CN108691536B - 一种水平有效地应力测试方法及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水平有效地应力测试方法，该方法建立在平面圆孔位移弹性解和厚壁圆筒的公式的基础上，原理为通过恢复地应力作用下的孔边位移变形反向推导原位地应力。本发明还提供了一种水平有效地应力测试装置，包括灌浆装置、注浆管、钻孔密封件、钻孔形态及压力测量系统、支撑固定架、连接杆和计算机处理系统，钻孔形态及压力测量系统包括多光尺相位激光测距仪、电机、探测轴、三维电子罗盘、压力传感器和数据集成芯片，计算机处理系统通过数据线与数据集成芯片连接，钻孔垂直于水平面设置，注浆管将灌浆装置与钻孔连通，钻孔形态及压力测量系统通过连接杆固定在支撑固定架上，探测轴的轴线与钻孔的轴线重合，钻孔口通过钻孔密封件密封。
Description
技术领域
本发明属于地应力测试领域，涉及一种水平有效地应力测试方法及测试装置。
背景技术
地应力是存在于地层中的未受到工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。地应力状态对于地震预报、区域地壳稳定性评价、高地应力区岩爆以及煤和瓦斯突出的研究等有重要意义。根据测试方法的不同，地应力测试方法可分为构造法、变形法、电磁法、地震法以及放射性法。根据测量原理的不同，地应力测试方法又可分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法以及重力法。在工程实践中应用较多的测试方法是水压致裂法、空心包体应力解除法及套孔应力解除法。但上述的地应力测试方法都有着不同的局限性，比如水压致裂法存在着主应力方向不准的不足，注液压力曲线尤其是恒定压力的判读有时非常困难。空心包体应力解除法及套孔应力解除法对地质条件及取芯岩石也具有一定的要求，还需要对钻取的钻孔进行进一步的加工，并在钻孔中粘贴应变片，套孔应力解除法还存在着小孔不同轴、套芯过程中套出需要完整岩芯等问题，不但操作复杂，而且上述问题容易导致测试成功率低及测试成本增加。因此亟需开发出操作更简单、与钻孔质量相关性较小，对岩体的参数要求相对更少的水平地应力测试方法及测试装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地应力测试方法及测试装置，以有效简化地应力的测试操作、提高测试成功率和降低测试成本。
本发明提供的水平有效地应力测试装置，包括灌浆装置、注浆管、钻孔密封件、钻孔形态及压力测量系统、支撑固定架、连接杆和计算机处理系统，
钻孔形态及压力测量系统包括多光尺相位激光测距仪、电机、探测轴、三维电子罗盘、压力传感器和数据集成芯片，探测轴的一端与电机的动力输出轴连接，探测轴的另一端安装有三维电子罗盘、多光尺相位激光测距仪、压力传感器和数据集成芯片，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘均水平安装于探测轴上，三维电子罗盘的中心位于探测轴的轴线上，三维电子罗盘、多光尺相位激光测距仪及压力传感器分别通过数据线与数据集成芯片连接；
计算机处理系统通过数据线与数据集成芯片连接，计算机处理系统用于接收和储存数据集成芯片传输的数据并构建钻孔径向截面形态；
支撑固定架上设有高度可调节的支撑脚，支撑固定架位于钻孔上方，钻孔垂直于水平面设置，注浆管的一端与钻孔外的灌浆装置连接、注浆管的另一端位于钻孔内，连接杆的一端固定于支撑固定架上、连接杆的另一端与钻孔形态及压力测量系统的电机连接，探测轴的轴线与钻孔的轴线重合，钻孔口通过钻孔密封件密封。
