CN112945434A - 基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学测量技术领域，特别涉及一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法及装置，通过在水平直孔的两侧钻进弯曲孔，采用孔底应力解除法获取各个孔底的解除应变值，同时测取孔底位置的弹性参数，考虑温度效应，利用空间上互不平行的三组孔底面上的最终解除应变值、弹性参数，结合弹性力学公式，建立方程组进行迭代求解，计算得出该测量点的三维地应力数据，操作、测试方便，利用该方案能够较为精确地测量出实际地下工程的三维地应力状态，对保障地下安全生产、指导地下工程施工具有重要的指导意义。

Description

基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法及装置

技术领域

本发明涉及岩石力学测量技术领域，特别涉及一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法及装置。

背景技术

随着地下工程进入深部，诸多高地应力问题也都浮现出来，例如深部矿山采场失稳、巷道硐室岩爆、顶板垮塌以及岩爆等高地应力灾害频发不止。初始地应力的大小与方向对地下矿山的开采、深埋隧道的走向等地下工程的关键工序来说是至关重要的基础资料，能否在工程开挖前尽可能准确地测量地应力的大小和方向显得尤为重要，因此地应力的测量在数十年来蓬勃发展，产生了多种测量地应力的方法。其中以钻孔应力解除法应用得最为普遍，经过多年的实践应用，其测试技术已经发展得相当完善和成熟，但在工程实践中仍然存在着一定的局限性，在三维地应力场测量工作中显得尤其如此。

应力解除法是目前国内外普遍采用且发展较为成熟的地应力测量方法，其又分为孔底应力解除法、孔壁应变法与孔径变形法。其中孔壁应变法与孔径变形法对套孔岩芯的完整性有很高的要求，而孔底应力解除法采取岩芯较短，可用于较破碎岩体中，因此更适合在深部较为破碎的岩体中进行测量。但传统的孔底应力解除法中单一钻孔只能测得平面二维应力状态，若要测量三维状态下岩体中任意一点的应力状态则需要使用空间方位不同但交于一点的三个钻孔进行孔底应力解除法，但实际测量中往往费时费力且很难保证钻孔底交汇于适于测量部位，进而影响测量结果的准确性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种操作简便可行、结果科学精确，可实际应用于地下工程岩体三维初始地应力测量中的方案。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法，具体包括如下步骤：

步骤一，在地下岩体中钻进直孔至原岩应力区；

步骤二，将孔底磨平处理；

步骤三，将探头粘贴至孔底岩面中心处；

步骤四，将仪器所有通道应变值清零后，进行应力解除作业，获得孔底应力解除的弹性恢复应变值，同时记录整个过程中的温度变化情况；

步骤五，在直孔内适当位置造斜并进行弯曲孔钻进，待该分叉孔的孔底岩面超出直孔钻进的应力调整影响范围后停止钻进，然后重复步骤二至四；

步骤六，在直孔内的同一位置向另一侧造斜并进行弯曲孔钻进，待该分叉孔的孔底岩面超出直孔钻进的应力调整影响范围后停止钻进，然后重复步骤二至四；

步骤七，利用孔底套钻出来的岩芯加工成标准岩石力学试件，通过单轴压缩试验测取其弹性参数，包括弹性模量及泊松比；

步骤八、根据现场记录的温度变化实测值，校正和消除探头因温度效应产生的附加应变值，获得分叉孔底处应力解除的最终解除应变值；

步骤九、利用空间上互不平行的三组孔底面上的最终解除应变值、弹性参数，结合弹性力学公式，建立方程组进行迭代求解，计算得出该测量点的三维地应力数据。

步骤一中在地下岩体巷道的侧墙或掌子面施工钻进近水平的直孔，使直孔保持3°～6°的仰角，钻孔深度达到原岩应力区。

步骤二中利用全断面金刚石磨平的钻头对水平孔孔底进行磨平，之后先用清水冲洗干净底面岩粉，再用高压风雾化的丙酮溶剂喷射冲洗去油去水、干燥。

步骤三中的探头为应变花探头，将应变花探头的公插头与探头定向安装组件的母插头匹配连接好，定向安装组件的开口端通过异径接头与钻杆相连，信号线从钻杆内部引出后连接应变仪及控制器，确认系统达到正常测量状态，在应变花探头外表面上涂覆一薄层的应变胶，通过钻机将钻杆及定向安装组件缓缓推进钻孔中，快到孔底时通过定向安装组件的三维电子罗盘显示的数据稍微转动钻杆，使应变花探头的水平标线设整为与水平方向重合，最后直推钻杆前进，使应变花探头的涂胶面与孔底岩面中心处紧密接触，直至完全粘贴牢固。

