CN108547613A - 一种用于测量深部岩体三维地应力的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，主探测部包括环形槽切割、岩石表面打磨、涂胶及应变片剥离、应变片贴片装置，将各部件通过螺钉连接在移动机架及密封组件上，回转装置位于内封套上方并通过螺钉固定在上端套上；热风机及主动力电机位于内封套上方并通过螺钉固定在上机座板上；应变片贴片装置布置在环形槽切割装置薄壁取芯钻头内；纵移机构位于主探测部底部并通过螺钉固定在下端；内封套与下机座板通过纵向连接板及纵向连接杆连接；下机板座与纵移推杆座通过纵向连接套连接；纵移推杆座通过纵移推杆套与纵移机构连接。结构简单，防水效果更好，耐压强度更大，适用于更深的钻孔测试条件，提高了测试精度。

Description

一种用于测量深部岩体三维地应力的装置
技术领域
本发明属于岩土力学现场测量技术领域，更具体涉及一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，它适用于深部垂直钻孔特别是页岩气勘查钻孔的测试环境。
背景技术
在岩土自重以及构造作用等多种因素的作用下，岩体本身赋存有内应力，其大小方向分布十分复杂，因地而异。从目前的研究上来看，地应力的分布特征深刻影响到水利、采矿、油气开采、交通工程等领域，已经被视为设计及施工工作中基础数据资料的重要组成部分。随着页岩气等非常规油气资源受到越来越多的重视，如何在垂直勘察孔中测量深部页岩气储层的地应力状态成为评价页岩气可采资源量的诸多挑战之一。目前，较为成熟的地应力测试方法包括水压制裂法，应力解除法，钻孔崩落法，非弹性应变法等，其中以水压制裂法和应力解除法最为常用。前者在计算地应力过程中需要假设某一主应力方向与钻孔轴线方向一致，可能会造成较大误差使结果不可信；后者主要存在深孔取芯过程中容易断芯的弊病。
经过现有技术的文献检索发现，中国发明专利《地质钻孔孔壁围岩应变测量装置》(侯明勋，凃光骞，葛修润，发明专利号：ZL200810034564.1.国家知识产权局，2011年04月)以及中国发明专利《基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置》(葛修润，侯明勋，凃光骞，发明专利号：ZL201210559619.7.国家知识产权局，2013年03月)基于钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)提出了在垂直孔以及水平孔中进行三维地应力测量的方法。这两套设备由封隔装置、应变测量装置、推送机构、密封电缆接头等部分组成。其中《地质钻孔孔壁围岩应变测量装置》中所述的仪器适用于数百米深，直径为156mm的地质钻孔；《基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置》中所述仪器适用于地下洞室或矿山巷道内的近水平孔内，深度也较浅。在应变测量主工作部部分，均采用打磨机具部分与环形槽切割装置沿设备轴线方向一致的排布方式。同时各种电子设备(包括电机，应变采集装置，控制装置)均直接布置在设备外套内部。在实际测量过程中，上述两种设备所要求的完全应力解除长度均比传统的套芯技术所要求的长度短很多。并且全程采用自动化操作，可靠度以及测量精度距较高。但是针对复杂钻孔条件，特别在是深垂直地质勘察孔进行地应力测量，还存在以下不足之处：
1、页岩气勘察孔孔径一般小于150mm，而目前各部件的排布形式无法满足进一步缩小直径的要求；
2、深垂直钻孔由于钻井液的存在，水头压力很高。深度超过1500m后，保守估计水压将超过30MPa。采用目前单层外套的形式很难满足耐压要求，并且如果发生进水情况，内部电子元件将严重受损，使仪器无法正常运作；
3、目前仪器主工作段过长，而孔内封隔排水能力有限，增加孔壁失稳危险，需要进一步减小纵向尺寸。
