CN112781765B - 一种新型简易的地应力测试装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型简易的地应力测试装置及试验方法，包括开设的测试孔、检测仪器、支撑于地表的井架、控制器、以及连入控制器的卷扬机、流量计、高压泵、压力表、数据采集仪，所述井架通过五芯电缆控制检测仪器位于测试孔内的高度，所述检测仪器包括由上至下依次连接的高压胶管、压力传感器、上部封隔器、施压装置、下部封隔器、驱动机构、激光测距仪以及定位器。本发明一种新型简易的地应力测试装置及试验方法，采用两个试验段直接测量段和间接测量段，得出的数据更加精确，而且可以用于校核数据的精确，直接测量段采用新型的液压缸对孔壁施加初始的应力，地应力再反过来总用在横移伸缩杆上，得出横移伸缩杆的径向位移，省工省时。

Description

一种新型简易的地应力测试装置及试验方法

技术领域

本发明涉及钻井、油气开采、煤矿隧道等地下工程地应力检测设备，尤其是一种进行地应力测试试验的技术领域，具体为一种新型简易的地应力测试方法及装置。

背景技术

由于精度、适用范围等局限性以及工程岩体特殊性等问题，目前工程实践中最常用的地应力测试方法主要是水压致裂法和应力解除法。随着浅部煤炭资源的日益减少和枯竭，中东部国有重点煤矿均已进入深部开采阶段。煤矿深部围岩软弱、破碎，现常用的地应力测试方法难以成功应用，主要在于当前的地应力测量技术被普遍认为费用高而且可靠性差。大多数地应力测量的同时需要钻进,租赁设备费、人员费用和设备搬运费将是一个很大的数目,费工费时。

其中应力解除法的优点在于应用方便，可实现单孔三维应力测量，缺点是操作要求很高，应变计的粘贴和防潮技术较为复杂，读数漂浮量较大，尤其在有水钻孔中使用很难达到理想效果，且传统的应力解除法，为避免出现断芯问题只能在较浅的钻孔中使用。水压致裂法的优点是测试精度较高，缺点是测试设备较笨重，对测点的工程地质条件要求较高，在节理、裂隙较发育的岩层中及遇水易崩塌的岩层中适用性不好。所以地应力测试技术仍有较大的发展前景。

为了解决上述问题，本案由此而生。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型简易的地应力测试装置及试验方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种新型简易的地应力测试装置及试验方法，包括开设的测试孔、检测仪器、支撑于地表的井架、控制器、以及连入控制器的卷扬机、流量计、高压泵、压力表、数据采集仪，所述井架通过五芯电缆控制检测仪器位于测试孔内的高度，所述检测仪器包括由上至下依次连接的高压胶管、压力传感器、上部封隔器、施压装置、下部封隔器、驱动机构、激光测距仪以及定位器(定位器上方位置还设有一个封隔器)，所述下部封隔器将测试孔的孔壁密封并形成两个封隔段，其相对上方的设为直接测试阶段，其相对下方的设为间接测试阶段。

其中激光测距仪，可以发射激光束扫描孔壁，将反射光束反射回，得到径向位移和孔壁上排布顺序不同而成像呈现。

优选的，所述施压装置包括液压存储罐、横移伸缩杆、抵接块，所述横移伸缩杆设有同一水平面上的多个，并周向等角度设于液压罐上，所述横移伸缩杆的外侧端与抵接块相连，内侧端与液压罐活动连接。

优选的，所述上部和下部封隔器采用橡皮材质，其包括中心管、胶管、活塞，所述中心管和胶筒两者之间由内向外依次套设连接,所述中心管里设有水管和下部供驱动机构使用的电管，所述活塞分上部活塞和下部活塞，所述胶筒保持膨胀状态。

封隔器的作用：将仪器送入指定测量位置后，注入高压水，封隔器涨起来，对俩个封隔器之间的孔岩封闭起来。

优选的，还包括金刚石取芯钻头，所述驱动机构包括旋转件和进给件，旋转件通过主动力电机控制，金刚石取芯钻头连接于旋转件驱动端，进给件采用直流减速电机控制来驱动进给。

旋转件是孔壁应力解除功能的组成部分之一。旋转件通过主动力电机控制，由于空间有限，设计为一级传动齿轮副至主动力传动轴，来控制钻头的旋转。

旋转件和进给件协同工作，实现孔壁应力解除功能(需注意的是本方案的进给件和旋转件为常规部件结构，即能够分别控制取芯钻头的伸缩和旋转旋转即可)。

具体为进给机构采用直流减速电机控制，通过一组开式齿轮驱动进给丝杆。进给丝杆推动轴箱移动，文献([1]葛修润,侯明勋.一种测定深部岩体地应力的新方法——钻孔局部壁面应力全解除法[J].岩石力学与工程学报,2004(23):3923-3927.)研究结果表明，钻孔深度达到钻头直径的1.2倍时，即可实现应力完全解除。