步骤五中用少量碎石堵于直孔孔底部分，在直孔内合适位置安装弯曲钻进导向楔，进行造斜处理，使得钻头进行二次钻进的时候偏离水平孔轴线走向并产生夹角，待弯曲孔深度达到直孔直径的3～5倍时停止钻进，然后对弯曲孔孔底进行磨平、清洗，重复步骤二至四，获得该分叉孔的孔底平面解除应变，步骤六与步骤五类似。

本发明还提供了一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的装置，包括钻孔组件、探头定向安装组件、应变花探头和弯曲钻进导向楔，所述钻孔组件与所述探头定向安装组件可拆卸连接，所述应变花探头与所述探头定向安装组件电连接，所述弯曲钻进导向楔可选择设置在钻孔内，所述弯曲钻进导向楔的一端为柱形，另一端为楔形，所述楔形的一侧与所述弯曲钻进导向楔的中线平行，另一侧与所述弯曲钻进导向楔的中线呈一斜角。

其中，所述钻孔组件包括与钻机连接的钻杆，所述钻杆的端部设置有一异径接头，所述异径接头的外端与所述探头定向安装组件连接。

其中，所述探头定向安装组件包括厚壁筒，所述厚壁筒的外径略小于钻孔直径，所述厚壁筒的一端与所述异径接头连接，另一端设置有一端盖，所述厚壁筒的中部设置有一柱状橡胶，所述柱状橡胶的外径略大于所述厚壁筒的内径，通过弹性接触产生的静摩擦力固定，所述柱状橡胶的中部设置有安装小孔并穿设有三维电子罗盘，所述三维电子罗盘通过显示设备能够实时测量显示出所述应变花探头的倾角、方向角以及翻转角度，所述端盖的外壁上设置有一直插式母插头，所述直插式母插头背面的信号线穿过所述柱状橡胶的安装小孔后与应变仪和控制器相连。

其中，所述应变花探头包括直角应变花、柔性环氧树脂、测温探头及直插式公插头，所述直角应变花由分为两组的电阻应变片组成，每组所述电阻应变片设置三片并呈45°分布，所述直角应变花的内表面与所述柔性环氧树脂的一侧连接，所述测温探头设置在所述柔性环氧树脂内部，所述电阻应变片以及所述测温探头的导线均穿过所述柔性环氧树脂内部后与设置在所述柔性环氧树脂另一侧的所述直插式公插头连接。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方案，通过在水平直孔的两侧钻进弯曲孔，采用孔底应力解除法获取各个孔底的解除应变值，同时测取孔底位置的弹性参数，考虑温度效应，利用空间上互不平行的三组孔底面上的最终解除应变值、弹性参数，结合弹性力学公式，建立方程组进行迭代求解，计算得出该测量点的三维地应力数据，操作、测试方便，利用该方案能够较为精确地测量出实际地下工程的三维地应力状态，对保障地下安全生产、指导地下工程施工具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明的装置安装测试示意图；

图2为本发明的应变花探头正视图；

图3为本发明的应变花探头侧视图；

图4为本发明的探头定向安装组件示意图；

图5为本发明的弯曲钻进导向楔安装及弯曲孔示意图。

【附图标记说明】

1-应变花探头；2-弯曲钻进导向楔；3-钻杆；4-异径接头；5-厚壁筒；6- 端盖；7-柱状橡胶；8-三维电子罗盘；9-直插式母插头；10-应变仪；11-控制器；12-直角应变花；13-柔性环氧树脂；14-测温探头；15-直插式公插头；16- 电阻应变片；17-直孔；18-弯曲孔。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

