CN105547539B - 基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法，系统包括：橡胶囊(1)、第1应变线层、应变数据采集卡以及高压注水钻杆(3)；橡胶囊(1)为轴对称中空结构，在橡胶囊(1)的橡胶本体内部铺设有第1应变线层；在橡胶囊(1)的腔体内部，固定安装应变数据采集卡，并且，应变数据采集卡的输入端与各根第1种应变线的两端连接；另外，橡胶囊(1)配置有高压注水口(4)，高压注水口(4)的一端与橡胶囊(1)的腔体连通；高压注水口(4)的另一端与置于橡胶囊(1)外部的高压注水钻杆(3)连通。优点为：可解决传统测量方法无法适用于破碎地层钻孔、软弱地层钻孔和深钻孔中精确识别地应力方向的问题。

Description

基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法

技术领域

本发明属于地应力方向测量技术领域，具体涉及一种基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法。

背景技术

地应力，又称原岩应力、岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代中，由于地质构造运动等原因产生的。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，地应力的测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提，所以，选择合理有效的地应力测量方法，具有重要意义。

地应力测量包括地应力大小测量以及地应力方向测量。而对于地应力方向测量，目前主要采用水压致裂法和钻孔崩落法。

具体的，水压致裂法识别主应力方向是指：(1)采用水压致裂法在钻孔孔壁压裂出一条垂直或近垂直的裂缝；(2)然后，将印模器送入到井下的水压致裂部位，再将印模加压膨胀，以使钻孔壁的裂隙印在印模器上；(3)将印有裂缝印痕的印模器取出至地面，通过对印模器外表面的印痕进行分析，可识别主应力方向。该种方法存在的主要问题为：(1)由于需要用水压致裂法在钻孔孔壁压裂出一条近垂直的裂缝，而这个过程仅能在少数的完整性好的花岗岩或大理岩等硬脆性岩石中实现，对于大量的抗压强度低、地层破碎的钻孔，无法压裂出裂缝或只能得到紊乱无章的裂缝，从而无法采用印模法识别主应力方向。(2)在将印有裂缝印痕的印模器取出至地面的过程中，印模器外表面极易受到孔壁的摩擦，从而将印模器表面的裂缝印痕磨损，因此，当印模器取出至地面时，难以通过印模器表面的裂缝的分析，从而识别主应力方向。尤其在进行深孔地应力方向识别中，上述现象更为明显。

钻孔崩落法识别主应力方向是指：将井下电视放置于钻孔中，成像观察钻孔中孔壁岩石的崩落现象，根据崩落方向识别最大主应力方向。该种方法存在的主要问题为：(1)由于崩落现象在一个比较大的方向区间内发生，这个区间往往有20°～50°角度，崩落位置分布范围太广，甚至偶尔有0°～360°角度范围内全部都发生崩落现象的情况，因此，井下电视难以准确识别确切的崩落方向，所以，具有主应力方向的识别准确度非常低的不足，无法适用于精度要求较高的测量。(2)钻孔孔壁岩石崩落现象仅在少数的完整性好硬度高的岩石地层中才能发生，例如，花岗岩、大理岩等，而无法发生在大量的岩石抗压强度低、地层破碎的钻孔中，可见，本方法的使用范围较窄。

综上所述，传统的地应力方向测量方法，具有地应力方向识别精度低以及适用范围小的不足。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于经纬应变线的地应力方向测量系统，所述地应力方向测量系统为完全轴对称结构，包括：橡胶囊(1)、第1应变线层、应变数据采集卡以及高压注水钻杆(3)；

所述橡胶囊(1)为轴对称中空结构，在所述橡胶囊(1)的橡胶本体内部铺设有第1应变线层，所述第1应变线层由多根第1种应变线按预设规则排列，并且，每根所述第1种应变线的两端均伸入到所述橡胶囊(1)的腔体中；

在所述橡胶囊(1)的腔体内部，固定安装所述应变数据采集卡，并且，所述应变数据采集卡的输入端与各根所述第1种应变线的两端连接；

另外，所述橡胶囊(1)配置有高压注水口(4)，所述高压注水口(4)的一端与所述橡胶囊(1)的腔体连通；所述高压注水口(4)的另一端与置于所述橡胶囊(1)外部的高压注水钻杆(3)连通。