(三)有益效果

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具备以下优点：

1.具有经济实用，结构简单，操作便捷，在传统的液压方式上进一步改善，得装置更加简单易懂，便于大量推广，解决了在现场施工时，可以精确的控制施加的压力大小，减少误差。

2.本发明采用两个试验段直接测量段和间接测量段，得出的数据更加精确，而且可以用于校核数据的精确，直接测量段采用新型的液压缸对孔壁施加初始的应力，地应力再反过来总用在横移伸缩杆上，得出横移伸缩杆的径向位移，省工省时；而间接试验段采用局部应力解除法，可用于深部地应力试验，并且比原始应力解除法操作方便，却不容易套孔断芯的问题。

3.由于在矿山、隧道等地下工程之下光线较暗，比较黑，一般很难看到孔壁的裂缝朝向，通过设置了激光扫描仪，它可以完美的计算出试验段钻孔孔壁的径向位移变化量。

附图说明

图1为本发明的结构平面图；

图2为本发明的直接测试段液压存储罐示意图；

图3为本发明的液压存储罐横截面示意图；

图4为本发明的下部封隔装置和下部试验段示意图；

图5为本发明的定位器示意图。

图中：1定位器、2激光测距仪、3驱动机构、4下部封隔器、41中心管、42胶管、43活塞、5施压装置、51液压存储罐、52横移伸缩杆、53抵接块、7上部封隔器、8压力传感器、9高压胶管、10电缆、11井架、12卷扬机、13流量计、14高压泵、15压力表、16控制器、17数据采集仪、18测试孔、19取芯钻头。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。

如图1-5所示：一种新型简易的地应力测试装置及试验方法，具体测试方法如下：

装置包括检测仪器、支撑于地表的井架11、控制器16、以及连入控制器的卷扬机12、流量计13、高压泵14、压力表15、数据采集仪17，

1)打测试孔18到准备测量应力的部位，通过井架11用电缆10将检测仪器送到测量应力部位，等待测量。

2)先向橡皮封隔器注入高压水，将封隔器涨起来，将上部封隔器7和下部封隔器4之间的孔岩封闭起来。然后向直接测量试验段加压，先将液体通过高压胶管9流入液压存储罐51，慢慢增大液压，推着横移伸缩杆52外侧端的抵接块53(呈弧形，与孔壁更好的贴合)贴合孔壁，将孔壁周向撑住，保持一个恒定的液压，关闭液压阀门，保持液压的大小不变。经过一段时间，等待地应力反作用在孔壁上，回推横移伸缩杆52，记录下横移伸缩杆52的各个方向上的径向位移变化量。

3)同时间接测量试验段，用激光测距仪2测量到孔壁的各个方向上的原始距离，然后系统控制驱动机构2同时启动，用取芯钻头在孔壁垂直方向进行钻孔(应力解除)。然后通过激光扫描仪记录应力解除后的各个方向上的径向位移。

4)将直接测量试验段完全卸压，间接测量试验段钻头回仓。封隔器解封，全部设备从钻孔中取出。

现有的应力解除法测试方式大致如下：

1、用大点的钻头先打一个大孔，再用一个小的钻头在大孔孔底打一个小孔。

2、将空心胞体装入小孔里，跟岩壁紧贴给压至一定阶段数值不在变化稳定了再进行测量，稳定之后可认为是与岩体成为一体了。

3、换个比大孔小些、小孔大些的钻头塞到小孔内取芯，相当于是把岩体分离了。分离过程中，使用的多方向的应变片(测某个方向，布置相应的应变片)会产生相应变化，从而测出地应力各个方向的大小。

但是该传统的测试方法具有较大的问题：捅进去的时候需要进行转动，导致应变片无法对应起始需要测量方向的地应力，使得出现一定的偏差，数据测试结果难以完全对应。其次，钻孔应力解除法在测量过程中由于需要套钻,当钻孔较深时容易出现断芯问题,只能在较浅的钻孔中使用。