发明内容
本发明的目的在于解决上述钻孔局部壁面应力解除法装置的不足之处，是在于提供了一种地应力测量旋转测试平台的密封装置，结构简单，使用方便，仪器设备制造成本低，适用于常用的130mm页岩气勘察孔，通过将岩石表面打磨装置与环形槽切割装置、应变片贴片装置布置在旋转平台上，使探测部长度减小6-7cm，减小了封隔后孔壁失稳的可能，机身采用内外套形式，防水效果更好，增加了仪器的耐压性能，使其适用于深部有压钻孔，使封隔效果更好，耐压强度更大，适用于更深的钻孔测试条件，整个测试过程均采用自动化操作，减小了人为干预，提高了测试精度。
为了实现上述的目的，本发明是通过以下技术方案实现：
一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，它由主探测部、密封组件、环形槽切割装置、岩石表面打磨装置，涂胶及应变片剥离装置、应变片贴片装置、外密封套、内密封套，移动机架、回转装置、纵移装置、热风机、薄壁取芯钻头、主动力电机、主动力传动轴、环切进给电机、进给机构支座、进给推送丝杆、打磨驱动电机、旋转打磨头、打磨机械臂、涂胶剥离机构、胶瓶、喷涂机械臂、剥离机械臂、应变片贴片机构、空心圆筒、上端套、下端盖、上机座板、中机座板、内套、下机座板、纵向连接板、纵向连接杆、纵向连接套、回转电机、O型同步带、回转机座、纵移推杆座、纵移推杆套、纵移齿轮、纵移电机、机座组成，其特征在于：主探测部包括环形槽切割装置、岩石表面打磨装置，涂胶及应变片剥离装置、应变片贴片装置以及热风机，分别将主探测部中的环形槽切割装置、岩石表面打磨装置、涂胶及应变片剥离装置、应变片贴片装置以及热风机通过螺钉或者卡槽连接在移动机架以及密封组件上。移动机架以及密封组件为内外套形式，包括外密封套，内密封套，回转装置，纵移装置以及移动机架。其中回转装置位于内封套上方并通过螺钉以及卡槽固定在上端套上；热风机以及主动力电机位于内封套上方并通过螺钉以及卡槽固定在上机座板上；涂胶及应变片剥离装置位于内封套内部并通过螺钉固定在中机座板上；环形槽切割装置、岩石表面打磨装置以及应变片贴片装置位于内封套下方并通过螺钉以及卡槽固定在下机座板上，其中应变片贴片装置布置在环形槽切割装置薄壁取芯钻头内部；纵移机构位于主探测部底部并通过螺钉固定在下端盖；内封套与下机座板通过纵向连接板以及纵向连接杆连接；下机板座与纵移推杆座通过纵向连接套连接；纵移推杆座通过纵移推杆套与纵移机构连接。
所述的环形槽切割装置包含薄壁金刚石取芯钻头，主动力电机，环切进给电机，进给机构支座和进给推送丝杆。其中钻头通过进给机构支座以及纵向连接板固定在下机座板上方，而机构支座则固定在下机座板上方；主动力电机固定在上机座板上，电机轴线与设备轴线平行，主动力传动轴穿过内密封套，上端与主动力电机相连，下端通过齿轮与薄壁金刚石取芯钻头相连，主动力电机通过两级传动齿轮副带动主动力传动轴使薄壁金刚石取芯钻头旋转；环切进给电机以及进给推送丝杆固定在进给机构支座上，机构支座通过螺钉固定在下机座板下方，环切进给电机轴线与设备轴线垂直，通过主轴沿进给推送丝杆带动钻头向工作面移动。
所述的岩石表面打磨装置包含主动力电机，旋转打磨头以及打磨机械臂。其中旋转打磨头固定在下机座板上方，通过机械臂可将旋转打磨头伸出打磨窗口使钻头紧贴工作面；打磨驱动电机固定在下机座板下方，电机轴线与设备轴线平行，通过铰链连杆机构与打磨机械臂相连，驱动旋转打磨头高速转动打磨工作面。
所述的涂胶及应变片剥离装置包含涂胶剥离机构，胶瓶，喷涂机械臂以及剥离机械臂。其中涂胶剥离机构，胶瓶以及剥离机械臂位于内封隔套内，胶瓶固定在涂胶剥离机构的上方；喷涂机械臂一端为喷胶头，一端与涂胶剥离机构相连，位于薄壁金刚石取芯钻头上方，工作状态下可移动使喷胶头对准工作面；剥离机械臂一端为刮刀，一端与涂胶剥离机构相连，位于薄壁金刚石取芯钻头上方，在应变测量开始前刮去工作面上泥浆，在应变测量结束并且钻头回收以后剥离位于工作面上的应变片。
