电路板，所述电路板上包括系统电源模块、过荷检测模块、输入模块、前置放大模块、低通滤波模块、高通滤波模块、数据采集器模块、输出模块，其特征在于：

本系统可接收外部三个传感器的输入，分别接收测试段压力数据、封隔器监测压力数据以及测试段流量数据，前置放大模块对上述接收到的数据进行放大处理，低通滤波模块和高通滤波模块先后对经放大处理后的数据进行滤波，将不符合需要的信号分量过滤，经过上述处理的数据信号传送至数据采集器模块并暂存，随后经输出模块输出至外部计算机。

本发明的水压致裂法原地应力测量数据采集系统可以实现以下功能：

（1）实现水压致裂法原地应力测量过程中三通道或者四通道同时数据采集，采集频率达5-10Hz，三个通道分别为测试段压力数据、封隔器监测压力数据、测试段流量数据，第四个通道为备用通道，为其它数据采集预留接口。

（2）数据采集过程中能够同时实现三个或者四个通道采集信号的低通和高通滤波，实现数据采集的平稳传输。

（3）数据采集系统能够提供12~15V外接直流电源。

（4）数据采集系统与计算机实行USB实时通讯，数据通过计算机存储。

（5）数据采集系统能够使用220V交流电源和12V直流电源供电。

（6）经过现场检验，本发明数据采集系统的记录曲线噪声非常小，采集信号十分稳定，为后期记录数据的自动分析处理奠定了基础。

附图说明

图1是现有水压致裂法原地应力测试系统；

图2是本发明数据采集系统的电路板原理框图；

图3是本发明数据采集系统的电路结构图；

图4是早期数据采集系统的记录曲线；

图5是本发明数据采集系统的记录曲线。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

请参考图2，为本发明的数据采集系统的原理框图。该数据采集系统包括壳体和安装于壳体内的电路板，电路板上包括系统电源模块、过荷检测模块、输入模块、前置放大模块、低通滤波模块、高通滤波模块、数据采集器模块、输出模块。

（一）系统电源模块

本系统的电源模块设置有交流电源和直流电源选择开关，可选择使用220V交流电源或12V直流电源供电。并且在电源模块内部还设置有变压模块，包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，当选择220V交流电源供电时，还可以提供12-15V的外接直流电源输出，将频率为50Hz、有效值为220V的单向交流电源转换为幅值稳压、输出电流为几十安以下的直流电源。其工作原理是：首先采用电源变压器将电网交流电源降低得到所需要的交流电源；将降压后的交流电源，通过整流电路变成单向直流电源；对脉动大的直流电源经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电源，即将交流成份滤掉，保留其直流成份；最后将滤波后的直流电源，通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电源输出，供给流量计等外部器件使用。

（二）过荷保护模块

本系统过荷保护模块对输出的直流电源进行取样和放大，并与设定值比较，当超过设定值时带动蜂鸣器，同时LED灯亮起，切断输入电源。

（三）输入模块

本系统输入模块中设计了四个输入端口，其中有三个端口分别接收外部传感器传送来的测试段压力数据、封隔器检测压力数据和测试段流量数据，第四个端口为备用端口，为其他数据输入预留。本系统输入模块并不局限于仅四个输入端口，还可根据实际需要增加端口数量。

（四）前置放大模块：

本系统的前置放大模块，设有将反相输入端子接于声音输入端子的运算放大器；具有连接在运算放大器的输出端子与运算放大器的反相输入端子之间的第１电阻、串联地连接在运算放大器的反相输入端子与接地之间的第２电阻及开关元件的负反馈电路；为切换小信号输入模式和大信号输入模式的操作开关；以及当操作开关切换为大信号输入模式时使开关元件呈关状态并使运算放大器作为缓冲电路来工作，当操作开关切换为小信号输入模式时使开关元件呈开状态并使运算放大器作为放大电路来工作的开关控制电路。

（五）低通滤波模块

本系统的低通滤波模块是电容、电感与电阻等器件的组合装置，其容许低于某一截止频率的信号分量通过，但高于该截止频率的信号分量不能通过。

（六）高通滤波模块

本系统的高通滤波模块是使高频率比较容易通过而阻止低频率通过。它去掉了信号中不必要的低频成分(或者说去掉了低频干扰)。其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述。也就是说，较低的频率通过该系统时，没有或几乎没有什么输出，而当较高的频率通过该系统时，将会受到较小的衰减。实际上，对于极高的频率而言，电容器相当于“短路”一样，这些频率，基本上都可以在电阻两端获得输出。换言之，该模块适宜于通过高频率而对低频率有较大的阻碍作用。

（七）数据采集模块

本系统的数据采集模块采用常见的U812BL数据采集系统，分辨率为12位，通道数为8路单端A/D，5路I/O，采样速率小于100kHz，无需供电，数据采集模块的量程为0～5V、±5V、0～10V、±10V。

