CN113820059B - 一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法，用于地应力测量设备技术领域。包括定位推移系统和固定套筒系统；定位推移系统包括连接头、安装杆、定位伸缩杆、推移杆和伸缩弹簧，连接头位于安装杆末端，推移杆位于安装杆前端，定位伸缩杆位于安装杆表面，在安装杆内部布置有伸缩弹簧位于两个定位伸缩杆之间；固定套筒系统包括防滑板、套筒、定位孔、卡位口、固定端头、滚轮和滑动槽，固定端头位于套筒前部，卡位口位于固定端头两侧，滑动槽位于套筒后部，连接定位孔与防滑板，防滑板位于滑动槽末端，滚轮布置于滑动槽两侧，定位孔位于套筒中部。该装置可以将空心包体准确送入测量小孔中，避免空心包体挤压破坏，对矿山地应力测量具有重要意义。
Description
技术领域
本发明为一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法，用于地应力测量设备技术领域。
背景技术
岩体中的天然应力通常是由岩体重力、构造应力、动水压力和膨胀作用力等组成，也称原岩应力，是矿山压力产生的根源。在进行各种地下或露天岩石工程开挖时，由于工程的扰动，围岩应力场会不可避免的产生变化，从而形成“开挖荷载”并进一步导致岩体变形破坏。在矿山开采过程中，随着煤矿的开采强度和深度的不断增加，地应力影响也越加严重，巷道底鼓、两帮变形、顶板破碎等矿压活动显现越发剧烈，对煤矿正常安全生产带来极大的困难。越来越多的煤矿开展地应力测量工作，并应用地应力测量的结果指导矿井设计和支护设计。因此，地应力测量与研究已成科研人员和工程界最关心的问题之一。
经过近几十年地应力测量与研究工作的开展，逐渐形成了多种成熟的地应力测量方法。目前，国内外测量地应力的常用方法主要包括：水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法、应变恢复法和应力解除法等测量方法，其中钻孔应力解除法是我国技术相对纯熟，运用较为广泛的一种应力测量方法，钻孔应力解除法测量准确度好，可靠性强的，尤其适用于矿山井下的地应力测量工作。应力解除法属于间接测量地应力的方法，其主要是通过钻孔安装空心包体应力计测量岩芯逐渐脱离周围应力场过程中达到新平衡状态前后测量小孔壁面上的应变变化，然后将实测的应变数据以及其他相关参数带入计算模型就可以计算出6个地应力分量以及3个主应力的大小与方向。最后由测点的三维地应力状态，通过反演分析便可建立工程区域的初始地应力场模型，进而可以了解工程重点部位的地应力变化规律。但是空心包体地应力测量有严格的步骤流程，实际操作中每一步的失误都有可能导致测量精度不足甚至测量失败，尤其是在将空心包体送入小孔过程中需要严格排尺计算，否则空心包体在钻机的推力作用下可能会与岩壁挤压对应变片造成损坏，从而影响试验数据的准确性，除此之外，目前的测量设备在将空心包体送入小孔后需等待粘结剂完全固化后才能撤出安装装置，此过程需要等待周期较长，而井下一些巷道较为狭窄，钻机的长时间停放会阻碍井下的物料运输，对矿山正常安全生产造成影响。因此，研究一种空心包体定位装置可以帮助我们降低空心包体地应力测量过程中的操作难度，对提升测量结果准确性与协调矿山正常生产具有重大意义。
发明内容
针对现有技术设备中存在的问题，本发明提供一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法，目的是利用该装置将空心包体准确送入测量小孔中并将装置与空心包体分离，确保空心包体的完好性，简化地应力测量操作流程，提升试验结果准确性。
解决上述问题所采用的技术方案是本装置主要由定位推移系统和固定套筒系统两部分组成；所述定位推移系统由连接头、安装杆、定位伸缩杆、推移杆和伸缩弹簧等部分组成，所述连接头位于安装杆末端，推移杆位于安装杆前端，所述定位伸缩杆位于安装杆表面，在安装杆内部布置有伸缩弹簧位于两个定位伸缩杆之间；所述固定套筒系统由防滑板、套筒、定位孔、卡位口、固定端头、滚轮和滑动槽等部分组成，所述固定端头位于套筒前部，卡位口位于固定端头左右两侧，所述滑动槽位于套筒后部，连接定位孔与防滑板，防滑板位于滑动槽末端，滚轮布置于滑动槽两侧，所述定位孔位于套筒中部。
进一步地，所述套筒为空心圆柱体，套筒内径与空心包体末端固定部位直径大小一致，套筒外径大于测量小孔直径。