所述的应变片贴片装置包含应变片贴片机构以及预装应变片槽。其中应变片贴片机构后端固定在钻机座上，前端连接已经预装好的应变片的预装应变片槽，应变片通过导线连接到上设备箱中的多路应变测量仪。在工作区打磨干燥并且喷胶之后将应变片紧贴至工作面。
所述的外密封套包含空心圆筒，上端盖以及下端盖组成。其中空心圆筒于同一高度开有两个孔，分别为主探测窗口以及打磨窗口；上端盖与下端盖为空心构造，可用上下回转付与上下封隔器连接，使本设备在封隔完成后进行旋转，上端盖与下端盖外侧均开有O型密封沟槽，用以安装橡胶密封圈以保证密封质量。
所述的内密封套套包含上机座板、中机座板以及内套，上机座板以及中机座板通过螺钉分别固定在内套的上下两端，内套上端与下端外侧均开有O型密封沟槽，用以安装橡胶密封圈以保证密封质量。
所述的移动机架包括下机座板、纵向连接板、纵向连接杆、纵向连接套，其中内封套与下机座板通过纵向连接板以及纵向连接杆连接；下机板座与纵移推杆座通过纵向连接套连接。
所述的回转装置包括回转电机、O型同步带，回转机座。同步电机通过齿轮以及开式卡板与O型同步带链接并通过方键与回转机座连接，回转机座通过螺钉与上端盖上。经上下封隔器对设备整体定位后，回转机构带动主动力传动轴使内封套以及移动机架在0°－300度范围内进行旋转。
所述的纵移装置包含纵移电机，纵移螺杆，纵移齿轮以及机座。其中纵移电机，纵移螺杆、纵移齿轮以及机座通过机座固定在下端盖上，纵移螺杆套入纵移推杆套与上方纵移推杆座连接；可在纵移电机的推动下使内封套、移动机架以及相应组件上下移动。
本发明中还包括包括热风机，冷却水循环系统，工作监控摄像头以及工作过程状态检测元件。其中热风机位于内封隔套上方，固定在上机座板上，通过专门风路将热风导向工作面进行干燥处理；冷却水循环系统通过专门的水路对钻进过程中的薄壁金刚石钻头进行冷却处理，防止过热；工作监控摄像头以及工作过程状态检测元件用于实时检测环形槽切割装置的运转情况，并采集基本钻进参数用以控制钻进过程。
本发明中，首先将在钻进设备以及下方电缆的共同作用下，将仪器推送至目标孔深位置附近并确定工作面；在封隔器完成封隔动作并排除封隔段泥浆之后，启动纵移装置，根据外套筒工作窗位置与主探测之间的位置关系，推送主探测部至工作窗位置；启动回转装置，主探测窗口对准工作面。启动涂胶剥离机构，将剥离机械臂伸出主探测窗口外，刮去孔壁上残留的护壁泥浆，收回剥离机械臂并复位，关闭涂胶剥离机构；启动回转装置，使岩石表面打磨装置以及打磨窗口对准工作窗口；启动打磨驱动电机，通过打磨机械臂使旋转打磨头伸出工作窗口，并紧压工作面开始进行打磨，同时启动回转装置，使主探测部往复旋转某一角度数次，完成对工作面的打磨工作，打磨过程结束后，收回打磨机械臂并复位，关闭打磨驱动电机，开启热风机，对打磨之后的工作面进行干燥处理；启动回转装置，使主探测部旋转至主探测窗口对准工作面；启动涂胶剥离机构，将喷胶机械臂伸出主探测窗口，涂胶剥离机构挤压胶瓶，向工作面喷涂特殊胶水，喷涂完毕后，收回喷胶机械臂，关闭涂胶剥离机构；启动的应变片贴片装置，将预装应变片槽推送至工作面并施加设定压力，等应变片完全粘贴至工作面后，释放压力，关闭应变片贴片装置；启动冷却水循环系统；启动环形槽切割装置，薄壁金刚石钻头在环切进给电机的作用下沿进给推送丝杆对工作面进行环形切割作业；同时，贴在工作面上的应变片开始记录应力解除区域的应变变化情况，工作监控摄像头以及工作过程状态检测元件也将钻进过程与钻进参数反馈至控制组件以及地面；待薄壁金刚石钻头钻至指定深度后，反转主动力电机以及环切进给电机收回薄壁金刚石钻头，同时停止应变采集，停止主动力电机以及环切进给电机；启动涂胶剥离机构，将剥离机械臂伸出主探测窗口外，将应变片从工作面上剥离，回收剥离机械臂并复位，关闭涂胶剥离机构；启动纵移装置，向下移动外密封套，设备恢复密封，该点测量作业结束。整个过程采用全自动化控制，只要能在一小段孔段是进行至少三次上述钻孔局部应力解除作业，就能获得目标点处的三维地应力状态。