支撑固定架上设有钻孔密封件固定凸块和高度可调节的支撑脚，支撑固定架位于钻孔上方，钻孔垂直于水平面设置，注浆管的一端与钻孔外的灌浆装置连接、注浆管的另一端位于钻孔内，连接杆的一端固定于支撑固定架上、连接杆的另一端与钻孔形态及压力测量系统的电机连接，探测轴的轴线与钻孔的轴线重合，钻孔口通过钻孔密封件密封，钻孔密封件固定凸块压住钻孔密封件。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，探测轴呈中空圆柱形，三维电子罗盘安装在探测轴内部。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，连接杆由多段组成，各段之间通过螺纹连接，连接杆与支撑固定架通过螺纹连接。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，支撑固定架上设置的钻孔密封件固定凸块的尺寸至少应覆盖住钻孔密封件的边缘，以防止在地应力测试过程中因向钻孔通入液体加压造成钻孔密封件从钻孔口脱落或者通入的液体从钻孔口泄漏。作为优选方式之一，支撑固定架上设置的钻孔密封件固定凸块呈圆柱形，钻孔密封件固定凸块的直径大于钻孔直径，钻孔密封件固定凸块上设有供注浆管和连接杆穿过的通孔。
本发明还提供了一种水平有效地应力测试方法，使用上述水平有效地应力测试装置进行测试，步骤如下：
①在目标岩体上钻取钻孔，将支撑固定架置于钻孔上方，将安装了钻孔形态及压力测量系统的连接杆放入钻孔中，当钻孔形态及压力测量系统到达目标深度时将连接杆固定于支撑固定架上使探测轴的轴线与钻孔的轴线重合，将注浆管的一端与灌浆装置连接、将注浆管的另一端放入钻孔内，用钻孔密封件密封钻孔口，调节支撑固定架的支撑脚的高度使钻孔密封件固定凸块压住钻孔密封件；
②开启钻孔形态及压力测量系统，在探测轴处于旋转的状态下测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度，储存于数据集成芯片中并传输给计算机处理系统，建立坐标系构建钻孔径向面的形态；
在水平有效地应力的作用下，钻孔径向面的形态会由初始的圆形变成椭圆形，根据构建的钻孔径向面的形态确定最大及最小水平有效地应力的方向，最大及最小水平地应力的方向分别为所构建的钻孔径向面的形态的短轴和长轴方向，将所述短轴和长轴方向分别记作A方向和B方向；
③采用灌浆装置向钻孔中注入液体，在注入液体的过程中，钻孔的径向面的形态会逐渐由椭圆形向圆形恢复，采用钻孔形态及压力测量系统在探测轴处于旋转的状态下测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度及压力，储存于数据集成芯片中并传输给计算机处理系统，建立坐标系构建钻孔径向面的实时形态，当A方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围、B方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时，停止向钻孔中注入液体、关闭钻孔形态及压力测量系统；R为钻孔的半径，单位为mm；
分别按照式(I)和(Ⅱ)计算B方向和A方向的水平有效地应力，B方向和A方向的有效水平有效地应力分别为最小和最大水平有效地应力，
式(1)～(2)中，σ1'为最小水平有效地应力，σ'2为最大有效地应力地应力，μ为岩体的泊松比，P1为B方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时压力传感器测得的压力值，P2为A方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时压力传感器测得的压力值。
上述水平有效地应力测试方法的技术方案中，探测轴处于旋转的状态是指探测轴以3～5r/min的转速匀速转动。
上述水平有效地应力测试方法的技术方案中，采用算机处理系统建立坐标系并构建钻孔径向面的形态时，以探测轴的轴线与钻孔内的目标深度所在水平面的交点作为原点建立坐标系。
本发明提供的水平有效地应力测试方法建立在平面圆孔位移弹性解和厚壁圆筒的公式的基础上，原理为通过恢复地应力作用下的孔边位移变形反向推导原位地应力。由于水平地应力的存在会使钻孔的形态产生轻微的变形，为了测量钻孔某一深度的有效水平地应力，本发明的方法向钻孔中充入液体，利用充入的液体和钻孔中残留的钻井液对变形后的钻孔的孔壁的压力使钻孔的形态逐渐恢复至接近未变形的状态，当钻孔形态恢复至接近未变形的状态时，采用平面圆孔弹性力学模型，利用位移与应力的关系求出水平有效地应力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明提供了一种测试水平有效地应力的装置，该装置主要包括钻孔形态及压力测量系统与灌装装置和计算机处理系统，由于钻孔形态及压力测量系统包括电机和探测轴，探测轴的的一端与电机的动力输出轴连接、另一端安装有三维电子罗盘、多光尺相位激光测距仪、压力传感器和数据集成芯片，在连接杆和支撑固定架的作用下将钻孔形态及压力测量系统送入钻孔的目标测量深度，在电机带动探测轴旋转的条件下，根据三维电子罗盘和多光尺相位激光测距仪测得的角度和距离数据并配合计算机处理系统可实现钻孔实时形态的重建，了解钻孔变形及形态恢复信息，再结合压力传感器测得的压力数据，即实现最小和最大水平有效地应力的测定。
