CN103528718A - 采用连接杆的软岩多测点地应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用连接杆的软岩多测点地应力测试方法。工作时，将多组三向压力盒（每组两个）用锁紧螺钉相邻地固定在连接杆上，多节连杆形式序贯安装操作，直至将所有测点三向压力盒推送至设计位置；连接杆兼作注浆管，全孔注浆后，测量、解算三向压力盒所受压力，得到在钻孔局部坐标系下的每一对三向压力盒孔内位置的地应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx，再建立圆柱双介质力学模型，利用数值模拟方法，以迭代收敛方式求取钻孔处原岩应力场应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx。该方法连接杆兼作注浆杆，统一注浆，孔内浆液介质均匀，计算较为简便。可直接测量深部软岩中多个测试点的地应力值并实现地应力场的连续监测。

Description

采用连接杆的软岩多测点地应力测试方法

技术领域

本发明属于岩土测量技术领域，具体涉及一种采用连接杆的软岩多测点地应力测试方法。

背景技术

煤矿深井巷道的安全建设依赖于对地应力场的空间分布和时间演化规律的了解。在煤矿深部破碎软弱的围岩中，采用目前常用测试方法进行地应力的有效测试是非常困难的。硬岩中广泛采用的水压致裂法，其钻孔封隔器需要在高水压下具备良好的水密封性，对岩体的完整性提出了苛刻的要求，尤其不适用于煤矿深部节理裂隙发育的破碎软弱岩体。另一种常用测试方法为应力解除法。由于煤矿深部松软围岩中岩芯很难获取，无法通过单轴压缩实验得到力学参数，应力解除法在破碎软弱岩体中难以实施。中国科学院武汉岩土力学研究所提出了一种“基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法和装置”（专利号201210096644.6），利用深部软岩在高地应力下流变的特性，实现软岩地应力的实时测量和长期监测。

随着开采巷道深度的不断增加，围岩强度低和地应力高的矛盾愈发突出，从施工期开始就必须进行地应力的多点测试，并长期监测围岩中地应力的演化。在实际工程应用中，采用专利201210096644.6方法进行多测试点地应力监测时，需要将多个传感器组推送至不同深度的孔内位置。当围岩质量较好，岩体较硬时，基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法要求尽快在钻孔内进行全孔注浆，以尽早完成周围岩石应力向传感器组的传递，以避免钻孔趋于自稳后应力传递量小的问题。多测试点测量需要往孔中安装多个传感器组（一个测试点需要包含两个三向压力传感器），由于钻孔直径一般与传感器尺寸相当，空隙小，注浆杆很难在整个孔中穿过去，无法实现全孔段的完全注浆，实现简单的应力解算。综上所述，围岩深孔中基于流变应力恢复原理的多测点地应力测量需要解决固定方位和注浆的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种采用连接杆的软岩多测点地应力测试方法。通过该方法，在岩性较好的围岩钻孔中，可使多组压力传感器固定且可测量地安放至钻孔中多个测试点，实现围岩体局部应力场的的测量和计算。

一种采用连接杆的软岩多测点地应力测试方法，包括以下步骤：

（1）在软岩巷道壁上钻孔，钻孔包含多个测点；

（2）准备和测点数量相同的三相压力盒组，每组包括两个三相压力盒；准备连接杆，所述连接杆为中空的，且由多节短杆在向钻孔推进过程中，通过螺纹在孔口组装而成；

（3）将一组两个三向压力盒用锁紧螺钉相邻地固定在连接杆上，两个三向压力盒任意两个工作面法线不重合；将连接杆向钻孔推进，同时组装连接杆，按照深度设计将下一组三向压力盒通过锁紧螺钉固定在连接杆上，连接杆逐段向里推进，直到所有压力盒安装完毕，并推进到设计孔深位置；推进过程中记录下每组两个三向压力盒所有工作面与连接杆轴线方向之间的方向余弦m_{ij,j＝1,...,6}和每个三向压力盒在连接杆上的位置；

（4）根据三向压力盒所有工作面与连接杆轴线方向之间的方向余弦m_{ij,j＝1,...,6}，计算孔中所有三向压力盒的角度和位置，获取所有三向压力盒在钻孔局部坐标系下的坐标与方位；

（5）三向压力盒的数据线和钻孔外的读数仪连接，封闭钻孔，通过中空的连接杆在压力盒附近的注浆孔进行全孔注浆；

（6）浆液凝固后，从读数仪上读取压力值，根据专利201210096644.6方法，求得每一对三向压力盒中间点所在孔内位置的地应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx；

（7）建立圆柱双介质力学模型，以围岩和注浆材料的杨氏模量、泊松比，巷道位置尺寸以及钻孔长度为模型参数，基于每一组三向压力盒在钻孔局部坐标系下的坐标和孔内位置的地应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx，利用有限元数值模拟，以迭代收敛方式求取钻孔处原岩应力场应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx。