优选的，所述橡胶囊(1)为圆形形状或椭圆形形状。

优选的，所述第1种应变线为经线应变线，所述第1应变线层为经线应变线层，即：各根所述第1种应变线按地球经线的排列方式，铺设于所述橡胶囊(1)的橡胶本体内部。

优选的，还包括：纬线应变线层，所述纬线应变线层置于所述经线应变线层的内部或外部，并且，所述纬线应变线层同样铺设于所述橡胶囊(1)的橡胶本体内部；所述纬线应变线层由多根纬线应变线按地球纬线的排列方式排列。

优选的，每根所述经线应变线均为圆形或半圆形；每根所述纬线应变线均为圆形或半圆形；

所述应变线的本质是用于测量应变的元件，作用是将机械构件应变的变化转换为电阻变化，最终可根据电阻变化数据计算得到应变量。

优选的，还包括：密封金属圆柱体(5)和固定支架(6)；

所述应变数据采集卡置于所述密封金属圆柱体(5)的腔体中，所述密封金属圆柱体(5)通过所述固定支架(6)固定安装于所述橡胶囊(1)的腔体中。

优选的，所述固定支架(6)固定于所述橡胶囊(1)的对称轴位置，所述密封金属圆柱体(5)设置于所述橡胶囊(1)的轴心位置。

优选的，在所述橡胶囊(1)的底部可拆卸密封安装有密封堵头(7)。

本发明还提供一种基于经纬应变线的地应力方向测量方法，包括以下步骤：

步骤1，当橡胶囊(1)的橡胶本体内部仅铺设经线应变线层、未铺设纬线应变线层时，操纵高压注水钻杆(3)，将已安装应变数据采集卡的橡胶囊(1)下放到钻孔被测量位置；

步骤2，地面采用高压水泵，通过高压注水钻杆(3)向橡胶囊(1)的空腔中注入高压水；随着高压水的不断注入，橡胶囊(1)不断膨胀，膨胀的橡胶囊挤压钻孔孔壁，使钻孔孔壁产生变形；

而在橡胶囊(1)膨胀和挤压钻孔孔壁的过程中，铺设在橡胶囊(1)本体内部的各根经线应变线产生应变；因此，应变数据采集卡可实时采集到各根经线应变线的应变数据；

步骤3，在测试结束后，地面关闭高压水泵，使橡胶囊(1)中的压力降低至正常值，并将橡胶囊(1)取出至地面；

步骤4，分析应变数据采集卡实时采集到的各根经线应变线的应变数据，得到发生最大应变的经线应变线和发生最小应变的经线应变线；则：发生最大应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最大应变的方向，即：钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最小主应力方向；而发生最小应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最小应变的方向，即：钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最大主应力方向。

优选的，当橡胶囊(1)的橡胶本体内部同时铺设经线应变线层和纬线应变线层时，在进行地应力方向测量时，应变数据采集卡可实时采集到各根经线应变线的应变数据以及各根纬线应变线的应变数据；

然后，当对应变数据采集卡的应变数据进行分析时，还能够分析得到发生最大应变的纬线应变线，则：发生最大应变的经线应变线和发生最大应变的纬线应变线的交叉位置，即为钻孔孔壁最大应变位置点。

本发明提供的基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法具有以下优点：

(1)通过对经纬应变线的应变数据进行分析，可快速准确的得到地应力方向，具有地应力方向测量精度高以及速度快的优点；

(2)具有可适用范围广的优点，既能够适用于完整性较好硬度较高的岩石地层地应力方向测量，也能够适用于岩石抗压强度低、地层易破碎等地层的地应力方向测量；

(3)本发明测量精度不受钻孔深度的影响，与传统技术相比，非常适用于深钻孔地应力方向测量。

附图说明

图1为本发明提供的基于经纬应变线的地应力方向测量系统的结构示意图；

图2为本发明提供的基于经纬应变线的地应力方向测量系统的使用场景示意图；

其中，1-橡胶囊；2-钻孔孔壁的岩石；3-高压注水钻杆；4-高压注水口；5-密封金属圆柱体；6-固定支架；7-密封堵头；8-经线应变线；9-纬线应变线。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于经纬应变线的地应力方向测量系统，可解决传统测量方法无法适用于破碎地层钻孔、软弱地层钻孔和深钻孔中精确识别地应力方向的问题。