2.本发明提供的水平有效地应力测试装置采用现有仪器的组合安装即可形成，无需使用特殊结构的部件和仪器，装置的成本也不高，具有容易实现以及有利于推广应用的优势。
3.以本发明提供的水平有效地应力测试装置为基础，本发明还提供了一种水平有效地应力测试方法，该方法对地质条件及取芯岩石要求较低，在钻取钻孔后无需对钻孔进行进一步的加工，也无需在钻进过程对钻进进行导向，也不用在钻孔内粘贴应变片，具有简化测量操作的优势，加之该方法的测量过程与钻孔质量相关性较小，因而具有测试成功率更高的特点，测试成功率的提高又能减少重复钻孔测定的次数，进而降低测试成本。
附图说明
图1是本发明所述水平有效地应力测试装置的结构示意图。
图2是图1的A-A剖面图。
图3是图1的B-B剖面图。
图4是本发明所述方法的过程示意图。
图1～3中，1—灌浆装置、2—注浆管、3—钻孔密封件、4-1—多光尺相位激光测距仪、4-2—电机、4-3—探测轴、4-4—三维电子罗盘、4-5—压力传感器、4-6—数据集成芯片、5—支撑固定架、5-1—支撑脚、5-2—钻孔密封件固定凸块、6—连接杆、7—计算机处理系统、8—数据线、9—钻孔。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明提供的水平有效地应力测试方法及测试装置作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本实施例中，提供水平有效地应力测试装置，该装置的结构示意图如图1～3所示，包括灌浆装置1、注浆管2、钻孔密封件3，钻孔形态及压力测量系统、支撑固定架5、连接杆6和计算机处理系统7，钻孔密封件3是厚度为150mm、直径与钻孔内径匹配的橡胶密封件，其上设有孔径与注浆管及连接杆外径相匹配的圆孔，连接杆由多根空心钻杆通过螺纹连接形成。
钻孔形态及压力测量系统包括多光尺相位激光测距仪4-1、电机4-2、探测轴4-3、三维电子罗盘4-4、压力传感器4-5和数据集成芯片4-6，电机4-2由两组额定电压分别为DC5.5～7.5V和DC10～15V可充电镍氢电池供电，连续工作时间大于8小时，多光尺相位激光测距仪4-1的测量精度为1mm，根据该激光测距仪的尺寸和测量精度要求，可选择从市面上购买，也可选择定制生产，三维电子罗盘4-4采用HEC395九轴姿态航向参考系统，压力传感器4-5采用JYS数显式压力变送器和数据集成芯片4-6可选用Intel系列芯片。探测轴4-3呈中空圆柱形，探测轴4-3的一端与电机4-2的动力输出轴通过螺纹连接，探测轴4-3的另一端安装有三维电子罗盘4-4、多光尺相位激光测距仪4-1、压力传感器4-5和数据集成芯片4-6，三维电子罗盘4-4水平安装于探测轴4-3内部，三维电子罗盘4-4的中心位于探测轴4-3的轴线上，多光尺相位激光测距仪4-1水平安装于探测轴上，三维电子罗盘4-4、多光尺相位激光测距仪4-1及压力传感器4-5分别通过数据线与数据集成芯片4-6连接。
计算机处理系统7通过数据线8与数据集成芯片4-6连接，数据线穿过连接杆的内部将计算机处理系统7与数据集成芯片4-6连接，计算机处理系统7用于接收和储存数据集成芯片4-6传输的数据并构建钻孔径向截面形态。