进一步地，所述固定端头一端敞开，安装空心包体时数据线从敞开处穿出。
进一步地，所述卡位口在固定端头左右两侧各布置一个，卡位口宽度大于空心包体末端固定销直径，卡位口长度与空心包体末端固定部位长度相等。
进一步地，所述滑动槽在套筒左右两侧各布置一个，滑动槽宽度与定位伸缩杆直径相等，滑动槽高度小于套筒外壁到内壁的距离。
进一步地，所述定位孔在套筒左右两侧各布置一个，定位孔直径大于定位伸缩杆直径，定位孔到防滑板的距离与推移杆前端面到固定端头前端面的距离相等，定位孔贯穿套筒内径与外径。
进一步地，所述定位伸缩杆在安装杆左右各布置一个，定位伸缩杆与伸缩弹簧在不受压力作用下的长度大于套筒外径。
进一步地，所述推移杆中心与套筒中心在同一直线上，在推移杆中心有一凹槽，凹槽宽度大于空心包体数据线直径，当推移杆移动至固定端头前端面时，所述定位伸缩杆弹出定位孔。
一种空心包体地应力测量方法，采用了上述空心包体定位装置，包括如下步骤：
步骤一：利用钻机先钻一直径130mm的钻孔到达预定深度，然后钻一个孔径比空心包体环氧树脂筒直径大1 mm的测量小孔，用于安装空心包体，小孔钻进深度为空心包体柱塞完全压缩后的长度与推移杆前端面到固定端头前端面的距离之和。
步骤二：将空心包体放于定位装置固定端头，空心包体后方固定销用塑料袋包裹插入卡位口中，数据线从固定端头敞开处穿出。
步骤三：推开防滑板，按住定位伸缩杆放入滑动槽后放下防滑板，在钻杆前方安装定向仪，在定向仪前方安装定位装置。
步骤四：将空心包体送入小孔中，套筒接触岩壁后安装杆与推移杆继续移动，当定位伸缩杆在伸缩弹簧作用下弹出定位孔时，推移杆将空心包体从定位装置固定端头全部推送进入岩壁小孔中，钻机停止推进。
步骤五：经48小时固化，用直径130mm的套芯钻头在原钻孔内延深钻进进行应力解除，在应力解除过程中要跟踪测量，当套芯进尺超过应力计安装位置，空心包体完全脱落且各应变片读数趋于稳定，停止钻进取出岩芯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法，该装置利用固定套筒系统和定位推移系统实现空心包体精准定位，套筒外径大于测量小孔直径，当套筒抵达岩壁后可抵挡钻机推力，避免空心包体在钻机推力下挤压岩壁而出现损坏，影响试验结果，在定位伸缩杆移动过程中，本装置利用滑动槽固定滑动方向，避免定位伸缩杆在套筒内发生转动，在滑动槽两侧装有滚轮，降低定位伸缩杆移动阻力，在滑动槽后方装有防滑板，避免在运送空心包体至测量小孔过程中安装杆滑出套筒，在定位伸缩杆下方装有伸缩弹簧，当定位伸缩杆移动至定位孔时可瞬间弹出达到准确定位的目的，使用该装置可以准确将空心包体送入测量小孔中，避免出现因为距离计量错误而导致的空心包体挤压破损的情况，简化了地应力测量操作流程，提升了试验结果准确性，除此之外，本装置利用推移杆将空心包体从固定端头完全推送进入测量小孔，使空心包体与岩壁的接触更加充分，推移杆中心有一凹槽，在推送空心包体时数据线位于凹槽内可避免挤压破坏，并且因为空心包体与定位装置已经分离在井下遇到特殊情况时，可以直接撤出钻杆、定向仪和定位装置，撤离钻机，协调了地应力测量工作与矿山正常安全生产之间的关系，对矿山井下的地应力测量工作具有重要意义。
附图说明
图1为本发明一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法结构示意图。
图2为本发明一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法定位推移系统结构示意图。
图3为图1中A-A方向剖视图。
图4为图1中B-B方向剖视图。
图中：1-连接头；2-安装杆；3-定位伸缩杆；4-防滑板；5-套筒；6-定位孔；7-卡位口；8-固定端头；9-推移杆；10-滚轮；11-滑动槽；12-伸缩弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于此实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“中心”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。