通过上述技术措施，适用于孔径130mm，深度1000m-2000m的三维地应力测量工作。首先通过光纤将设备与地面主控系统连接，通过钻杆以及放线缆车将本装置推送至垂直孔内某一目标深度，利用布置在设备前端的观测设备获取目标区域局部孔壁情况，结合成孔后的测井资料最终确定地应力测试的区域；在确定好进行壁面局部应力解除的工作面后，张开布置在仪器两端的上下封隔器，将仪器固定后，排空封隔段内的泥浆；然后纵提旋转内封套以及移动机架，露出打磨窗口以及工作窗口，旋转主探测部，将打磨以及干燥机构对准打磨窗口，对工作面进行清理；打磨清理结束后，旋转主探测部，将环形槽切割机构对准工作窗口，启动应变传感器贴片机构将特殊应变片花粘贴到工作面上；再启动环形槽切割机构对工作面岩体进行应力解除工作，这样通过粘贴的应变花以及配套的应变采集装置和传输装置，就能实时记录工作面上的应变变化情况。在目标区域的这一小段区域用同样的方式测量得到不同部位上足够多的正应变值，就能结合岩石本构关系将测得这些局部应变转化为测量点处的远场地应力分量，这样就确定了测量点处的三维地应力场状态。
本发明与现有技术相比，具有如下有优点和益效果：
A、结构简单，使用方便，制造成本低廉，操作方便；
B、仪器设备半径减小，由150mm仪器外径缩小至125mm，适用于130mm页岩气勘察孔；
C、通过将岩石表面打磨装置与环形槽切割装置、应变片贴片装置布置在旋转平台上，使得主探测部长度减小6-7cm，减小了封隔后孔壁失稳的可能；
D、机身采用内外套形式，防水效果更好，增加了仪器的耐压性能，使其适用于深部有压钻孔。
E、适用的孔径更小，内部排步更为紧密，仪器纵向封隔长度更小，减小了孔壁失稳风险。
F、整个测试过程均采用自动化操作，减小了人为干预，提高了测试精度。
附图说明
图1为一种地应力测量旋转测试平台的密封装置结构示意图。
其中：1－主探测部、2－密封组件、3－槽切割装置、4－岩石表面打磨装置，5－涂胶及应变片剥离装置、6－应变片贴片装置、7－外密封套、8－内密封套、9－移动机架、10－回转装置、11－纵移装置、12－热风机(普通)、301－薄壁取芯钻头、302－主动力电机(MAXON EC-4pole 32系列无反馈传感器(B型)电机)、303－主动力传动轴、304－环切进给电机(ZGB37RG型直流减速电机)、305－进给机构支座、306－进给推送丝杆、401－打磨驱动电机(ZGX22RW/i22.6型直流减速电机)、402－旋转打磨头、403－打磨机械臂、501－涂胶剥离机构、502－胶瓶(“禹王牌”10g瓶装502胶水)、503－喷涂机械臂、504－剥离机械臂、601－应变片贴片机构、701－空心圆筒、702－上端套、703－下端盖、801－上机座板、802－中机座板、803－内套、901－下机座板、902－纵向连接板、903－纵向连接杆、904－纵向连接套、1001－回转电机(XD-37GB555微型直流永磁电机)、1002－O型同步带、1003－回转机座、1101－纵移推杆座、1102－纵移推杆套、1103－纵移齿轮、1104－纵移电机(XD-37GB555微型直流永磁电机)、1105－机座。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，它由主探测部1、移动机架以及密封组件2、环形槽切割装置3、岩石表面打磨装置4，涂胶及应变片剥离装置5、应变片贴片装置6、外密封套7、内密封套8、移动机架9、回转装置10、纵移装置11、热风机12、薄壁取芯钻头301、主动力电机302、主动力传动轴303、环切进给电机304、进给机构支座305、进给推送丝杆306、打磨驱动电机401、旋转打磨头402、打磨机械臂403、涂胶剥离机构501、胶瓶502、喷涂机械臂503、剥离机械臂504