支撑固定架5上设钻孔密封件固定凸块5-2和四个高度可调节的支撑脚5-1，钻孔密封件固定凸块5-2呈圆柱形，钻孔密封件固定凸块5-2的直径为钻孔直径的1.5倍，钻孔密封件固定凸块5-2上设有供注浆管2和连接杆6穿过的通孔，支撑固定架5位于钻孔9上方，钻孔9垂直于水平面设置，注浆管2的一端与钻孔外的灌浆装置1连接、注浆管5的另一端位于钻孔9内，连接杆6的一端固定于支撑固定架5上、连接杆6的另一端与钻孔形态及压力测量系统的电机4-2连接，探测轴4-3的轴线与钻孔的轴线重合，钻孔口通过钻孔密封件3密封，钻孔密封件固定凸块5-2压住钻孔密封件3，以防止在地应力测试过程中因向钻孔通入液体加压造成钻孔密封件从钻孔口脱落或者通入的液体从钻孔口泄漏。
实施例2
本实施例中，提供水平有效地应力测试方法，该方法使用实施例1中的水平有效地应力测试装置进行测试，该方法的过程示意图如图4所示，步骤如下：
①在目标岩体上钻取垂直于水平面的钻孔，将支撑固定架置于钻孔上方，调整支撑脚的高度使得支撑固定架处于水平状态，将钻孔形态及压力测量系统的电机与连接杆连接，调整连接杆的长度将安装了钻孔形态及压力测量系统的连接杆送入钻孔中使钻孔形态及压力测量系统浸没于钻取钻孔时钻孔内残留的钻井液中，当钻孔形态及压力测量系统到达目标深度时将连接杆固定于支撑固定架上使探测轴的轴线与钻孔的轴线重合，将注浆管的一端与灌浆装置连接、将注浆管的另一端放入钻孔内，将钻孔口用钻孔密封件密封，调节支撑固定架的支撑脚的高度使钻孔密封件固定凸块压住钻孔密封件，并使探测轴的轴线与钻孔的轴线保持重合。
②开启钻孔形态及压力测量系统，在探测轴3r/min转速转动的状态下测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度，储存于数据集成芯片中并传输给计算机处理系统，以探测轴的轴线与钻孔内的目标深度所在水平面的交点作为原点建立坐标系，构建钻孔径向面的形态；
在水平有效地应力的作用下，钻孔径向面的形态会由初始的圆形变成椭圆形，根据构建的钻孔径向面的形态确定最大及最小水平有效地应力的方向，最大及最小水平地应力的方向分别为所构建的钻孔径向面的形态的短轴和长轴方向，将所述短轴和长轴方向分别记作A方向和B方向。
③采用灌浆装置向钻孔中注入液体，在注液过程中，钻孔的径向面的形态会逐渐由椭圆形向圆形恢复，采用钻孔形态及压力测量系统在探测轴3r/min转速转动的状态下测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度及压力，储存于数据集成芯片中并传输给计算机处理系统，建立坐标系构建钻孔径向面的实时形态，当A方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围、B方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时，停止向钻孔中注入液体、关闭钻孔形态及压力测量系统；R为钻孔的半径，单位为mm；
分别按照式(I)和(Ⅱ)计算B方向和A方向的水平有效地应力，B方向和A方向的有效水平有效地应力分别为最小和最大水平有效地应力，
式(1)～(2)中，σ1'为最小水平有效地应力，σ'2为最大有效地应力地应力，μ为岩体的泊松比，P1为B方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时压力传感器测得的压力值，P2为A方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时压力传感器测得的压力值。
Claims (7)
1.一种水平有效地应力测试装置，包括灌浆装置(1)、注浆管(2)、钻孔密封件(3)，其特征在于还包括钻孔形态及压力测量系统、支撑固定架(5)、连接杆(6)和计算机处理系统(7)，
钻孔形态及压力测量系统包括多光尺相位激光测距仪(4-1)、电机(4-2)、探测轴(4-3)、三维电子罗盘(4-4)、压力传感器(4-5)和数据集成芯片(4-6)，探测轴(4-3)的一端与电机(4-2)的动力输出轴连接，探测轴(4-3)的另一端安装有三维电子罗盘(4-4)、多光尺相位激光测距仪(4-1)、压力传感器(4-5)和数据集成芯片(4-6)，多光尺相位激光测距仪(4-1)和三维电子罗盘(4-4)均水平安装于探测轴上，三维电子罗盘(4-4)的中心位于探测轴(4-3)的轴线上，三维电子罗盘(4-4)、多光尺相位激光测距仪(4-1)及压力传感器(4-5)分别通过数据线与数据集成芯片(4-6)连接；