实施例一：

结合图1和图2，地应力方向测量系统为完全轴对称结构，包括：橡胶囊1、第1应变线层、应变数据采集卡以及高压注水钻杆3；

(1)橡胶囊和第1应变线层

橡胶囊1为轴对称中空结构，采用能承受高水压的橡胶制成，具有一定的硬度，其截面形状包括但不限于圆形形状或椭圆形形状，优选为类似地球仪的形状。在橡胶囊1的橡胶本体内部铺设有第1应变线层，第1应变线层由多根第1种应变线按预设规则排列，并且，每根第1种应变线的两端均伸入到橡胶囊1的腔体中。

应变线的常用材质为电阻丝，但是，如果本发明采用电阻丝作为应变线，一方面，电阻丝的变形量值有限，难以满足地应力方向测量所需的变形量值；另一方面，当将电阻丝铺设于橡胶囊1的橡胶本体内部时，会出现电阻丝和橡胶囊1的橡胶本体之间变形不协调的现象，从而增加了测量误差，降低了测量精度。本发明人经过多次试验，反复研究，研发得到了一种导电橡胶应变线。

具体的，本发明所采用的应变线是指直径2mm～4mm左右的导电橡胶应变线。导电橡胶是将玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中，具有良好导电性能的材料。导电橡胶已在军工、电子等领域得到非常广泛的应用。导电橡胶制成的应变线的物理机械性能十分优异，使得橡胶囊1在高压注水膨胀过程中，导电橡胶制成的应变线与橡胶囊1的橡胶本体之间变形协调，避免了因变形不协调引起的测量误差。导电橡胶制成的应变线本质是用于测量应变的元件，作用是将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。在橡胶囊1的高压注水膨胀过程中，橡胶囊1的橡胶本体厚度变薄，导电橡胶制成的应变线受橡胶本体的挤压而长度伸长横截面积变小，因而电阻增大。电阻的变化直接表现为电压或电流的变化，从而方便密封金属圆柱体5中的数据采集卡采集数据。测量工作结束后，通过数据采集卡中记录的应变线的电阻变化数据，即可计算出应变线在高压注水过程中的应变量。

在实际制造工艺过程中，橡胶囊本体和内部铺设的应变线层整体一次成型，既保证各根应变线层在橡胶囊本体按预设方式排列，又保证应变线层在橡胶囊本体内部的排列方式固定，应变线层在橡胶囊本体内部不会发生移动。作为一种优选方式，应变线层可铺设于橡胶囊本体的中部位置。

另外，应变线层在橡胶囊本体内部的排列方式可根据实际测量方向灵活调整，可以为按地球经线的排列方式排列，也可以为按地球纬线的排列方式排列。本发明对此并不限制，在后续实施例中，介绍两种具体的例子，从而满足不同测试需求。

(2)应变数据采集卡

在橡胶囊1的腔体内部，固定安装应变数据采集卡，并且，应变数据采集卡的输入端与各根第1种应变线的两端连接。

为保证应变数据采集卡正常工作，应变数据采集卡置于能承受高压的密封金属圆柱体5的腔体中，密封金属圆柱体5通过固定支架6固定安装于橡胶囊1的腔体中。

其中，由于整个地应力方向测量系统为轴对称结构，因此，参考附图，固定支架6固定于橡胶囊1的对称轴位置，密封金属圆柱体5设置于橡胶囊1的轴心位置。

(3)高压注水口和高压注水钻杆

橡胶囊1配置有高压注水口4，高压注水口4的一端与橡胶囊1的腔体连通；高压注水口4的另一端与置于橡胶囊1外部的高压注水钻杆3连通。通过高压注水钻杆，可向橡胶囊内腔注入高压水。