所述三向压力盒为正方体的形式，三个工作面相互垂直。

通过连接杆对钻孔实施注浆，注浆材料采用水泥砂浆。

作为一种优选，连接杆采用中空的普通钢管制作，一次性使用。

本发明具有以下的优点和有益效果：①可直接测量深部软岩中多个测试点的地应力值并实现地应力场的连续监测，适合于较硬的围岩中实施应力测试；②连接杆固定所有三向压力盒传感器，相对位置都是固定的，统一在一个钻孔局部坐标系下，有利于围岩应力场的反演，不需要另外的定位装置，方便现场实施；③连接杆兼作注浆杆，实施统一注浆，孔内的浆液介质均匀，计算较为简便稳定。④三向压力盒传感器的引线沿着连接杆外分布，自由度较大，便于现场在孔口的安装。

附图说明

图1为多连杆式软岩地应力多点测量位置示意图。

1-三向压力盒，2-三向压力盒，3-连接杆，4-数据线，5-读数仪，6-锁紧螺钉。

图2为连接杆兼注浆杆与应力传感器固定关系示意图。

3-连接杆，6-锁紧螺钉，7-注浆孔。

图3为均匀注浆计算力学模型二维界面示意图。

8-钻孔围岩，9-钻孔。

图4为全孔均匀注浆应力测量模拟计算Y分量结果。

图5为全孔均匀注浆应力测量的区域地应力场反演Y分量结果。

图6为全孔均匀注浆应力测量的区域地应力场反演Z分量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明实际上还公开了一种地应力测量辅助装置，包括连接杆3，锁紧螺钉6，注浆孔7，如图2所示。

应用上述辅助装置进行软岩钻孔中的多测点地应力测试方法，包括以下步骤：

（1）在软岩巷道壁上往围岩体内钻孔，包含了多个测试点的位置。并以钻孔孔口中心为原点，巷道轴线方向为X轴，孔口所在圆周切向为Y轴，钻孔轴向为Z轴，建立坐标系（如图1所示）。

（2）将两个三向压力盒1和2用锁紧螺钉6相邻地固定在连接杆3上，如图2所示，两个三向压力盒1和2任意两个工作面法线不重合；记录下两个三向压力盒1和2所有工作面与连接杆3轴线方向之间的方向余弦m_{ij,i＝1,...,N,j＝1,...,6}，i表示第几个三向压力盒，j表示三向压力盒的6个面。

（3）连接杆3以多节连接的形式在孔口安装，根据连接杆3的节数和锁紧螺钉6在该节连接杆3的位置，记录每个三向压力盒1或2在连接杆3上的位置。

（4）按照深度设计将下一对三向压力盒固定在连接杆3上，连接杆3逐段向里推进，直到所有三向压力盒安装完毕，并推进到设计深度位置。推进过程中记录下每组两个三向压力盒所有工作面与连接杆轴线方向之间的方向余弦m_{ij,j＝1,...,6}和每个三向压力盒在连接杆上的位置；

（5）根据三向压力盒所有工作面与连接杆轴线方向之间的方向余弦m_{ij,i＝1,...,N,j＝1,...,6}，计算孔中所有三向压力盒的角度和位置，获取所有三向压力盒在钻孔局部坐标系下的坐标与方位。

（6）数据线4和钻孔外的读数仪5连接，封闭钻孔9孔口。

（7）通过中空的连接杆3在三向压力盒1和2附近的注浆孔7进行全孔注浆，如图2所示。

（8）浆液凝固后，从读数仪5上不断读取压力值，根据单测点双压力盒应力方程求解法（参见“基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法和装置”，专利号201210096644.6），求得每一对三向压力盒所在孔内位置的地应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx，表征的是两个三向压力盒中点位置的应力值。

（9）建立圆柱双介质力学模型（含围岩和注浆材料的杨氏模量E1、E2和泊松比υ₁、υ₂，如图3所示），考虑巷道与钻孔位置尺寸，基于每一对三向压力盒在钻孔局部坐标系下的坐标和孔内位置的地应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx，利用数值模拟方法，以最大似然或者最小方差迭代收敛方式求取钻孔处原岩应力场应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx。

实施例1

针对深度800～1000米的强度较大质地较硬的砂岩煤系地层，首先制作分节形式的连接杆3，使用中空的普通钢管制作，每节连接杆为120cm长，每一节连接杆3都可以与其他连接杆3螺纹连接，内外都是平顺的。在一部分连接杆3的中部安置有可与三向压力盒1、2上螺孔对接的锁紧螺钉6两个，连接杆3在两个锁紧螺钉6的外侧和中间位置加工出三个注浆孔7。

