CN115127716B - 小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法，包括地面支持机构、铠装电缆和变形参数及地应力原位测试机构；变形参数及地应力原位测试机构包括电子控制模块、电机模块、应力解除模块，上、下岩体参数原位测试模块和井下电视模块；通过快速插头实现变形参数及地应力原位测试机构各模块之间的快速拼装，通过专用缆车控制变形参数及地应力原位测试机构在钻孔内升降，通过电子控制模块控制各模块动作，采集和传输信号到地面支持机构，通过井下电视模块识别井壁岩体地层信息，通过岩体参数原位测试模块将变形参数及地应力原位测试机构对中固定在孔内指定深度，实现直接在钻孔中对测试段岩体进行原位变形参数测试。

Description

小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法

技术领域

本发明属于岩土力学测量技术领域，更具体地，涉及一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法。

背景技术

公路铁路等线路工程具有分布广泛、区域地质情况复杂多变等特征，目前相关工程活动已经深入到地下1000米以下，例如大相岭泥巴山隧道中有超过5000米以上的隧道埋深超过1000米，大瑞高速公路高黎贡山隧道的最大埋深达到1150米。特别是高地应力区对隧道的施工产生了极大影响，在软岩地层造成了侧鼓、底鼓等大变形问题，在硬岩地层则导致岩爆、大范围崩塌等工程危害，直接威胁到工程的施工安全，拖延施工进度，造成极大损失，因此了解地应力分布特征在岩土工程领域是至关重要的基础资料。应力解除法是一种得到国际岩石力学测试技术专业委员会推荐的地应力原位测试方法，该方法使用井壁一点处任意方向上的正应变与远场地应力之间的对应关系，反算得到地应力。与其他应力解除法原理相比，局部壁面应力解除法无需在孔底进行测试，理论上突破了孔深的限制，可以应用于深垂直钻孔中。但在应用于公路工程中时，新研发出的深钻孔局部壁面应力解除法还存在以下问题：（1）由于现有局部壁面应力解除法设备是针对大型页岩气开采勘察井设计的，外径大、重量大，设备运输、安装、下放困难，需要依靠专用设备和大型井架才能完成测试；但在公路工程中，现场勘探钻孔条件简陋、环境复杂，采用现有设备难以开展工作；（2）目前局部壁面应力解除法设备缺少井壁摄像设备，无法探明钻孔孔壁情况和岩性条件；（3）由于在1000米以浅的环境中岩芯采取率较低，通常无法通过室内试验的方式求取测试岩层的变形参数，因此需要在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数；（4）现有局部壁面应力解除法设备中的钻头设备采用380V交流电机供电，但在线路工程勘察时，野外不具备相应的电源条件，因此需要采用自带蓄电池，且设备可以通过低压直流电驱动。

因此，急需一种整体体积小、运输和装配方便、井内下放便捷、能够直接观察钻孔孔壁岩性条件、能够自主供电、且能够直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验及原位地应力测量试验的局部壁面应力解除法岩体参数原位测试装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法，整体体积小、运输和装配方便、井内下放便捷、能够直接观察钻孔孔壁岩性条件且能够直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验，能够解决现有的局部壁面应力解除法测试装置外径大、重量大，运输、安装、下放困难、无法探明钻孔孔壁情况和岩性条件、无法在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数、传统地应力测量时采用交流电对工作环境的供电依赖性较大的一系列问题。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，包括地面支持机构、变形参数及地应力原位测试机构以及连接所述地面支持机构和所述变形参数及地应力原位测试机构的铠装电缆；其中，

所述地面支持机构包括两两相连专用缆车、地面控制显示模块以及太阳能光电电源模块；通过所述太阳能光电电源模块为所述地面控制显示模块和所述地面支持机构供电；通过所述铠装电缆实现所述变形参数及地应力原位测试机构和所述地面支持机构之间的数据传输；所述变形参数及地应力原位测试机构包括由上而下依次连接的电子控制模块、上岩体参数原位测试模块、电机模块、应力解除模块、下岩体参数原位测试模块、井下电视模块；通过在相邻两个模块之间设快速插头进行连接，在所述快速插头上设密封圈，实现各模块之间的快速拆卸、拼装和密封；

通过所述专用缆车控制所述变形参数及地应力原位测试机构在钻孔内的下降和上升，通过所述电子控制模块控制所述上岩体参数原位测试模块、所述电机模块、所述应力解除模块、所述下岩体参数原位测试模块以及所述井下电视模块的动作，采集和传输各模块的传感信号到所述地面控制显示模块，通过所述上岩体参数原位测试模块和所述下岩体参数原位测试模块直接在钻孔中对测试段岩体进行原位变形参数测试并将所述变形参数及地应力原位测试机构对中固定在孔内指定深度，通过所述电机模块和所述应力解除模块进行井壁应力解除测试，通过所述井下电视识别井壁岩体地层信息，进而实现在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数的测试。

进一步地，所述铠装电缆的一端与所述专用缆车相连，另一端与所述电子控制模块相连；

所述电子控制模块包括与所述铠装电缆相连的电缆马笼头、与所述电缆马笼头相连的防水插头、与所述防水插头相连的电路板、用于安装所述电路板的电路板骨架以及设于所述电路板骨架外部的电子控制模块外壳。