可参阅图1，本发明的实施例1提供了一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法，包括：

步骤一，打直孔17。在地下岩体巷道的侧墙或者掌子面施工一近水平直孔17，孔径可优选为91mm；为方便孔内水冷却水流出，钻孔应保持有一定的仰角，以3°～6°为宜；钻孔深度需达到原岩应力区，超过3～5倍巷道半径。

步骤二，孔底磨平、清洗。利用直径为91mm的全断面金刚石磨平钻头对钻孔的孔底进行磨平，随后先用清水冲洗干净底面岩粉，再用高压风雾化的丙酮溶剂喷射冲洗，去油去水、干燥。

步骤三，粘贴应变花探头。将柔性“双直角”式的应变花探头1的公插头与探头定向安装组件的母插头匹配连接好，探头定向安装组件的开口端通过异径接头4与钻杆3相连，信号线从钻杆3内部引出后接到应变仪10及控制器 11上，并确认系统达到正常测量状态。然后，在柔性“双直角”式的应变花探头1外表面上涂上一薄层应变胶后，通过钻机将钻杆3及定向安装组件(含应变花探头1)缓缓推进钻孔中。快到孔底时，通过定向安装组件的三维电子罗盘8显示的数据，稍微转动钻杆3，使应变花探头1的水平标线设整为与水平方向重合，最后直推钻杆3前进，使应变花探头1涂胶面与孔底岩面中心处紧密接触，直至完全粘贴牢固。

步骤四，测量解除应变及测温。将仪器所有通道应变值清零后，对孔底进行应力解除，与应变花探头1相连的应变仪10可以实时记录孔底壁面的应变值变化，获得孔底应力解除的弹性恢复应变值，同时记录整个过程中的温度变化情况。(孔底应力解除法为现有技术中常用的方法，此处不再赘述具体操作)

步骤五，孔内造斜，施工一个侧偏的弯曲孔18。待水平直孔17测试完成之后，用少量碎石堵于直孔17孔底部分，在直孔17内合适位置安装弯曲钻进导向楔2，进行造斜处理，使得钻头进行二次钻进的时候偏离水平直孔17轴线走向并产生一定夹角，待弯曲孔18深度达到水平直孔17直径的3～5倍时停止钻进，然后对弯曲孔18的孔底进行磨平、清洗，重复步骤二至四，可获得该分叉孔的孔底平面解除应变。

步骤六，孔内造斜，施工另一侧偏的弯曲孔18。调整弯曲钻进导向楔2 的方向，使其对水平直孔17的另一侧进行造斜，实现水平直孔17另一侧的弯曲钻孔。这样，在同一钻孔深部就形成了三个法线不平行的分叉孔底面，重复步骤二至四即可获得该分叉孔的孔底平面解除应变。

步骤七，测量岩石的弹性参数。利用三组分叉孔底套钻出来的岩芯，加工成标准试件，按岩石单轴压缩相关测试规程，测取其弹性模量及泊松比，并取均值作为该测点的弹性参数。

步骤八，应变值的温度变化校正。根据现场记录的温度变化实测值，校正和消除应力花探头1因温度效应产生的附加应变值，获得分叉孔底处应力解除的最终解除应变值。

步骤九，计算三维原岩应力。利用上述空间上互不平行的三组孔底面上的最终解除应变值、弹性参数，结合弹性力学公式建立方程组，进行迭代求解，计算得出该测点包含大小及方向的三维地应力数据。

注：每一个孔(一个直孔及两个弯孔)都是按上述公式计算孔底所在平面的应力，最后三个不同平面的应力联立建立方程，计算三维应力。

本实施例中在矿山现场利用此方法进行了实际工程地应力测量，结果表明该方法测得的地应力与测点处实际三维地应力状态有着较高的一致度，这进一步说明利用该方法能够较为精确地测量出实际地下工程的三维地应力状态，对保障地下安全生产、指导地下工程施工具有重要的指导意义。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的装置，和实施例1中的方法相对应，具体可参阅图1-图5。

该装置包括钻孔组件、探头定向安装组件、应变花探头1和弯曲钻进导向楔2，钻孔组件由钻机以及与钻机连接的钻杆3组成，钻杆3的端部设置有一异径接头4，异径接头4的外端与探头定向安装组件的厚壁筒5一端连接。