上述地应力方向测量系统的测量过程为：

步骤1，操纵高压注水钻杆3，将已安装应变数据采集卡的橡胶囊1下放到钻孔被测量位置；

步骤2，地面采用高压水泵，通过高压注水钻杆3向橡胶囊1的空腔中注入高压水；随着高压水的不断注入，橡胶囊1不断膨胀，膨胀的橡胶囊挤压钻孔孔壁，使钻孔孔壁产生变形；

而在橡胶囊1膨胀和挤压钻孔孔壁的过程中，铺设在橡胶囊1本体内部的各根应变线产生应变；因此，应变数据采集卡可实时采集到各根应变线的应变数据；

步骤3，在测试结束后，地面关闭高压水泵，使橡胶囊1中的压力降低至正常值，并将橡胶囊1取出至地面；

步骤4，分析应变数据采集卡实时采集到的各根应变线的应变数据，再结合各根应变线在橡胶囊内部的排列方式，可分析得到不同测试精度的地应力方向测试参数。具体测试精度，与各根应变线在橡胶囊内部的排列方式相关。

由此可见，本发明提供的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，只需要根据测量目标，设置按预设规则排列的应变线，然后，通过对应变线发生的应变量进行分析，即可以测量得到不同精度的地应力方向测试参数，具有地应力方向测试精确高且测试精度可调的优点。由于破碎软弱地层钻孔孔壁的变形量值比硬岩地层钻孔孔壁的变形量值更大更显著，因此，该测量系统尤其适用于在破碎软弱地层中进行的地应力方向测量。由于该测量系统的经纬应变线应变数据在测试过程中实时采集，彻底避免了井壁摩擦导致的测量误差，因此该测量系统比传统的印模测量技术更加适用于深钻孔。也就是说，该测量系统解决了传统技术无法适用于在破碎地层钻孔、软弱地层钻孔和深钻孔中精确识别地应力方向的问题。

为方便对本发明进行理解，以下介绍两个实施例：

实施例二：

本实施例是指：在橡胶囊1的橡胶本体内部仅铺设有一层应变线层，即第1应变线层，各根应变线按地球经线的排列方式排列，铺设于橡胶囊1的橡胶本体内部。

实际应用中，根据测试精度需求，灵活调整各根应变线的间距，只要保证整个橡胶囊为轴对称结构即可。当然，各根应变线的间距越小，则测试精度越高。

则：采用与实施例一相同的测量过程进行测试，然后，采用以下方法分析应变数据采集卡实时采集到的各根应变线的应变数据：

分析得到发生最大应变的经线应变线和发生最小应变的经线应变线；则：发生最大应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最大应变的方向，即：钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最小主应力方向；而发生最小应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最小应变的方向，即：钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最大主应力方向。

也就是说，通过本实施例提供的一种应变线的布置规则，可最终测量得到钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最小主应力方向和最大主应力方向。

实施例三：

本实施例是指：在橡胶囊1的橡胶本体内部铺设有两层应变线层，分别为经线应变线层和纬线应变线层，其中，经线应变线层是指：各根应变线按地球经线的排列方式，铺设于橡胶囊1的橡胶本体内部；纬线应变线层是指：纬线应变线层置于经线应变线层的内部或外部，并且，纬线应变线层同样铺设于橡胶囊1的橡胶本体内部；纬线应变线层由多根纬线应变线按地球纬线的排列方式排列。

实际应用中，根据测试精度需求，灵活调整各根经线应变线的间距，以及，灵活调整各根纬线应变线的间距，从而满足不同测试精度要求。

则：采用与实施例一相同的测量过程进行测试，然后，采用以下方法分析应变数据采集卡实时采集到的各根应变线的应变数据：

分析得到发生最大应变的经线应变线和发生最大应变的纬线应变线，则：发生最大应变的经线应变线和发生最大应变的纬线应变线的交叉位置，即为钻孔孔壁最大应变位置点。

也就是说，通过本实施例提供的一种应变线的布置规则，可最终测量得到钻孔孔壁最大应变位置点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，所述地应力方向测量系统为完全轴对称结构，包括：橡胶囊(1)、第1应变线层、应变数据采集卡以及高压注水钻杆(3)；