进一步地，所述上岩体参数原位测试模块和所述下岩体参数原位测试模块结构相同，均包括岩体参数原位测试模块外壳、设于所述岩体参数原位测试模块外壳内部的千斤顶控制单元、高精度位移传感器、液压油腔、第一电路通道以及承压模块；

所述千斤顶控制单元设于所述岩体参数原位测试模块外壳的内部中心位置；所述承压模块包括设于所述千斤顶控制单元一侧的第一承压单元和设于所述千斤顶控制单元另一侧的第二承压单元；所述高精度位移传感器在所述第一承压单元和所述第二承压单元内分别设置；通过所述千斤顶控制单元控制所述第一承压单元和所述第二承压单元向相反的方向伸出或收回；所述液压油腔和所述第一电路通道分别设于所述千斤顶控制单元与所述岩体参数原位测试模块外壳内壁的两侧剩余空间内；

通过所述千斤顶控制单元控制微型千斤顶实现所述承压模块向孔壁方向的伸出和收回，实现所述承压模块对钻孔孔壁进行加压；通过设于所述承压模块内部的所述高精度位移传感器测量所述承压模块对钻孔孔壁施加压力过程中产生的微小变形；通过所述千斤顶控制单元控制所述承压模块对井壁进行加压的同时，能够实现所述变形参数及地应力原位测试机构在井内的推靠对中。

进一步地，所述电机模块包括电机模块外壳、油管通路、高速直流无刷电机、变速箱、电机传动轴以及第二电路通道；

所述油管通路、所述高速直流无刷电机、所述变速箱以及所述第二电路通道均设于所述电机模块外壳内部；

所述高速直流无刷电机与所述电子控制模块相连；所述变速箱设于所述高速直流无刷电机上远离所述上岩体参数原位测试模块的一端；

所述油管通路、所述第二电路通道分别设于所述高速直流无刷电机的两侧；

所述电机模块上的所述快速插头设于所述电机模块外壳远离所述上岩体参数原位测试模块的一端；

所述电机传动轴设于所述快速插头的中心，且其一端与所述变速箱相连，另一端与下部所述应力解除模块相连；

所述电机传动轴的所述油管通路用于为液压油提供移动通道，其通过上方接口与所述上岩体参数原位测试模块中的所述液压油腔相连，通过下方接口与所述应力解除模块相连。

进一步地，所述应力解除模块包括应力解除模块外壳、应力解除窗口、钻机控制系统及伞形齿轮组、应力解除钻头、推移杆件、移动导板、第三电路通道以及应变测量模块；

所述应力解除窗口设于所述应力解除模块外壳的侧面；

所述钻机控制系统及伞形齿轮组靠近所述电机模块的一端与所述电机传动轴相连，远离所述电机模块的一端与所述应力解除钻头相连；

所述钻机控制系统及伞形齿轮组与井壁平行的一侧与所述推移杆件相连；

所述应变测量模块固定在所述钻机控制系统及伞形齿轮组上，用于测量应力解除过程中岩芯表面的微小变形；

所述移动导板与所述应力解除模块外壳的内壁滑动连接；

所述推移杆件的一端与所述电机模块的油管通路中的油路通道相连，另一端与所述移动导板相连；通过调节电磁阀使液压油推动所述推移杆件靠近或远离孔内壁面移动，实现所述应力解除钻头的伸出和回收。

进一步地，所述井下电视模块包括井下电视模块外壳、井下电视模块窗口、井下电视以及第四电路通道；

所述井下电视模块窗口在所述井下电视模块外壳相对的两个侧面分别设置；所述井下电视设于所述井下电视模块外壳内部两个所述井下电视模块窗口之间；

所述井下电视采用双声发射探头，能够探查方向相反的两个方向上的井壁。

进一步地，所述第二电路通道通过上方接口与所述上岩体参数原位测试模块中的第一电路通道相连，通过下方接口与所述应力解除模块的电线通道相连；

所述第三电路通道通过上方接口与上方所述电机模块中第二电路通道相连，下方通过下方接口与所述下岩体参数原位测试模块的第一电路通道相连；

所述第四电路通道通过上方接口与所述下岩体参数原位测试模块中的所述第一电路通道相连，下方与所述井下电视相连。

进一步地，所述专用缆车包括能够固定于运输车上的支架和设于所述支架上的步进电机；

所述铠装电缆设于所述步进电机的输出轴上，通过所述步进电机控制所述变形参数及地应力原位测试机构的下降和上升；

所述地面控制显示模块包括机箱柜、设于所述机箱柜上的电脑、数据显示模块以及手动控制模块；

所述太阳能光电电源模块包括太阳能板和与所述太阳能板相连的光电蓄电池。

进一步地，所述快速插头在所述电子控制模块、所述上岩体参数原位测试模块、所述电机模块、所述应力解除模块以及所述下岩体参数原位测试模块上远离所述铠装电缆的一端分别设置。