厚壁筒5外径略小于钻孔直径，厚壁筒5的另一端设置有一端盖6，中部设置有一柱状橡胶7，柱状橡胶7的外径略大于厚壁筒5的内径，通过与厚壁筒5内侧壁的弹性接触产生的静摩擦力固定。柱状橡胶7的中部设置有安装小孔并穿设有三维电子罗盘8，三维电子罗盘8能够实时测量并依靠设备显示出应变花探头1的倾角、方向角以及翻转角度，端盖6的外壁上设置有一直插式母插头9，直插式母插头9背面的信号线穿过柱状橡胶7的安装小孔后与应变仪10和控制器11相连。

应变花探头1为柔性“双直角”式，包括直角应变花12、柔性环氧树脂 13、测温探头14及直插式公插头15。其中，直角应变花12由分为两组的电阻应变片16组成，每组电阻应变片16设置三片并呈45°放射式分布，直角应变花12的内表面与柔性环氧树脂13的一侧连接，测温探头14设置在柔性环氧树脂13内部，电阻应变片16以及测温探头14的导线均穿过柔性环氧树脂13内部后与设置在柔性环氧树脂13另一侧的直插式公插头15连接。

在本实施例中直插式公插头15以及配套的母插头均具有九芯，应变花探头1的制作方法为：先将两组电阻应变片16组成的直角应变花12正面用双面胶黏贴在透明塑料圆台形杯状模具的杯底平面上，位置按上下布置。其后从六个电阻应变片16的角线上各取一根焊接在直插式公插头15背面的接线柱，顺序为1#、2#、3#、4#、5#、6#，将六个电阻应变片16的另一根角线汇成一组，焊接在直插式公插头15背面的7#接线柱上。随后，将测温探头14的两根角线分别焊接在直插式公插头15背面的8#、9#接线柱上。然后将调制好的液态环氧树脂胶倒入圆台形模具中，使直角应变花12及测温探头14完全浸入到环氧树脂胶中。在室温中静置一段时间，使环氧树脂胶中的气泡慢慢排出，待环氧树脂胶逐渐变得粘稠，表面可以承受一定重量时，将直插式公插头15按置在环氧树脂胶上，使其接线柱面浸入胶中，插头面浮露在外面，并与杯底面保持平行。因而测温探头14和电阻应变片16的角线全都埋入环氧树脂胶中，然后将其放置于45℃恒温干燥箱中固化48小时以上。待环氧树脂胶完全固化完成，将其从模具中取出，去除直角应变花12表面的双面胶体，完成柔性“双直角”式的应变花探头1制作。

请进一步参阅图5，在本实施例中弯曲钻进导向楔2的一端为柱形，另一端为楔形，安装时柱形的一端插入直孔17内，通过直孔17底端的碎石调整楔形位置。楔形的一侧与弯曲钻进导向楔2的中线平行，使弯曲钻进导向楔2 安装后一侧与直孔17孔壁紧贴，楔形的另一侧与直孔17的中线呈一斜角，因此钻杆3钻进时沿楔形面移动，钻进方向与直孔17中线呈一斜角，完成弯曲孔18的钻进。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在地下岩体中钻进直孔至原岩应力区；

步骤二，将孔底磨平处理；

步骤三，将探头粘贴至孔底岩面中心处；

步骤四，将仪器所有通道应变值清零后，进行应力解除作业，获得孔底应力解除的弹性恢复应变值，同时记录整个过程中的温度变化情况；

步骤五，在直孔内适当位置造斜并进行弯曲孔钻进，待该分叉孔的孔底岩面超出直孔钻进的应力调整影响范围后停止钻进，然后重复步骤二至四；

步骤六，在直孔内的同一位置向另一侧造斜并进行弯曲孔钻进，待该分叉孔的孔底岩面超出直孔钻进的应力调整影响范围后停止钻进，然后重复步骤二至四；

步骤七，利用孔底套钻出来的岩芯加工成标准岩石力学试件，通过单轴压缩试验测取其弹性参数，包括弹性模量及泊松比；

步骤八、根据现场记录的温度变化实测值，校正和消除探头因温度效应产生的附加应变值，获得分叉孔底处应力解除的最终解除应变值；

步骤九、利用空间上互不平行的三组孔底面上的最终解除应变值、弹性参数，结合弹性力学公式，建立方程组进行迭代求解，计算得出该测量点的三维地应力数据。

2.根据权利要求1所述的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法，其特征在于，步骤一中在地下岩体巷道的侧墙或掌子面施工钻进近水平的直孔，使直孔保持3°～6°的仰角，钻孔深度达到原岩应力区。