、应变片贴片机构601、空心圆筒701、上端套702、下端盖703、上机座板801、中机座板802、内套803、下机座板901、纵向连接板902、纵向连接杆903、纵向连接套904、回转电机1001、O型同步带1002，回转机座1003、纵移推杆座1101、纵移推杆套1102、纵移齿轮1103、纵移电机1104、机座1105组成，其特征在于：主探测部1包括环形槽切割装置3、岩石表面打磨装置4，涂胶及应变片剥离装置5、应变片贴片装置6以及热风机12，分别将主探测部1中的环形槽切割装置3、岩石表面打磨装置4、涂胶及应变片剥离装置5、应变片贴片装置6及热风机12通过螺钉或者卡槽连接在移动机架以及密封组件2上。移动机架以及密封组件2为内外套形式，包括外密封套7、内密封套8、移动机架9、回转装置10以及纵移装置11。其中回转装置10位于内封套8上方并通过螺钉以及卡槽固定在上端套702上；热风机12以及主动力电机302位于内封套8上方并通过螺钉以及卡槽固定在上机座板801上；涂胶及应变片剥离装置5位于内封套8内部并通过螺钉固定在中机座板802上；环形槽切割装置3、岩石表面打磨装置4以及应变片贴片装置6位于内封套8下方并通过螺钉以及卡槽固定在下机座板901上，其中应变片贴片装置6布置在环形槽切割装置3薄壁取芯钻头301内部；纵移机构11位于主探测部1底部，其机座1105通过螺钉固定在下端盖703上；内封套8与下机座板901通过纵向连接板902以及纵向连接杆903连接；下机板座901与纵移推杆座1101通过纵向连接套901连接；纵移推杆座1101通过纵移推杆套1102与纵移机构1103连接。
所述的环形槽切割装置3包括薄壁金刚石取芯钻头301、主动力电机302、主动力传动轴303、环切进给电机304、进给机构支座305和进给推送丝杆306，薄壁金刚石取芯钻头301通过进给机构支座305以及纵向连接板902固定在下机座板901上方，而机构支座305则固定在下机座板901上方；主动力电机302固定在上机座板801上，电机轴线与设备轴线平行，主动力传动轴303穿过内密封套8，上端与主动力电机302相连，下端通过齿轮与薄壁金刚石取芯钻头301相连，主动力电机302通过两级传动齿轮副带动主动力传动轴303使薄壁金刚石取芯钻头旋转；环切进给电机304以及进给推送丝杆306固定在进给机构支座305上，机构支座305通过螺钉固定在下机座板901下方，环切进给电机304轴线与设备轴线垂直，通过主轴沿进给推送丝杆306带动薄壁金刚石取芯钻头301向工作面移动。
所述的岩石表面打磨装置4包括打磨驱动电机401、旋转打磨头402以及打磨机械臂403。打磨机械臂403一端与旋转打磨头402相贴，另一端与打磨驱动电机401连接，通过打磨机械臂403可将旋转打磨头402伸出打磨窗口使钻头紧贴工作面；打磨驱动电机401固定在下机座板13下方，电机轴线与设备轴线平行并与打磨机械臂403相连，驱动旋转打磨头402高速转动打磨工作面。
所述的涂胶及应变片剥离装置5包括涂胶剥离机构501、胶瓶502、喷涂机械臂503以及剥离机械臂504。涂胶剥离机构501、胶瓶502以及剥离机械臂504位于内封隔套8内，胶瓶502固定在涂胶剥离机构501上方；喷涂机械臂503位于薄壁金刚石取芯钻头301上方，一端为喷胶头，另一端与涂胶剥离机构501相连，工作状态下可移动喷胶头对准工作面；剥离机械臂503位于薄壁金刚石取芯钻头301上方，一端为刮刀，另一端与涂胶剥离机构501相连，在应变测量开始前刮去工作面上泥浆，在应变测量结束并且薄壁金刚石取芯钻头301回收以后剥离位于工作面上的应变片。
所述的应变片贴片装置6包括应变片贴片机构601以及预装应变片槽。应变片贴片机构601后端固定在进给机构支座304上，应变片贴片机构601前端连接已经预装好的应变片的预装应变片槽，应变片通过导线连接到上设备箱中的多路应变测量仪。在工作区打磨干燥并且喷胶之后将应变片紧贴至工作面。