本发明的另一个方面提供一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试方法，包括如下步骤：

S1：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构的室内标定、拆装、运输；

S2：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构的现场组装与调试；

S3：现场岩层测试层位和测试深度的初步研判；

S4：钻孔并清孔；

S5：将变形参数及地应力原位测试机构放入钻孔，打开井下电视模块进行井壁成像探测，并记录下岩性条件相对较好的深度；

S6：变形参数及地应力原位测试机构达到孔底后，通过专用缆车缓慢向上提升，到达测试层位深度后，通过上、下岩体参数原位测试模块直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验并将变形参数及地应力原位测试机构对中并固定在指定深度；

S7：启动电机模块和应力解除模块进行井壁应力解除测试，通过应变测量模块将井壁上的微小变形记录并传输至地面控制显示模块，与步骤S6测得的岩体变形参数一同解算地应力分量；达到要求钻探深度后，回收应力解除钻头，同时收回上、下岩体参数原位测试模块；

S8：通过专用缆车继续提升变形参数及地应力原位测试机构，再在其他测试深度重复步骤S7；

S9：测试完毕后，进行地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构回收、现场养护、拆卸装车。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

（1）本发明的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，各个模块之间通过快速插头连接，克服了传统局部壁面应力解除设备庞大而笨重的缺点，采用快速拆卸和拼装的形式，解决了线路工程中设备运输和装配的难题，使得在线路工程中开展地应力原位测试方便快捷。

（2）本发明的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，利用太阳能光电电源模块为地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构供电供能，回避了传统地应力测量时采用交流电对工作环境的依赖性；通过铠装电缆实现地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构之间的数据传输；通过岩体参数原位测试模块，直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验，并将变形参数及地应力原位测试机构对中固定在孔内指定深度，解决了线路工程中变形参数难以获得的难题；通过井下电视识别井壁岩体地层信息，进而实现在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数的测试。

（3）本发明的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，不需要搭载于钻机，可单独操作使用，变形参数及地应力原位测试机构直接通过专用缆车下放到线路勘察孔中进行地应力测试，克服了传统地应力测试设备搭载钻机下方困难的特点，增强了可操作性和灵活性；整个系统具有操作简单，有效稳定，便于维护。

（4）本发明的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，电子控制模块、上岩体参数原位测试模块、电机模块、应力解除模块、下岩体参数原位测试模块以及井下电视模块的外壳均采用特殊材料设计，有良好的防水和耐压性能，防止系统受压破坏，进一步提升了系统在深钻复杂环境中应用的适应性。

（5）本发明的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，回避了传统地应力测量时采用液压形式加压的笨拙和漏油缺点，拼接的接口处密封性要求没有液压型地应力测量设备高，提高了设备可拆卸和拼装便捷性。

附图说明

图1为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的专用缆车结构示意图；

图3为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的地面控制显示模块结构示意图；

图4为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的太阳能光电电源模块结构示意图；

图5为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的电子控制模块结构示意图；

图6为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的上岩体参数原位测试模块结构示意图（视角一）；

图7为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的上岩体参数原位测试模块结构示意图（视角二）；

图8为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的电机模块结构示意图；

图9为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的应力解除模块结构示意图；

图10为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统的井下电视模块结构示意图；

图11为本发明实施例一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试方法的流程示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-地面支持机构、11-专用缆车、111-支架、112-步进电机、12-地面控制显示模块、121-机箱柜、122-电脑、123-数据显示模块、124-手动控制模块、13-太阳能光电电源模块、131-太阳能板、132-光电蓄电池、2-变形参数及地应力原位测试机构、21-电子控制模块、211-电缆马笼头、212-防水插头、213-电路板、214-电路板骨架、215-电子控制模块外壳、22-上岩体参数原位测试模块、221-岩体参数原位测试模块外壳、222-千斤顶控制单元、223-高精度位移传感器、224-液压油腔、225-第一电路通道、226-承压模块、23-电机模块、231-电机模块外壳、232-油管通路、233-高速直流无刷电机、234-变速箱、235-电机传动轴、236-第二电路通道、24-应力解除模块、241-应力解除模块外壳、242-应力解除窗口、243-钻机控制系统及伞形齿轮组、244-应力解除钻头、245-推移杆件、246-移动导板、247-第三电路通道、248-应变测量模块、25-下岩体参数原位测试模块、26-井下电视模块、261-井下电视模块外壳、262-井下电视模块窗口、263-井下电视、264-第四电路通道、3-铠装电缆、4-快速插头、41-密封圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1-图10所示，本发明提供一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，包括地面支持机构1、变形参数及地应力原位测试机构2以及连接所述地面支持机构1和所述变形参数及地应力原位测试机构2的铠装电缆3；所述地面支持机构1包括两两相连的专用缆车11和与所述专用缆车11分别相连的地面控制显示模块12太阳能光电电源模块13；通过所述太阳能光电电源模块13为所述地面控制显示模块12和所述地面支持机构1供电；通过所述铠装电缆3实现所述变形参数及地应力原位测试机构2和所述地面支持机构1之间的数据传输；所述变形参数及地应力原位测试机构2包括由上而下依次连接的电子控制模块21、上岩体参数原位测试模块22、电机模块23、应力解除模块24、下岩体参数原位测试模块25以及井下电视模块26；通过在相邻两个模块之间设快速插头4，并在所述快速插头4上设密封圈41，实现所述变形参数及地应力原位测试机构2的各模块之间的快速拆卸、拼装和密封；通过所述专用缆车11控制所述变形参数及地应力原位测试机构2在钻孔内的下降和上升，通过所述电子控制模块21控制所述上岩体参数原位测试模块22、所述电机模块23、所述应力解除模块24、所述下岩体参数原位测试模块25以及所述井下电视模块26的动作，采集和传输各模块的传感信号到所述地面控制显示模块12，通过所述上岩体参数原位测试模块22和所述下岩体参数原位测试模块25将所述变形参数及地应力原位测试机构2对中固定在孔内指定深度并直接在钻孔中对测试段岩体进行原位变形参数测试，通过所述电机模块23和所述应力解除模块24进行井壁应力解除测试，通过所述井下电视模块26识别井壁岩体地层信息，进而实现在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数的测试；能够解决现有的局部壁面应力解除法测试装置外径大、重量大，运输、安装、下放困难、无法探明钻孔孔壁情况和岩性条件、无法在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数、传统地应力测量时采用交流电对工作环境的供电依赖性较大的一系列问题。