计算机处理系统(7)通过数据线(8)与数据集成芯片(4-6)连接，计算机处理系统(7)用于接收和储存数据集成芯片(4-6)传输的数据并构建钻孔径向截面形态；
支撑固定架(5)上设有钻孔密封件固定凸块(5-2)和高度可调节的支撑脚(5-1)，支撑固定架(5)位于钻孔(9)上方，钻孔(9)垂直于水平面设置，注浆管(2)的一端与钻孔外的灌浆装置(1)连接、注浆管(5)的另一端位于钻孔(9)内，连接杆(6)的一端固定于支撑固定架(5)上、连接杆(6)的另一端与钻孔形态及压力测量系统的电机(4-2)连接，探测轴(4-3)的轴线与钻孔的轴线重合，钻孔口通过钻孔密封件(3)密封，钻孔密封件固定凸块(5-2)压住钻孔密封件(3)。
2.根据根据权利要求1所述水平有效地应力测试装置，其特征在于探测轴(4-3)呈中空圆柱形，三维电子罗盘(4-4)安装在探测轴(4-3)内部。
3.根据权利要求1或2所述水平有效地应力测试装置，其特征在于连接杆(6)由多段组成，各段之间通过螺纹连接，连接杆(6)与支撑固定架(5)通过螺纹连接。
4.根据权利要求1或2所述水平有效地应力测试装置，其特征在于支撑固定架(5)上设置的钻孔密封件固定凸块(5-2)覆盖住钻孔密封件(3)的边缘。
5.根据权利要求4所述水平有效地应力测试装置，其特征在于支撑固定架(5)上设置的钻孔密封件固定凸块(5-2)呈圆柱形，钻孔密封件固定凸块(5-2)的直径大于钻孔直径，钻孔密封件固定凸块(5-2)上设有供注浆管(2)和连接杆(6)穿过的通孔。
6.一种水平有效地应力测试方法，其特征在于使用权利要求1至5中任一项权利要求所述水平有效地应力测试装置进行测试，步骤如下：
①在目标岩体上钻取钻孔，将支撑固定架置于钻孔上方，将安装了钻孔形态及压力测量系统的连接杆放入钻孔中，当钻孔形态及压力测量系统到达目标深度时将连接杆固定于支撑固定架上使探测轴的轴线与钻孔的轴线重合，将注浆管的一端与灌浆装置连接、将注浆管的另一端放入钻孔内，用钻孔密封件密封钻孔口，调节支撑固定架的支撑脚的高度使钻孔密封件固定凸块压住钻孔密封件；
②开启钻孔形态及压力测量系统，在探测轴处于旋转的状态下测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度，储存于数据集成芯片中并传输给计算机处理系统，建立坐标系构建钻孔径向面的形态；
在水平有效地应力的作用下，钻孔径向面的形态会由初始的圆形变成椭圆形，根据构建的钻孔径向面的形态确定最大及最小水平有效地应力的方向，最大及最小水平地应力的方向分别为所构建的钻孔径向面的形态的短轴和长轴方向，将所述短轴和长轴方向分别记作A方向和B方向；
③采用灌浆装置向钻孔中注入液体，在注入液体的过程中，钻孔的径向面的形态会逐渐由椭圆形向圆形恢复，采用钻孔形态及压力测量系统在探测轴处于旋转的状态下测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度及压力，储存于数据集成芯片中并传输给计算机处理系统，建立坐标系构建钻孔径向面的实时形态，当A方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围、B方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时，停止向钻孔中注入液体、关闭钻孔形态及压力测量系统；R为钻孔的半径，单位为mm；
分别按照式(Ⅰ)和(Ⅱ)计算B方向和A方向的水平有效地应力，B方向和A方向的有效水平有效地应力分别为最小和最大水平有效地应力，
式(1)～(2)中，σ′1为最小水平有效地应力，σ'2为最大有效地应力地应力，μ为岩体的泊松比，P1为B方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时压力传感器测得的压力值，P2为A方向的钻孔壁到探测轴轴线的距离恢复到R±3mm范围时压力传感器测得的压力值。
7.根据权利要求6所述水平有效地应力测试方法，其特征在于探测轴处于旋转的状态是指探测轴以3～5r/min的转速匀速转动。
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