因此，本方案采用测试的方式测地应力带来的优点为：

1、直接测试段，施加的力可完全通过液压控制，例如给予2Mpa的作用力持续10min，在看横移伸缩杆的状态(伸长、缩短或保持不变)，某一侧的横移伸缩杆保持平衡不动，则说明该方向的力平衡，针对不平衡的方向，再逐个给予不同的液压直至平衡，相对于传统普遍的测试方法能够在短时间内测出各个方向的地应力。

2、无需打大孔、小孔以及尺寸居中的孔位，直接将横移伸缩杆塞入孔中即可，节省了安装、操作误差。

3、使用到了多个液压管，还能够进一步起到水压致裂相同的功能，也即对不同的断面进行压裂，再根据传统已有的方法计算进行相互对比、修正。

4、直接测试段为主要测试方法，间接测试段为辅助测试，相辅相成，测试数据更为精确。

5、本仪器在测试地应力时不需粘贴应变片，就可以节省应变片贴合孔壁的时间，并且对孔壁受到的地应力读数更加精确。

6、直接测量段和间接测量段，两种方法均可用孔壁径向位移变化量来求解，减少了地应力测量的复杂程度，打1个孔能够测2次地应力，测出的地应力数据相互印证，减免误差。

采用上述测试方式，应力计算的过程如下：

上部的直接测量方法和下部间接测量方法，只要测出3个方向(0°，45°，90°)的径向位移变化量u_Δ，均可用钻孔孔壁径向位移(孔径变形)与岩体应力的关系：

得出三个方程：

就可以求出垂直于钻孔平面应力σ_x，σ_y，τ_xy，

再进一步，通过方程：

就可求出垂直于钻孔平面内的主应力的大小σ₁，σ₂；

再用：

算出其方向α；

再用公式：

α为u₀与σ₁之间的夹角；

α为u₀与σ₂之间的夹角

以上所述依据实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项使用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护的范围。

Claims (4)

1.一种简易的地应力测试装置的使用方法，其特征在于：

地应力测试装置包括开设的测试孔、检测仪器、支撑于地表的井架、控制器、以及连入控制器的卷扬机、流量计、高压泵、压力表、数据采集仪，所述井架通过五芯电缆控制检测仪器位于测试孔内的高度，所述检测仪器包括由上至下依次连接的高压胶管、压力传感器、上部封隔器、施压装置、下部封隔器、驱动机构、激光测距仪以及定位器，所述下部封隔器将测试孔的孔壁密封并形成两个封隔段，其相对上方的设为直接测试阶段，其相对下方的设为间接测试阶段；

地应力测试装置使用方法包括如下步骤，

S1、试验准备工作：将测试孔打到准备测量应力的部位，通过井架用电缆将检测仪器送到测量应力部位，等待测量；

S2、直接测量试验段：向上部封隔器、下部封隔器注入高压水，将封隔器涨起来，从而这两个封隔器之间的孔岩封闭起来，然后向直接测量试验段加压，先将液体通过高压胶管流入液压存储罐，慢慢增大液压，推着横移伸缩杆贴合孔壁，将孔壁周向撑住，保持一个恒定的液压，关闭液压阀门，保持液压的大小不变，经过一段时间，等待地应力反作用在孔壁上，回推横移伸缩杆，记录下横移伸缩杆的各个方向上的径向位移变化量；

S3、间接测量试验段：用激光测距仪测量到孔壁的各个方向上的原始距离，然后系统控制驱动机构同时启动，用钻头在孔壁垂直方向进行钻孔，然后通过激光扫描仪记录应力解除后的各个方向上的径向位移；

S4、试验收尾工作：将直接测量试验段完全卸压，间接测量试验段钻头回仓，封隔器解封，全部设备从钻孔中取出。

2.根据权利要求1所述的一种简易的地应力测试装置的使用方法，其特征在于：所述施压装置包括液压存储罐、横移伸缩杆、抵接块，所述横移伸缩杆设有同一水平面上的多个，并周向等角度设于液压罐上，所述横移伸缩杆的外侧端与抵接块相连，内侧端与液压罐活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种简易的地应力测试装置的使用方法，其特征在于：上部和下部的所述封隔器采用橡皮材质，其包括中心管、胶管、活塞，所述中心管和胶管两者之间由内向外依次套设连接,所述中心管里设有水管和下部供驱动机构使用的电管，所述活塞分上部活塞和下部活塞，所述胶管保持膨胀状态。

4.根据权利要求3所述的一种简易的地应力测试装置的使用方法，其特征在于：还包括取芯钻头，所述驱动机构包括旋转件和进给件，旋转件通过主动力电机控制，取芯钻头连接于旋转件驱动端，进给件采用直流减速电机控制来驱动进给。

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