进一步地，如图1-图10所示，所述铠装电缆3的一端与所述专用缆车11相连，另一端与所述电子控制模块21相连；所述专用缆车11在现场测试时通过所述铠装电缆3分别与所述变形参数及地应力原位测试机构2和所述地面控制显示模块12相连；所述专用缆车11通过电线与所述太阳能光电电源模块13相连；所述地面控制显示模块12与所述太阳能光电电源模块13通过电线相连；所述快速插头4在所述电子控制模块21、所述上岩体参数原位测试模块22、所述电机模块23、所述应力解除模块24以及所述下岩体参数原位测试模块25上远离所述铠装电缆3的一端分别设置。

进一步地，如图1-图10所示，所述专用缆车11包括能够固定于运输车上的支架111和设于所述支架111上的步进电机112；所述铠装电缆3设于所述步进电机112的输出轴上，通过所述步进电机112控制所述变形参数及地应力原位测试机构2的下降和上升；通过所述铠装电缆3对所述变形参数及地应力原位测试机构2进行供电和数据传输；一个所述专用缆车11备有1000米的铠装电缆，多个缆车可以进行串联；通过所述支架111支撑铠装电缆3。

进一步地，如图1-图10所示，所述地面控制显示模块12包括机箱柜121、设于所述机箱柜121上的电脑122、数据显示模块123以及手动控制模块124；通过所述电脑122实现地应力数据处理和可视化、岩体变形参数数据处理和可视化、自动化操作编程、传感器数据处理及可视化；通过所述机箱柜121存放各种数据采集主机、数据采集通道、电脑主机以及控制系统；将所述数据显示模块123与所述电脑122相连，用于展示各数据信息；通过所述手动控制模块124手动控制各系统动作。

进一步地，如图1-图10所示，所述太阳能光电电源模块13在现场测试时通过电线与所述地面控制显示模块12相连，主要用于为与其相连的系统供电；所述太阳能光电电源模块13包括太阳能板131和与所述太阳能板131相连的光电蓄电池132；所述太阳能板131在天气状况良好时能够将太阳能转化为电能并进行储存；所述光电蓄电池132既能通过太阳能板131储存电能，也可以直接充电储蓄能量，主要作用是为其他系统供电。

进一步地，如图1-图10所示，所述电子控制模块21的一端通过所述铠装电缆3与所述专用缆车11相连，另一端与所述上岩体参数原位测试模块22相连；所述电子控制模块21用于控制所述上岩体参数原位测试模块22、所述电机模块23、所述应力解除模块24、所述下岩体参数原位测试模块25以及所述井下电视模块26的动作，采集和传输上述模块的传感信号到所述地面控制显示模块12；所述电子控制模块21包括与所述铠装电缆3相连的电缆马笼头211、与所述电缆马笼头211相连的防水插头212、与所述防水插头212相连的电路板213、用于安装所述电路板213的电路板骨架214以及设于所述电路板骨架214外部的电子控制模块外壳215；所述快速插头4在所述电子控制模块21上设于所述电路板骨架214远离所述防水插头212的一端；通过将所述电子控制模块外壳215的一端与防水插头212和电缆马笼头211的交接处相连，另一端与所述快速插头4和所述电路板骨架214的交接处相连；通过设于所述快速插头4上的密封圈41将所述电路板骨架214、所述电路板213以及所述防水插头212分别封闭在所述电子控制模块外壳215的内部空间内，实现电子控制模块外壳内部结构的防水和耐压性能；通过所述铠装电缆3与所述太阳能光电电源模块13相连，为所述电子控制模块21供电；通过所述电缆马笼头211将所述铠装电缆3与所述电子控制模块21相连，并起到防水抗压的作用；通过所述防水插头212连接所述电缆马笼头211与所述电路板213；通过所述电路板213控制上岩体参数原位测试模块22、电机模块23、应力解除模块24、下岩体参数原位测试模块25以及井下电视模块26动作，采集和传输传感器信号到所述地面控制显示模块12；所述电路板骨架214通过螺栓固定在所述电子控制模块外壳215内部，并通过螺栓固定所述电路板213。