所述橡胶囊(1)为轴对称中空结构，在所述橡胶囊(1)的橡胶本体内部铺设有第1应变线层，所述第1应变线层由多根第1种应变线按预设规则排列，并且，每根所述第1种应变线的两端均伸入到所述橡胶囊(1)的腔体中；

在所述橡胶囊(1)的腔体内部，固定安装所述应变数据采集卡，并且，所述应变数据采集卡的输入端与各根所述第1种应变线的两端连接；

另外，所述橡胶囊(1)配置有高压注水口(4)，所述高压注水口(4)的一端与所述橡胶囊(1)的腔体连通；所述高压注水口(4)的另一端与置于所述橡胶囊(1)外部的高压注水钻杆(3)连通。

2.根据权利要求1所述的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，所述橡胶囊(1)为圆形形状或椭圆形形状。

3.根据权利要求1所述的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，所述第1种应变线为经线应变线，所述第1应变线层为经线应变线层，即：各根所述第1种应变线按地球经线的排列方式，铺设于所述橡胶囊(1)的橡胶本体内部。

4.根据权利要求3所述的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，还包括：纬线应变线层，所述纬线应变线层置于所述经线应变线层的内部或外部，并且，所述纬线应变线层同样铺设于所述橡胶囊(1)的橡胶本体内部；所述纬线应变线层由多根纬线应变线按地球纬线的排列方式排列。

5.根据权利要求4所述的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，每根所述经线应变线均为圆形或半圆形；每根所述纬线应变线均为圆形或半圆形；所述应变线的本质是用于测量应变的元件，作用是将机械构件应变的变化转换为电阻变化，最终可根据电阻变化数据计算得到应变量。

6.根据权利要求1所述的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，还包括：密封金属圆柱体(5)和固定支架(6)；

所述应变数据采集卡置于所述密封金属圆柱体(5)的腔体中，所述密封金属圆柱体(5)通过所述固定支架(6)固定安装于所述橡胶囊(1)的腔体中。

7.根据权利要求6所述的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，所述固定支架(6)固定于所述橡胶囊(1)的对称轴位置，所述密封金属圆柱体(5)设置于所述橡胶囊(1)的轴心位置。

8.根据权利要求1所述的基于经纬应变线的地应力方向测量系统，其特征在于，在所述橡胶囊(1)的底部可拆卸密封安装有密封堵头(7)。

9.一种基于经纬应变线的地应力方向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，当橡胶囊(1)的橡胶本体内部仅铺设经线应变线层、未铺设纬线应变线层时，操纵高压注水钻杆(3)，将已安装应变数据采集卡的橡胶囊(1)下放到钻孔被测量位置；

步骤2，地面采用高压水泵，通过高压注水钻杆(3)向橡胶囊(1)的空腔中注入高压水；随着高压水的不断注入，橡胶囊(1)不断膨胀，膨胀的橡胶囊挤压钻孔孔壁，使钻孔孔壁产生变形；

而在橡胶囊(1)膨胀和挤压钻孔孔壁的过程中，铺设在橡胶囊(1)本体内部的各根经线应变线产生应变；因此，应变数据采集卡可实时采集到各根经线应变线的应变数据；

步骤3，在测试结束后，地面关闭高压水泵，使橡胶囊(1)中的压力降低至正常值，并将橡胶囊(1)取出至地面；

步骤4，分析应变数据采集卡实时采集到的各根经线应变线的应变数据，得到发生最大应变的经线应变线和发生最小应变的经线应变线；则：发生最大应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最大应变的方向，即：钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最小主应力方向；而发生最小应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最小应变的方向，即：钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最大主应力方向。

10.根据权利要求9所述的基于经纬应变线的地应力方向测量方法，其特征在于，当橡胶囊(1)的橡胶本体内部同时铺设经线应变线层和纬线应变线层时，在进行地应力方向测量时，应变数据采集卡可实时采集到各根经线应变线的应变数据以及各根纬线应变线的应变数据；

然后，当对应变数据采集卡的应变数据进行分析时，还能够分析得到发生最大应变的纬线应变线，则：发生最大应变的经线应变线和发生最大应变的纬线应变线的交叉位置，即为钻孔孔壁最大应变位置点。