本申请提供一种地应力测量空心包体定位装置及使用方法，如图1~4所示，主要由定位推移系统和固定套筒系统两部分组成；所述定位推移系统由连接头1、安装杆2、定位伸缩杆3、推移杆9和伸缩弹簧12等部分组成，所述连接头1位于安装杆2末端，推移杆9位于安装杆2前端，所述定位伸缩杆3位于安装杆2表面，在安装杆2内部布置有伸缩弹簧12位于两个定位伸缩杆3之间；所述固定套筒系统由防滑板4、套筒5、定位孔6、卡位口7、固定端头8、滚轮10和滑动槽11等部分组成，所述固定端头8位于套筒5前部，卡位口7位于固定端头8左右两侧，所述滑动槽11位于套筒5后部，连接定位孔6与防滑板4，防滑板4位于滑动槽11末端，滚轮10布置于滑动槽11两侧，所述定位孔6位于套筒5中部。
在本申请的一个实施例中，选用KX-81型空心包体式三轴应力计为例进行具体说明，KX-81型空心包体式三轴应力计，壁厚5mm，内径25mm，外径35mm，长度为280 mm，末端固定部位长度50mm，固定销直径5mm。
优选地，所述套筒5为空心圆柱体，套筒5内径为27 mm与KX-81型空心包体式三轴应力计末端固定部位直径大小一致，套筒5外径为40 mm大于测量小孔直径，当套筒到达测量小孔时即能停止移动，避免钻机推力过大挤压破坏KX-81型空心包体式三轴应力计，影响测量准确度。
优选地，所述固定端头8一端敞开，安装KX-81型空心包体式三轴应力计时数据线从敞开处穿出。
优选地，所述卡位口7在固定端头8左右两侧各布置一个，卡位口7宽度为6mm大于KX-81型空心包体式三轴应力计末端固定销直径，卡位口7长度为50 mm与KX-81型空心包体式三轴应力计末端固定部位长度相等，在移送KX-81型空心包体式三轴应力计过程中，卡位口可将KX-81型空心包体式三轴应力计固定在固定端头8，防止脱落。
优选地，所述滑动槽11在套筒5左右两侧各布置一个，滑动槽11宽度为8 mm与定位伸缩杆3直径相等，滑动槽11高度为4.5mm小于套筒5外壁到内壁的距离，在定位伸缩杆3移动过程中，滑动槽11可以固定滑动方向，避免定位伸缩杆3在套筒5内发生转动，在滑动槽11两侧装有滚轮10，可以降低定位伸缩杆3移动阻力，在滑动槽11后方装有防滑板4，避免在运送空心包体至测量小孔过程中安装杆2滑出套筒5。
优选地，所述定位孔6在套筒5左右两侧各布置一个，定位孔6直径为10 mm大于定位伸缩杆3的直径，定位孔6贯穿套筒5内壁与外壁，保证定位伸缩杆3能顺利弹出，实现准确定位，定位孔6到防滑板4的距离为85 mm，推移杆9前端面到固定端头8前端面的距离也为85mm，二者距离相等，当定位装置不能继续推动时推移杆9正好将KX-81型空心包体式三轴应力计从固定端头8全部送入测量小孔中，在狭小巷道中进行测量时，若在等待粘黏剂固化过程出现急需运料等特殊情况时，可以直接撤出钻杆，撤离钻机，待KX-81型空心包体式三轴应力计与岩壁完全接触后在重新立钻进行应力解除即可，有效协调了地应力测量工作与矿山正常安全生产之间的关系。
优选地，所述定位伸缩杆3直径为8 mm，伸缩杆3在安装杆2左右各布置一个，定位伸缩杆3与伸缩弹簧12在不受压力作用下的长度为45 mm，定位伸缩杆3与伸缩弹簧12在不受压力作用下的长度大于套筒5外径，确保定位伸缩杆3穿过定位孔6后可固定位置，避免装置继续推动。
优选地，所述推移杆9中心与套筒5中心在同一直线上，在推移杆9中心有一凹槽，凹槽宽度为10 mm，凹槽宽度大于KX-81型空心包体式三轴应力计数据线直径，在推移杆9推送KX-81型空心包体式三轴应力计时，数据线置于凹槽内，避免数据线被挤压破坏，当推移杆9移动至固定端头8前端面时，所述定位伸缩杆3弹出定位孔6，实现精准定位。
一种空心包体地应力测量方法，采用了上述空心包体定位装置，包括如下步骤：
步骤一：利用钻机先钻一直径130mm的钻孔到达预定深度，然后钻一个孔径为36mm的测量小孔，用于安装KX-81型空心包体式三轴应力计，小孔钻进深度为365 mm。
步骤二：将KX-81型空心包体式三轴应力计放于定位装置固定端头8，KX-81型空心包体式三轴应力计后方固定销用塑料袋包裹插入卡位口7中，数据线从固定端头8敞开处穿出。
步骤三：推开防滑板4，按压定位伸缩杆3放入滑动槽11后放下防滑板4，在钻杆前方安装定向仪，在定向仪前方安装定位装置。
步骤四：将KX-81型空心包体式三轴应力计送入小孔中，套筒5接触岩壁后安装杆2与推移杆9继续移动，当定位伸缩杆3在伸缩弹簧12作用下弹出定位孔6时，推移杆9将KX-81型空心包体式三轴应力计从定位装置固定端头8全部推送进入岩壁小孔中，钻机停止推进。