进一步地，如图1-图10所示，所述上岩体参数原位测试模块22和所述下岩体参数原位测试模块25结构相同，一方面能够对测试段岩体进行原位变形参数测试，另一方面能够有助于所述变形参数及地应力原位测试机构2在钻孔内部的推靠对中；所述上岩体参数原位测试模块22位于所述电子控制模块21和所述电机模块23之间，所述下岩体参数原位测试模块25位于所述应力解除模块24和所述井下电视模块26之间；所述上岩体参数原位测试模块22和所述下岩体参数原位测试模块25结构相同，均包括岩体参数原位测试模块外壳221、设于所述岩体参数原位测试模块外壳221内部的千斤顶控制单元222、高精度位移传感器223、液压油腔224、第一电路通道225以及承压模块226；通过所述岩体参数原位测试模块外壳221实现所述上岩体参数原位测试模块22和所述下岩体参数原位测试模块25的防水和耐压性能；通过所述千斤顶控制单元222控制5个微型千斤顶实现所述承压模块226向孔壁方向的伸出和收回，实现所述承压模块226对钻孔孔壁进行加压；通过设于所述承压模块226内部的所述高精度位移传感器223测量所述承压模块226对井壁施加压力过程中的井壁产生的微小变形；通过所述液压油腔224存放液压油，并为所述千斤顶控制单元222供油；通过所述第一电路通道225供各种电路通过；通过所述千斤顶控制单元222控制所述承压模块226对井壁进行加压的同时，能够实现所述变形参数及地应力原位测试机构2在井内的推靠对中。

进一步地，如图1-图10所示，所述千斤顶控制单元222设于所述岩体参数原位测试模块外壳221的内部中心位置；所述承压模块226包括设于所述千斤顶控制单元222一侧的第一承压单元和设于所述千斤顶控制单元222另一侧的第二承压单元；所述高精度位移传感器223在所述第一承压单元和所述第二承压单元内分别设置；通过所述千斤顶控制单元222控制所述第一承压单元和所述第二承压单元向相反的方向伸出或收回；所述液压油腔224和所述第一电路通道225分别设于所述千斤顶控制单元222与所述岩体参数原位测试模块外壳221内壁的两侧剩余空间内。

进一步地，如图1-图10所示，所述电机模块23位于所述上岩体参数原位测试模块22和应力解除模块24之间；所述电机模块23包括电机模块外壳231、油管通路232、高速直流无刷电机233、变速箱234、电机传动轴235以及第二电路通道236；所述快速插头4在所述电机模块23上设于所述电机模块外壳231远离所述上岩体参数原位测试模块22的一端；所述油管通路232、所述高速直流无刷电机233、所述变速箱234以及所述第二电路通道236均设于所述电机模块外壳231内部；所述高速直流无刷电机233设于所述电机模块外壳231的内部中心；所述变速箱234设于所述高速直流无刷电机233远离所述上岩体参数原位测试模块22的一端；所述油管通路232、所述第二电路通道236分别设于所述高速直流无刷电机233的两侧；所述电机传动轴235设于所述快速插头4的中心，且一端与所述变速箱234相连；所述电机模块外壳231用于实现所述电机模块23的防水和耐压性能；所述高速直流无刷电机233固定于所述电机模块外壳231的内部，通过电线与所述电子控制模块21相连；所述变速箱234与所述高速直流无刷电机233直接相连，用于将所述高速直流无刷电机233的高钻速（3000～5000转/分钟）降低至（800～1000转/分钟）；所述油管通路232用于为液压油提供移动通道，其通过上方接口与所述上岩体参数原位测试模块22中的所述液压油腔224相连，通过下方接口与所述应力解除模块24相连；所述第二电路通道236通过上方接口与所述上岩体参数原位测试模块22中的第一电路通道225相连，通过下方接口与所述应力解除模块24的电线通道相连，用于保护线路。