所述的外密封套7包括空心圆筒701、上端盖702以及下端盖703组成。空心圆筒701于同一高度开有两个孔，分别为主探测窗口以及打磨窗口；上端盖702与下端盖703为空心构造，上端盖702、下端盖703可与空心圆筒701连接，使本设备在封隔完成后进行旋转，上端盖702与下端盖703外侧均开有O型密封沟槽，用以安装橡胶密封圈以保证密封质量。
所述的内密封套8包括上机座板801、中机座板802以及内套803，其中上机座板801以及中机座板802通过螺钉分别固定在内套803的上下两端，内套803上端与下端外侧均开有O型密封沟槽，用以安装橡胶密封圈以保证密封质量。
所述的移动机架9包括下机座板901、纵向连接板902、纵向连接杆903、纵向连接套904，其中内封套8与下机座板901通过纵向连接板902以及纵向连接杆903连接；下机板座901与纵移推杆座1101通过纵向连接套904连接。
所述的回转装置10包括回转电机1001、O型同步带1002，回转机座1003。同步电机1001通过齿轮以及开式卡板与O型同步带1002链接并通过方键与回转机座1003连接，回转机座1003通过螺钉与上端盖702上。经上下封隔器对设备整体定位后，回转机构带动主动力传动轴303使内封套8以及移动机架9在0°－300度范围内进行旋转。
所述的纵移装置11包括纵移推杆座1101、纵移推杆套1102、纵移齿轮1103、纵移电机1104以及机座1105。纵移推杆套1102、纵移齿轮1103、纵移电机1104、通过机座1105固定在下端盖703上，纵移螺杆套入纵移推杆套1102与上方纵移推杆座1101连接；可在纵移电机的推动下使内封套8、主探测部1上下移动。本实施例中还包括热风机12、冷却水循环系统，工作监控摄像头以及工作过程状态检测元件。热风机12固定于内封隔套8上方，通过专门风路将热风导向工作面进行干燥处理；冷却水循环系统通过专门的水路对钻进过程中的薄壁金刚石钻头301进行冷却处理，防止过热；工作监控摄像头以及工作过程状态检测元件用于实时检测环形槽切割装置3的运转情况，并采集基本钻进参数用以控制钻进过程。
本实施例中，首先将在钻进设备以及下方电缆的共同作用下，将仪器推送至目标孔深位置附近并确定工作面；在封隔器完成封隔动作并排除封隔段泥浆之后，启动纵移装置11，根据外密封套工作窗位置与主探测部1之间的位置关系，向上推送95mm使主探测部1至工作窗位置；启动回转装置10，使主探测窗口对准工作面。
启动涂胶剥离机构501，将剥离机械臂504伸出主探测窗口外，刮去孔壁上残留的护壁泥浆，收回剥离机械臂504并复位，关闭涂胶剥离机构501；启动回转装置10，将主探测部1顺时针回转90°，使岩石表面打磨装置4以及打磨窗口对准工作面；启动打磨驱动电机401，通过打磨机械臂403使旋转打磨头402伸出工作窗口，并紧压工作面，开始进行打磨，同时启动回转装置10，使主探测部1往复旋转30°10-15次，完成对工作面的打磨工作，打磨过程结束后，收回打磨机械臂403并复位，关闭打磨驱动电机401，开启热风机12，对打磨之后的工作面进行干燥处理；启动回转装置9，使主探测部1逆时针旋转60°至主探测窗口对准工作面；启动涂胶剥离机构501，将喷胶机械臂503伸出主探测窗口，涂胶剥离机构501挤压胶瓶502，向工作面喷涂特殊胶水，喷涂完毕后，收回喷胶机械臂503，关闭涂胶剥离机构501；启动应变片贴片装置6，将预装应变片槽推送至工作面并施加设定压力，等应变片完全粘贴至工作面后，释放压力，关闭应变片贴片装置6；启动冷却水循环系统；启动环形槽切割装置3，薄壁金刚石钻头301在主动力电机302以及环切进给电机304的作用下沿进给推送丝杆305对工作面进行环形切割作业；同时，贴在工作面上的应变片开始记录应力解除区域的应变变化情况，工作监控摄像头以及工作过程状态检测元件也将钻进过程与钻进参数反馈至控制组件以及地面；待薄壁金刚石钻头301钻至指定深度后，反转主动力电机302以及环切进给电机304收回薄壁金刚石钻头301，同时停止应变采集，停止主动力电机302以及环切进给电机304，关闭热风机12；启动涂胶剥离机构501，将剥离机械臂504伸出主探测窗口外，将应变片从工作面上剥离，回收剥离机械臂504并复位，关闭涂胶剥离机构501；启动纵移装置11，向下移动95mm，使主探测部1设备恢复密封，该点测量作业结束。