（八）输出模块

本系统的输出模块包括一个USB输出端口，执行USB2.0或USB3.0通讯协议，与外部计算机通讯。

工作原理

利用水压致裂法测量地壳深层岩体地应力时，首先根据测量地的地质编录、地质柱状图、岩芯及井径测井资料等选取钻孔测试地，向地壳钻取一铅直井孔，选取一预定的测量深度作为测试段，设置第一传感器，用于采集该测试段的压力数据，之后利用一对可膨胀的跨接式封隔器在上述的预定测量深度处封隔一段钻孔，在该封隔器上设置第二传感器，用于采集该封隔器的监测压力数据，在地面设置一流量计，在该流量计上设置第三传感器，用于采集流量数据。

进行测量时，先进行致裂试验，对于快速和慢速致裂试验来说，就是将水以快速或慢速泵入测试段，以使测试段增压，加压到超过“破坏压力”，致使孔壁及其周围岩体产生人工裂缝，当测试段井壁水压致裂产生时停泵并打开阀门迅速将水返出。“破坏压力”可由邻近测试段的快速或慢速压裂试验得到。之后进行致裂重张及关闭压力试验。再次将水泵入测试段，使之增压到使诱发张致裂重新张开。使致裂重新张开的压力叫重张压力Pr。当压力趋于稳定时停泵。可以从压力随时间的变化曲线上得到关闭压力Ps。重张和关闭试验通常要重复3-5个回次，以确保得到好的资料。为了精确地确定关闭压力，有时还要作慢速排水试验或并下关闭试验。慢速排水试验是在停泵时立即将测试段的水慢慢地排出，同时记录返回流量与压力随时间的变化。井下关闭试验是，当停泵时，井下开关立即关闭，以观测井下压力随时间的变化情况。

在使用上述水压致裂法进行测量时，将上述三个传感器连接至本发明的数据采集系统。通过传感器将测试段压力数据、封隔器监测压力数据以及测试段流量数据同时全部输入本系统；前置放大模块对上述接收到的数据进行放大处理；低通滤波模块和高通滤波模块先后对经放大处理后的数据进行滤波，将不符合需要的信号分量过滤；经过上述处理的数据信号传送至数据采集器模块并暂存；随后经输出模块输出至外部计算机。外部计算机根据本系统采集的数据，计算出致裂过程曲线的压力特征值，进而就可以得到测点附近原地应力的大小、方向及岩石的致裂压力、重张压力以及抗拉强度等力学参数。

下面是早期数据采集系统和本发明数据采集系统的曲线对比。由图4可知，早期数据采集系统的记录曲线，只有一道压力信号，而且记录曲线毛刺特别多。图5为本发明的数据采集系统的记录曲线，图中显示可以记录3道信号，分别为测试段压力数据、封隔器监测压力数据和测试段流量数据，数据信号平稳光滑，十分理想。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种水压致裂法原地应力测量数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统包括壳体和安装于壳体内的电路板，所述电路板上包括系统电源模块、过荷保护模块、输入模块、前置放大模块、低通滤波模块、高通滤波模块、数据采集器模块和输出模块，其特征在于：本系统可接收外部三个传感器的输入，分别接收测试段压力数据、封隔器监测压力数据以及测试段流量数据；所述过荷保护模块对输出的直流电源进行取样和放大，并与设定值比较，当超过设定值时带动蜂鸣器，同时LED灯亮起，切断输入电源；本系统的低通滤波模块是包括电容、电感与电阻器件的组合装置，其容许低于某一截止频率的信号分量通过，但高于该截止频率的信号分量不能通过；本系统的高通滤波模块，去掉了信号中不必要的低频成分，其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述，也就是说，较低的频率通过该系统时，没有输出，而当较高的频率通过该系统时，将会受到较小的衰减；前置放大模块对上述接收到的数据进行放大处理；低通滤波模块和高通滤波模块先后对经放大处理后的数据进行滤波，将不符合需要的信号分量过滤；经过上述处理的数据信号传送至数据采集器模块并暂存；随后经输出模块输出至外部计算机。

2.如权利要求1所述的水压致裂法原地应力测量数据采集系统，其特征在于，所述系统电源模块设置有交流电源和直流电源选择开关，可选择使用220V交流电源或12V直流电源供电。

3.如权利要求1所述的水压致裂法原地应力测量数据采集系统，其特征在于，所述前置放大模块设有将反相输入端子接于声音输入端子的运算放大器；具有连接在运算放大器的输出端子与运算放大器的反相输入端子之间的第１电阻、串联地连接在运算放大器的反相输入端子与接地之间的第２电阻及开关元件的负反馈电路；为切换小信号输入模式和大信号输入模式的操作开关；以及当操作开关切换为大信号输入模式时使开关元件呈关状态并使运算放大器作为缓冲电路来工作，当操作开关切换为小信号输入模式时使开关元件呈开状态并使运算放大器作为放大电路来工作的开关控制电路。

4.如权利要求1所述的水压致裂法原地应力测量数据采集系统，其特征在于，所述数据采集器模块采用U812BL数据采集器模块，分辨率为12位，通道数为8路单端A/D，5路I/O，采样速率小于100kHz。

5.如权利要求1所述的水压致裂法原地应力测量数据采集系统，其特征在于，所述输出模块包括一个USB输出端口，执行USB2.0或USB3.0通讯协议，与外部计算机通讯。