进一步地，如图1-图10所示，所述应力解除模块24设于所述电机模块23和所述下岩体参数原位测试模块25之间；所述应力解除模块24包括应力解除模块外壳241、应力解除窗口242、钻机控制系统及伞形齿轮组243、应力解除钻头244、推移杆件245、移动导板246、第三电路通道247以及应变测量模块248；所述快速插头4在所述应力解除模块24上设于所述应力解除模块外壳241远离所述电机模块23的一端；所述应力解除模块外壳241用于实现所述应力解除模块24的防水和耐压性能；所述应力解除窗口242设于所述应力解除模块外壳241的侧面，用于使所述应力解除钻头244能够伸出所述应力解除模块外壳241外对井内壁面进行环切作业；所述钻机控制系统及伞形齿轮组243、所述应力解除钻头244、所述推移杆件245、所述移动导板246、所述第三电路通道247以及所述应变测量模块248均设于所述应力解除模块外壳241内部；所述钻机控制系统及伞形齿轮组243靠近所述电机模块23的一端与所述电机传动轴235相连，远离所述电机模块23的一端与所述应力解除钻头244相连，所述高速直流无刷电机233启动后通过所述电机传动轴235将所述高速直流无刷电机233的转动传递到所述应力解除模块24的所述应力解除钻头244上，进而带动所述应力解除钻头244的旋转；所述钻机控制系统及伞形齿轮组243与井壁平行的一侧通过销钉与所述推移杆件245相连，用于控制所述应力解除钻头244的旋转；所述应力解除钻头244固定在所述钻机控制系统及伞形齿轮组243下侧，用于对壁面岩性进行应力解除作业；所述应变测量模块248位于所述应力解除钻头244的中心，固定在所述钻机控制系统及伞形齿轮组243上，当钻孔移动靠近壁面时，所述应变测量模块248紧紧贴住壁面，并测量应力解除过程中岩芯表面的微小变形；所述移动导板246与所述应力解除模块外壳241的内壁滑动连接，所述推移杆件245的一端与所述移动导板246相连，所述移动导板246能够在推移杆件245的作用下沿所述应力解除模块外壳241内部的轨道在平行于井壁轴线方向上运动；所述推移杆件245远离所述移动导板246的一端与所述电机模块23的油管通路232中的油路通道相连，通过调节电磁阀使液压油推动所述推移杆件245靠近或远离孔内壁面移动；最终实现所述应力解除钻头244的伸出和回收；所述第三电路通道247通过上方接口与上方所述电机模块23中第二电路通道236相连，下方通过下方接口与所述下岩体参数原位测试模块25的第一电路通道225相连，用于保护线路。

进一步地，如图1-图10所示，所述井下电视模块26通过快速插头4设于所述下岩体参数原位测试模块25的底部；所述井下电视模块26包括井下电视模块外壳261、井下电视模块窗口262、井下电视263以及第四电路通道264；所述井下电视模块窗口262在所述井下电视模块外壳261相对的两个侧面分别设置，用于使所述井下电视263能够发射声波信号并探测井壁；所述井下电视263设于所述井下电视模块外壳261内部两个所述井下电视模块窗口262之间；所述井下电视263采用双声发射探头，能够探查方向相反的两个方向上的井壁，用于识别岩芯、裂隙和结构面发育等重要地层信息；所述第四电路通道264通过上方接口与所述下岩体参数原位测试模块25中的所述第一电路通道225相连，下方与所述井下电视263相连，用于保护线路；所述井下电视模块外壳261用于实现所述井下电视模块26的防水和耐压性能。

如图11所示，本发明的另一个方面提供一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试方法，包括如下步骤：

S1：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构的室内标定、拆装、运输：在开展现场测试前，在室内开展标定试验，确认地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构的各传感器、各机械动作、各防水密闭性能、各电路连接、井下电视运作情况均正常；然后将各模块拆卸，并与辅助系统一同装车运输至测试现场；

S2：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构的现场组装调试：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构运输至现场后，拼装各模块，调试各模块运作正常，将变形参数及地应力原位测试机构与地面支持机构的专用缆车相连，将专用缆车与地面控制显示模块及太阳能光电电源模块相连；

S3：现场岩层测试层位和测试深度的初步研判：在测试现场，通过已有的取芯资料、初步确定各地层的岩性条件和完整程度，确定大致的测试层位和测试深度；

S4：钻孔清孔：在现场人员的帮助下，进行钻孔并对钻孔进行清孔作业，有条件的情况下采用清水进行洗井；

S5：将变形参数及地应力原位测试机构放入钻孔，打开井下电视模块进行井壁成像探测：通过专用缆车将变形参数及地应力原位测试机构下放入钻孔中，在下放过程中，打开井下电视模块，通过地面控制显示模块识别岩层及其完成情况，特别是对于测试层位，可多次扫描测量，记录下岩性条件相对较好的深度；

S6：变形参数及地应力原位测试机构达到孔底后，通过上、下岩体参数原位测试模块直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验并将变形参数及地应力原位测试机构对中并固定在指定深度；具体地，变形参数及地应力原位测试机构达到孔底后，通过专用缆车缓慢向上提升，到达测试层位深度后，张开上、下岩体参数原位测试模块，进行岩体变形参数原位测试；具体地，启动千斤顶控制单元，通过液压油腔中的液压油将千斤顶顶起，推动承压模块与孔壁接触，并逐级施加压力至30MPa，同时通过高精度位移传感器记录孔壁表面的径向变形，获得压力-位移曲线；通过得到的压力-位移曲线，获得测试岩层的变形参数；原位测试完成后，推回千斤顶，将压力降低至10MPa，将变形参数及地应力原位测试机构对中并固定在指定深度；

S7：启动电机模块和应力解除模块进行井壁应力解除测试：启动电机模块的电动马达和电磁阀，将应力解除模块的应力解除钻头伸出应力解除窗口，并使应变测量模块紧贴井壁壁面，对壁面进行应力解除作业，此时通过应变测量模块将井壁上的微小变形记录并传输至地面控制显示模块，与步骤S6测得的岩体变形参数一同解算地应力分量；达到要求钻探深度后，将钻头回收至应力解除模块内部，同时收回上、下岩体参数原位测试模块；