整个过程采用全自动化控制，只要能在一小段孔段是进行至少三次上述钻孔局部应力解除作业，就能获得目标点处的三维地应力状态。
从整个工作流程可以看出，本实施例利用旋转测量平台，将环形槽切割装置与打磨装置放置在同一水平位置，通过回转的方式实现在钻孔孔壁处进行应力解除作业，并基于BWSRM原理进行三维地应力测量。相比于之前的技术来说，适用的孔径更小，内部排步更为紧密，仪器纵向封隔长度更小，减小了孔壁失稳风险。同时设置仪器整体采用内外套的形式，使防水效果更好，耐压强度更大，使其适用于更深的钻孔测试条件。整个测试过程均采用自动化操作，减小了人为干预，提高了测试精度。

Claims (10)

1.一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，它包括主探测部(1)、移动机架以及密封组件(2)、热风机(12)、薄壁取芯钻头(301)、上端套(702)、上机座板(801)、下机座板(901)、回转电机(1001)、纵移推杆座(1101)，其特征在于：主探测部(1)包括环形槽切割装置(3)、岩石表面打磨装置(4)，涂胶及应变片剥离装置(5)、应变片贴片装置(6)以及热风机(12)，分别将主探测部(1)中的环形槽切割装置(3)、岩石表面打磨装置(4)、涂胶及应变片剥离装置(5)、应变片贴片装置(6)以及热风机(12)通过螺钉或卡槽连接在移动机架以及密封组件(2)上，移动机架以及密封组件(2)包括外密封套(7)、内密封套(8)、移动机架(9)、回转装置(10)及纵移装置(11)，其中回转装置(10)位于内封套(8)上方并通过螺钉及卡槽固定在上端套(702)上；热风机(12)及主动力电机(302)位于内封套(8)上方并通过螺钉以及卡槽固定在上机座板(801)上；涂胶及应变片剥离装置(5)位于内封套(8)内并通过螺钉固定在中机座板(802)上；环形槽切割装置(3)、岩石表面打磨装置(4)及应变片贴片装置(6)位于内封套(8)下方并通过螺钉及卡槽固定在下机座板(901)上，其中应变片贴片装置(6)布置在环形槽切割装置(3)薄壁取芯钻头(301)内；纵移机构(11)位于主探测部(1)底部，其机座(1105)通过螺钉固定在下端盖(703)上；内封套(8)与下机座板(901)通过纵向连接板(902)及纵向连接杆(903)连接；下机板座(901)与纵移推杆座(1101)通过纵向连接套(901)连接；纵移推杆座(1101)通过纵移推杆套(1102)与纵移机构(1103)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的环形槽切割装置(3)包括薄壁金刚石取芯钻头(301)、主动力电机(302)、主动力传动轴(303)、环切进给电机(304)、进给机构支座(305)和进给推送丝杆(306)，薄壁金刚石取芯钻头(301)通过进给机构支座(305)及纵向连接板(902)固定在下机座板(901)上方，进给机构支座(305)固定在下机座板(901)上；主动力电机(302)固定在上机座板(801)上，电机轴线与设备轴线平行，主动力传动轴(303)穿过内密封套(8)，上端与主动力电机(302)相连，下端通过齿轮与薄壁金刚石取芯钻头(301)相连，环切进给电机(304)及进给推送丝杆(306)固定在进给机构支座(305)上，机构支座(305)通过螺钉固定在下机座板(901)下方，环切进给电机(304)轴线与设备轴线垂直。