在煤矿800～1000米深部软岩巷道应用时，巷道直径大约4米，钻孔深度20～30米，孔径130mm。选择带有锁紧螺钉6的连接杆3，将三向压力盒1、2与之固定连接，保证两个三向压力盒1和2任意两个工作面法线不重合；记录下两个三向压力盒1和2所有工作面与连接杆3轴线方向之间的方向余弦m_{ij,i＝1,...,N,j＝1,...,6}。每一节连接杆3均于钻孔口处连接，推杆整体不断加长、推进，保证数据线缆4微微紧绷地延伸到孔口外，直至按照设计需要连接下一组三向压力盒，重复上述步骤，直至所有三向压力盒都安装完毕。计算孔中所有三向压力盒的角度和位置，获取所有三向压力盒在钻孔局部坐标系下的坐标与方位。连接数据线缆4和读数仪5，读数仪5采用可读取振弦式传感部件的DataTaker80G。封住孔口，通过中空的连接杆3往钻孔内注浆，注浆材料使用细沙水泥配置的标号5以下的水泥砂浆，注浆压力约0.5MPa。

计算区域地应力场按下述步骤进行：

（1）待钻孔逐渐收缩施加压力在所有三向压力盒后，基于传感器读数，根据单测点双压力盒应力方程求解法（参见“基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法和装置”，专利号201210096644.6），求得钻孔内每组三向压力盒中心处应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx。

（2）建立圆柱双介质力学模型，设定原岩应力场σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx初始值，以围岩和注浆材料的杨氏模量E₁、E₂、泊松比υ₁、υ₂，巷道位置尺寸以及钻孔长度为模型参数，利用数值模拟方法，计算每组三向压力盒中心处应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx，与步骤（1）得到的相应应力分量值进行对比，用最大似然或者最小方差判据，以最小方差迭代收敛方式求取钻孔处原岩应力场应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx。

800米深部软岩巷道应用区域应力场的反演结果如图4所示，应力的测量和反演可以基于数值模拟完成。双介质力学模型数值模拟得到的空间应力分布除了孔底外没有出现明显应力集中，如图4所示。反演得到巷道开挖后但未钻测试孔时的应力分布，岩体表面到内部Y方向（重力方向）应力呈减小趋势，数值大小为20～35MPa，如图5所示；Z方向（钻孔轴向）应力呈增大趋势，数值大小为11～15MPa，构造应力较小，如图6所示。反演得到的地应力场可作为分析巷道开挖和邻近巷道来压的基础数据。

巷道开挖后围岩应力释放，巷道壁附近的岩体内部一般会出现破碎的松动圈，加之原生的节理裂隙的存在，岩体中的应力场通常是不均匀的，结合钻孔摄像或者地球物理的探测方法获取围岩中裂隙和破碎程度的空间分布信息，是建立合理的应力场初始力学模型的重要信息来源。接近实际情况的空间模型是上述地应力场反演计算过程稳定准确的保证。

Claims (3)

1.一种采用连接杆的软岩多测点地应力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在软岩巷道壁上钻孔，钻孔包含多个测点；

（2）准备和测点数量相同的三相压力盒组，每组包括两个三相压力盒；准备连接杆，所述连接杆为中空的，且由多节短杆在向钻孔推进过程中，通过螺纹在孔口组装而成；

（3）将一组两个三向压力盒用锁紧螺钉相邻地固定在连接杆上，两个三向压力盒任意两个工作面法线不重合；将连接杆向钻孔推进，同时组装连接杆，按照深度设计将下一组三向压力盒通过锁紧螺钉固定在连接杆上，连接杆逐段向里推进，直到所有压力盒安装完毕，并推进到设计孔深位置；推进过程中记录下每组两个三向压力盒所有工作面与连接杆轴线方向之间的方向余弦和每个三向压力盒在连接杆上的位置；

（4）根据三向压力盒所有工作面与连接杆轴线方向之间的方向余弦，计算孔中所有三向压力盒的角度和位置，获取所有三向压力盒在钻孔局部坐标系下的坐标与方位；

（5）三向压力盒的数据线和钻孔外的读数仪连接，封闭钻孔，通过中空的连接杆在压力盒附近的注浆孔进行全孔注浆；

（6）浆液凝固后，从读数仪上读取压力值，根据专利201210096644.6方法，求得每一对三向压力盒中间点所在孔内位置的地应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx；

（7）建立圆柱双介质力学模型，以围岩和注浆材料的杨氏模量E₁、E₂，泊松比υ₁、υ₂，巷道位置尺寸以及钻孔长度为模型参数，基于每一组三向压力盒在钻孔局部坐标系下的坐标和孔内位置的地应力分量σ′_x、σ′_y、σ′_z、τ′_xy、τ′_yz、τ′_zx，利用有限元数值模拟，以迭代收敛方式求取钻孔处原岩应力场应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx。

2.根据权利要求1所述的地应力测试方法，其特征在于，所述三向压力盒为正方体的形式。

3.根据权利要求1所述的地应力测试方法，其特征在于，通过连接杆对钻孔实施注浆，注浆材料采用水泥砂浆。

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