S8：通过专用缆车继续提升变形参数及地应力原位测试机构，再在其他测试深度重复步骤S7；

S9：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构回收、现场养护、拆卸装车：完成所有测试后，将变形参数及地应力原位测试机构回收至地表，进行简单冲洗、更换密封件和应变测量模块后拆卸装车，继续下个测试地点的工作。

本发明提供的一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法，整体体积小、运输和装配方便、井内下放便捷、能够直接观察钻孔孔壁岩性条件且能够直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验，能够解决现有的局部壁面应力解除法测试装置外径大、重量大，运输、安装、下放困难、无法探明钻孔孔壁情况和岩性条件、无法在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数、传统地应力测量时采用交流电对工作环境的供电依赖性较大的一系列问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：包括地面支持机构（1）、变形参数及地应力原位测试机构（2）以及连接所述地面支持机构（1）和所述变形参数及地应力原位测试机构（2）的铠装电缆（3）；其中，所述地面支持机构（1）包括两两相连的专用缆车（11）、地面控制显示模块（12）以及太阳能光电电源模块（13）；通过所述太阳能光电电源模块（13）为所述地面控制显示模块（12）和所述地面支持机构（1）供电；通过所述铠装电缆（3）实现所述变形参数及地应力原位测试机构（2）和所述地面支持机构（1）之间的数据传输；所述变形参数及地应力原位测试机构（2）包括由上而下依次连接的电子控制模块（21）、上岩体参数原位测试模块（22）、电机模块（23）、应力解除模块（24）、下岩体参数原位测试模块（25）以及井下电视模块（26）；通过在相邻两个模块之间设快速插头（4），并在所述快速插头（4）上设密封圈（41），实现变形参数及地应力原位测试机构各模块之间的快速拆卸、拼装和密封；通过所述专用缆车（11）控制所述变形参数及地应力原位测试机构（2）在钻孔内的下降和上升，通过所述电子控制模块（21）控制所述变形参数及地应力原位测试机构（2）的其他各个模块的动作，采集和传输所述变形参数及地应力原位测试机构（2）的其他各个模块的传感信号到所述地面控制显示模块（12），通过所述上岩体参数原位测试模块（22）和所述下岩体参数原位测试模块（25）将所述变形参数及地应力原位测试机构（2）对中固定在孔内指定深度并直接在钻孔中对测试段岩体进行原位变形参数测试，通过所述电机模块（23）和所述应力解除模块（24）进行井壁应力解除测试，通过所述井下电视模块（26）识别井壁岩体地层信息，进而实现在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数的测试。

2.根据权利要求1所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述铠装电缆（3）的一端与所述专用缆车（11）相连，另一端与所述电子控制模块（21）相连；

所述电子控制模块（21）包括与所述铠装电缆（3）相连的电缆马笼头（211）、与所述电缆马笼头（211）相连的防水插头（212）、与所述防水插头（212）相连的电路板（213）、用于安装所述电路板（213）的电路板骨架（214）以及设于所述电路板骨架（214）外部的电子控制模块外壳（215）。

3.根据权利要求2所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述上岩体参数原位测试模块（22）和所述下岩体参数原位测试模块（25）结构相同，均包括岩体参数原位测试模块外壳（221）、设于所述岩体参数原位测试模块外壳（221）内部的千斤顶控制单元（222）、高精度位移传感器（223）、液压油腔（224）、第一电路通道（225）以及承压模块（226）；

所述千斤顶控制单元（222）设于所述岩体参数原位测试模块外壳（221）的内部中心位置；所述承压模块（226）包括设于所述千斤顶控制单元（222）一侧的第一承压单元和设于所述千斤顶控制单元（222）另一侧的第二承压单元；所述高精度位移传感器（223）在所述第一承压单元和所述第二承压单元内分别设置；通过所述千斤顶控制单元（222）控制所述第一承压单元和所述第二承压单元向相反的方向伸出或收回；所述液压油腔（224）和所述第一电路通道（225）分别设于所述千斤顶控制单元（222）与所述岩体参数原位测试模块外壳（221）内壁的两侧剩余空间内；

通过所述千斤顶控制单元（222）控制微型千斤顶实现所述承压模块（226）向孔壁方向的伸出和收回，实现所述承压模块（226）对钻孔孔壁进行加压；通过设于所述承压模块（226）内部的所述高精度位移传感器（223）测量所述承压模块（226）对钻孔孔壁施加压力过程中产生的微小变形；通过所述千斤顶控制单元（222）控制所述承压模块（226）对井壁进行加压的同时，实现所述变形参数及地应力原位测试机构（2）在井内的推靠对中。

4.根据权利要求3所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述电机模块（23）包括电机模块外壳（231）、油管通路（232）、高速直流无刷电机（233）、变速箱（234）、电机传动轴（235）以及第二电路通道（236）；

所述油管通路（232）、所述高速直流无刷电机（233）、所述变速箱（234）以及所述第二电路通道（236）均设于所述电机模块外壳（231）内部；

所述高速直流无刷电机（233）与所述电子控制模块（21）相连；所述变速箱（234）设于所述高速直流无刷电机（233）上远离所述上岩体参数原位测试模块（22）的一端；