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的岩石表面打磨装置(4)包括打磨驱动电机(401)、旋转打磨头(402)及打磨机械臂(403)，打磨机械臂(403)一端与旋转打磨头(402)相贴，一端与打磨驱动电机(401)相连，打磨驱动电机(401)固定在下机座板(13)下方，电机轴线与设备轴线平行并与打磨机械臂(403)相连。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的涂胶及应变片剥离装置(5)包括涂胶剥离机构(501)、胶瓶(502)、喷涂机械臂(503)及剥离机械臂(504)，涂胶剥离机构(501)、胶瓶(502)及剥离机械臂(504)位于内封隔套(8)内，胶瓶(502)固定在涂胶剥离机构(501)的上方；喷涂机械臂(503)位于薄壁金刚石取芯钻头(301)上方，一端为喷胶头，另一端与涂胶剥离机构(501)相连，剥离机械臂(503)位于薄壁金刚石取芯钻头(301)上方，另一端与涂胶剥离机构(501)相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的应变片贴片装置(6)包括应变片贴片机构(601)及预装应变片槽，应变片贴片机构(601)后端固定在进给机构支座(304)上，应变片贴片机构(601)前端连接预装应变片槽，应变片通过导线连接到上设备箱中的多路应变测量仪。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的外密封套(7)包括空心圆筒(701)、上端盖(702)及下端盖(703)，空心圆筒(701)于同一高度开有两个孔，分别为主探测窗口及打磨窗口；上端盖(702)与下端盖(703)为空心构造，上端盖(702)、下端盖(703)与空心圆筒(701)连接，上端盖(702)与下端盖(703)外侧均开有O型密封沟槽。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的内密封套(8)包括上机座板(801)、中机座板(802)及内套(803)，其中上机座板(801)及中机座板(802)通过螺钉分别固定在内套(803)的上下两端，内套(803)上端与下端外侧均开有O型密封沟槽。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的移动机架(9)包括下机座板(901)、纵向连接板(902)、纵向连接杆(903)、纵向连接套(904)，内封套(8)与下机座板(901)通过纵向连接板(902)及纵向连接杆(903)连接；下机板座(901)与纵移推杆座(1101)通过纵向连接套(904)连接。
9.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的回转装置(10)包括回转电机(1001)、O型同步带(1002)，回转机座(1003)，同步电机(1001)通过齿轮及开式卡板与O型同步带(1002)连接并通过方键与回转机座(1003)连接，回转机座(1003)通过螺钉与上端盖(702)上。
10.根据权利要求1所述的一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，其特征在于：所述的纵移装置(11)包括纵移推杆座(1101)、纵移推杆套(1102)、纵移机构(1103)、纵移电机(1104)及机座(1105)，纵移推杆套(1102)、纵移齿轮(1103)、纵移电机(1104)通过机座(1105)固定在下端盖(703)上，纵移螺杆套入纵移推杆套(1102)与上方纵移推杆座(1101)连接。
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