步骤五：经48小时固化，用直径130mm的套芯钻头在原钻孔内延深钻进进行应力解除，在应力解除过程中要跟踪测量，当套芯进尺超过KX-81型空心包体式三轴应力安装位置，空心包体完全脱落且各应变片读数趋于稳定，停止钻进取出岩芯。
尽管以上所述对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示。
Claims (7)
1.一种地应力测量空心包体定位装置，其特征在于：该装置由定位推移系统和固定套筒系统两部分组成；所述定位推移系统由连接头(1)、安装杆(2)、定位伸缩杆(3)、推移杆(9)和伸缩弹簧(12)等部分组成，所述连接头(1)位于安装杆(2)末端，推移杆(9)位于安装杆(2)前端，所述定位伸缩杆(3)位于安装杆(2)表面，所述安装杆(2)内部布置有伸缩弹簧(12)位于两个定位伸缩杆(3)之间，定位伸缩杆(3)与伸缩弹簧(12)在不受压力作用下的长度大于套筒(5)外径；所述固定套筒系统由防滑板(4)、套筒(5)、定位孔(6)、卡位口(7)、固定端头(8)、滚轮(10)和滑动槽(11)等部分组成，所述套筒(5)为空心圆柱体，套筒(5)内径与空心包体末端固定部位直径大小一致，套筒(5)外径大于测量小孔直径，所述固定端头(8)位于套筒(5)前部，固定端头(8)一端敞开，安装空心包体时数据线从敞口处穿出，所述卡位口(7)位于固定端头(8)左右两侧，所述滑动槽(11)位于套筒(5)后部，连接定位孔(6)与防滑板(4)，防滑板(4)位于滑动槽(11)末端，滚轮(10)布置于滑动槽(11)两侧，所述定位孔(6)位于套筒(5)中部，定位孔(6)直径大于定位伸缩杆(3)直径，定位孔(6)到防滑板(4)的距离与推移杆(9)前端面到固定端头(8)前端面的距离相等，定位孔(6)贯穿套筒(5)内径与外径。
2.根据权利要求1所述的一种地应力测量空心包体定位装置，其特征在于：所述卡位口(7)在固定端头(8)左右两侧各布置一个，卡位口(7)宽度大于空心包体末端固定销直径，卡位口(7)长度与空心包体末端固定部位长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种地应力测量空心包体定位装置，其特征在于：所述滑动槽(11)在套筒(5)左右两侧各布置一个，滑动槽(11)宽度与定位伸缩杆(3)直径相等，滑动槽(11)高度小于套筒(5)外壁到内壁的距离。
4.根据权利要求1所述的一种地应力测量空心包体定位装置，其特征在于：所述定位孔(6)在套筒(5)左右两侧各布置一个。
5.根据权利要求1所述的一种地应力测量空心包体定位装置，其特征在于：所述定位伸缩杆(3)在安装杆(2)左右两侧各布置一个。
6.根据权利要求1所述的一种地应力测量空心包体定位装置，其特征在于：所述推移杆(9)中心与套筒(5)中心在同一直线上，在推移杆(9)中心有一凹槽，凹槽宽度大于空心包体数据线直径，当推移杆(9)移动至固定端头(8)前端面时，所述定位伸缩杆(3)弹出定位孔(6)。
7.一种空心包体地应力测量方法，采用权利要求1所述的一种地应力测量空心包体定位装置，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：利用钻机先钻一直径130mm的钻孔到达预定深度，然后钻一个孔径比空心包体环氧树脂筒直径大1mm的测量小孔，用于安装空心包体，小孔钻进深度为空心包体柱塞完全压缩后的长度与推移杆(9)前端面到固定端头(8)前端面的距离之和；
步骤二：将空心包体放于定位装置固定端头(8)，空心包体后方固定销用塑料袋包裹插入卡位口(7)中，数据线从固定端头(8)敞开处穿出；
步骤三：推开防滑板(4)，按住定位伸缩杆(3)放入滑动槽(11)后放下防滑板(4)，在钻杆前方安装定向仪，在定向仪前方安装定位装置；
步骤四：将空心包体送入小孔中，套筒(5)接触岩壁后安装杆(2)与推移杆(9)继续移动，当定位伸缩杆(3)在伸缩弹簧(12)作用下弹出定位孔(6)时，推移杆(9)将空心包体从定位装置固定端头(8)全部推送进入岩壁小孔中，钻机停止推进；
步骤五：经48小时固化，用直径130mm的套芯钻头在原钻孔内延深钻进进行应力解除，在应力解除过程中要跟踪测量，当套芯进尺超过应力计安装位置，空心包体完全脱落且各应变片读数趋于稳定，停止钻进取出岩芯。
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