所述油管通路（232）、所述第二电路通道（236）分别设于所述高速直流无刷电机（233）的两侧；

所述电机模块（23）上的所述快速插头（4）设于所述电机模块外壳（231）远离所述上岩体参数原位测试模块（22）的一端；

所述电机传动轴（235）设于所述快速插头（4）的中心，且其一端与所述变速箱（234）相连，另一端与下部所述应力解除模块（24）相连；

所述电机传动轴（235）的所述油管通路（232）用于为液压油提供移动通道，其通过上方接口与所述上岩体参数原位测试模块（22）中的所述液压油腔（224）相连，通过下方接口与所述应力解除模块（24）相连。

5.根据权利要求4所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述应力解除模块（24）包括应力解除模块外壳（241）、应力解除窗口（242）、钻机控制系统及伞形齿轮组（243）、应力解除钻头（244）、推移杆件（245）、移动导板（246）、第三电路通道（247）以及应变测量模块（248）；

所述应力解除窗口（242）设于所述应力解除模块外壳（241）的侧面；

所述钻机控制系统及伞形齿轮组（243）靠近所述电机模块（23）的一端与所述电机传动轴（235）相连，远离所述电机模块（23）的一端与所述应力解除钻头（244）相连；

所述钻机控制系统及伞形齿轮组（243）与井壁平行的一侧与所述推移杆件（245）相连；

所述应变测量模块（248）固定在所述钻机控制系统及伞形齿轮组（243）上，用于测量应力解除过程中岩芯表面的微小变形；

所述移动导板（246）与所述应力解除模块外壳（241）的内壁滑动连接；

所述推移杆件（245）的一端与所述电机模块（23）的油管通路（232）中的油路通道相连，另一端与所述移动导板（246）相连；通过调节电磁阀使液压油推动所述推移杆件（245）靠近或远离孔内壁面移动，实现所述应力解除钻头（244）的伸出和回收。

6.根据权利要求5所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述井下电视模块（26）包括井下电视模块外壳（261）、井下电视模块窗口（262）、井下电视（263）以及第四电路通道（264）；

所述井下电视模块窗口（262）在所述井下电视模块外壳（261）相对的两个侧面分别设置；所述井下电视（263）设于所述井下电视模块外壳（261）内部两个所述井下电视模块窗口（262）之间；

所述井下电视（263）采用双声发射探头，能够探查方向相反的两个方向上的井壁。

7.根据权利要求6所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述第二电路通道（236）通过上方接口与所述上岩体参数原位测试模块（22）中的第一电路通道（225）相连，通过下方接口与所述应力解除模块（24）的电线通道相连；

所述第三电路通道（247）通过上方接口与上方所述电机模块（23）中第二电路通道（236）相连，下方通过下方接口与所述下岩体参数原位测试模块（25）的第一电路通道（225）相连；

所述第四电路通道（264）通过上方接口与所述下岩体参数原位测试模块（25）中的所述第一电路通道（225）相连，下方与所述井下电视（263）相连。

8.根据权利要求7所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述专用缆车（11）包括能够固定于运输车上的支架（111）和设于所述支架（111）上的步进电机（112）；

所述铠装电缆（3）设于所述步进电机（112）的输出轴上，通过所述步进电机（112）控制所述变形参数及地应力原位测试机构（2）的下降和上升；

所述地面控制显示模块（12）包括机箱柜（121）、设于所述机箱柜（121）上的电脑（122）、数据显示模块（123）以及手动控制模块（124）；

所述太阳能光电电源模块（13）包括太阳能板（131）和与所述太阳能板（131）相连的光电蓄电池（132）。

9.根据权利要求8所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述快速插头（4）在所述电子控制模块（21）、所述上岩体参数原位测试模块（22）、所述电机模块（23）、所述应力解除模块（24）以及所述下岩体参数原位测试模块（25）上远离所述铠装电缆（3）的一端分别设置。

10.一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试方法，其特征在于,应用如权利要求1-9中任一项所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统实现，包括如下步骤：

S1：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构的室内标定、拆装、运输；

S2：地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构的现场组装与调试；

S3：现场岩层测试层位和测试深度的初步研判；

S4：钻孔并清孔；

S5：将变形参数及地应力原位测试机构放入钻孔，打开井下电视模块进行井壁成像探测，并记录下岩性条件相对较好的深度；

S6：变形参数及地应力原位测试机构达到孔底后，通过专用缆车缓慢向上提升，到达测试层位深度后，通过上、下岩体参数原位测试模块直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验并将变形参数及地应力原位测试机构对中并固定在指定深度；

S7：启动电机模块和应力解除模块进行井壁应力解除测试，通过应变测量模块将井壁上的微小变形记录并传输至地面控制显示模块，与步骤S6测得的岩体变形参数一同解算地应力分量；达到要求钻探深度后，回收应力解除钻头，同时收回上、下岩体参数原位测试模块；

S8：通过专用缆车继续提升变形参数及地应力原位测试机构，再在其他测试深度重复步骤S7；

S9：测试完毕后，进行地面支持机构和变形参数及地应力原位测试机构回收、现场养护、拆卸装车。

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