3.根据权利要求1所述的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法，其特征在于，步骤二中利用全断面金刚石磨平的钻头对水平孔孔底进行磨平，之后先用清水冲洗干净底面岩粉，再用高压风雾化的丙酮溶剂喷射冲洗去油去水、干燥。

4.根据权利要求1所述的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法，其特征在于，步骤三中的探头为应变花探头，将应变花探头的公插头与探头定向安装组件的母插头匹配连接好，探头定向安装组件的开口端通过异径接头与钻杆相连，信号线从钻杆内部引出后连接应变仪及控制器，确认系统达到正常测量状态，在应变花探头外表面上涂覆一薄层的应变胶，通过钻机将钻杆及定向安装组件缓缓推进钻孔中，快到孔底时通过定向安装组件的三维电子罗盘显示的数据稍微转动钻杆，使应变花探头的水平标线设整为与水平方向重合，最后直推钻杆前进，使应变花探头的涂胶面与孔底岩面中心处紧密接触，直至完全粘贴牢固。

5.根据权利要求1所述的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的方法，其特征在于，步骤五中用少量碎石堵于直孔孔底部分，在直孔内合适位置安装弯曲钻进导向楔，进行造斜处理，使得钻头进行二次钻进的时候偏离水平孔轴线走向并产生夹角，待弯曲孔深度达到直孔直径的3～5倍时停止钻进，然后对弯曲孔孔底进行磨平、清洗，重复步骤二至四，获得该分叉孔的孔底平面解除应变，步骤六与步骤五类似。

6.一种基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的装置，应用于如权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，包括钻孔组件、探头定向安装组件、应变花探头和弯曲钻进导向楔，所述钻孔组件与所述探头定向安装组件可拆卸连接，所述应变花探头与所述探头定向安装组件电连接，所述弯曲钻进导向楔可选择设置在钻孔内，所述弯曲钻进导向楔的一端为柱形，另一端为楔形，所述楔形的一侧与所述弯曲钻进导向楔的中线平行，所述楔形的另一侧与所述弯曲钻进导向楔的中线呈一斜角。

7.根据权利要求6所述的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的装置，其特征在于，所述钻孔组件包括与钻机连接的钻杆，所述钻杆的端部设置有一异径接头，所述异径接头的外端与所述探头定向安装组件连接。

8.根据权利要求7所述的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的装置，其特征在于，所述探头定向安装组件包括厚壁筒，所述厚壁筒的外径略小于钻孔直径，所述厚壁筒的一端与所述异径接头连接，另一端设置有一端盖，所述厚壁筒的中部设置有一柱状橡胶，所述柱状橡胶的外径略大于所述厚壁筒的内径，通过弹性接触产生的静摩擦力固定，所述柱状橡胶的中部设置有安装小孔并穿设有三维电子罗盘，所述三维电子罗盘通过显示设备能够实时测量显示出所述应变花探头的倾角、方向角以及翻转角度，所述端盖的外壁上设置有一直插式母插头，所述直插式母插头背面的信号线穿过所述柱状橡胶的安装小孔后与应变仪和控制器相连。

9.根据权利要求8所述的基于弯曲钻孔的孔底应力解除测量地应力的装置，其特征在于，所述应变花探头包括直角应变花、柔性环氧树脂、测温探头及直插式公插头，所述直角应变花由分为两组的电阻应变片组成，每组所述电阻应变片设置三片并呈45°分布，所述直角应变花的内表面与所述柔性环氧树脂的一侧连接，所述测温探头设置在所述柔性环氧树脂内部，所述电阻应变片以及所述测温探头的导线均穿过所述柔性环氧树脂内部后与设置在所述柔性环氧树脂另一侧的所述直插式公插头连接。

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