CN115522921A - 一种超深钻孔地应力测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超深钻孔地应力测量系统及方法，系统包括地面控制系统和钻孔围岩应力测量机构；钻孔围岩应力测量机构包括由上而下依次拼接的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置；上部固定装置上连接有井下电控系统，通过井下电控系统传输处理地面控制系统发出的各项命令、控制钻孔围岩应力测量机构各个装置的动作、实时采集钻孔围岩应力测量机构的各装置内部各传感器采集的数据和传感器吊舱内井下成像装置采集的钻孔图像数据，并反馈到地面控制系统，通过贴片及数据采集装置的贴片探头实时监测和记录岩芯切割及取样过程中的围岩应变，实现深部钻孔围岩地应力变化的实时监测。

Description

一种超深钻孔地应力测量系统及方法

技术领域

本发明属于岩土力学测量技术领域，更具体地，涉及一种超深钻孔地应力测量系统及方法。

背景技术

随着国家西部建设大开发战略的推进，西部公路隧道建设需求也日益增大，而西部地区山岭众多且地应力条件极其复杂，这对隧道施工带来了极大的挑战。众多研究表明，隧道支护结构参数的选取及支护结构的优化和地应力条件息息相关，这对于隧道施工及运营安全具有重要意义。在施工过程中，超高的地应力易引发岩爆现象，会造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。因此，在超深埋垂直勘察孔中测量围岩的地应力成为确保超深埋隧道施工安全的诸多挑战之一。

目前，研究人员已经提出了诸多地应力测试方法，其中水压致裂法和应力解除法是应用最为成熟的方法。但是，水压致裂法在计算地应力时需要假设初始地应力状态某一主应力方向和勘察孔轴线方向一致，这样的假设可能会和实际地质条件存在一定的误差，使得测量结果不可信；应力解除法主要存在复杂地质条件下取芯困难、侧壁容易塌落等弊端。

经过现有技术文献检索发现，中国发明专利申请《一种用于测量深部岩体三维地应力的装置》（葛修润；汤华；秦雨樵；吴振君）及中国发明专利《地质钻孔孔壁围岩应变测量装置》（候明勋，凃光骞，葛修润）。这两个现有技术均提出了勘察垂直孔中进行三维地应力的方法。这两个现有技术采用的设备均包括封隔装置、转动及纵移装置、应变测量装置以及密封电缆接头；其中《地质钻孔孔壁围岩应变测量装置》适用于数百米深，孔壁为156mm的深钻孔；《一种用于测量深部岩体三维地应力的装置》适用于1500m深以内，孔壁为130mm的页岩气勘察孔。上述两种装置都具有上下封隔部件，同时各种电子设备（包括电机、应变采集装置、控制装置）都在设备外套内部不能独立分割，在实际地应力测量能够实现全程自动化测量、可靠度较高。但是针对超埋深隧道围岩地质条件，存在以下不足之处：一是，现有的地应力测量设备的各个部分都集成在整个套筒内，整体的纵向长度过长，当钻孔深度较深且地质条件复杂时，而上下端封隔器，通过排水阀排水能力有限，套筒刚度难以满足耐压要求，有可能造成孔壁坍塌的问题；二是，现有局部壁面应力解除法设备空间排布密集，一旦某一部件发生故障，会导致整个设备无法运行；超埋深围岩勘察孔由于钻进液的存在，水头压力很高，而当部件发生损坏时，需要整个拆卸来检查各个部件，相对较为繁琐；三是，对于某些渗透性较好的地层，即使对测试段进行封隔，也无法阻止孔壁持续出水；由于现有设备没有进行防水处理，会因电机进水导致设备失效。

因此，急需一种能够直接在钻孔中上下移动、整体长度小、各部分能够独立工作、方便拆装，且具有防水功能的超深钻孔围岩地应力测试装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种超深钻孔地应力测量系统及方法，本发明的钻孔围岩应力测量机构的各个部分设计为可拼接拆卸的结构，而且通过地面控制系统能够独立控制各部分的单独工作，具有运输方便、故障检测快捷的优点；局部部件发生损坏时，不需要整个拆卸检查各个部件，操作简单省时；本发明能够直接在有压条件下进行测试，能够直接在钻孔中上下移动，与现有地应力测量设备相比大大降低了地应力测量设备的整体纵向长度，且各部分能够独立工作、方便拆装，且具有防水功能；能够避免孔壁坍塌，适用于钻孔深度较深且地质条件复杂的测量环境；能够解决现有的地应力测量设备在钻孔深度较深且地质条件复杂时套筒刚度难以满足耐压要求，容易造成孔壁坍塌的问题。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种超深钻孔地应力测量系统，包括彼此相连的地面控制系统和钻孔围岩应力测量机构；其中，

所述地面控制系统包括彼此相连的主控制台和电缆线；所述钻孔围岩应力测量机构包括由上而下依次拼接的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置 ；所述上部固定装置和所述下部固定装置 用于控制拼装好的所述钻孔围岩应力测量机构在测试井内整体位置的固定和自由移动；所述贴片及数据采集装置上设有贴片探头，所述贴片探头自带小型电源、应变片以及数据储存芯片，所述上部固定装置上连接有井下电控系统，所述井下电控系统与所述电缆线相连；所述井下电控系统包括控制电路板、传感器采集装置、数据传输系统以及数据储存系统；

通过所述井下电控系统传输处理所述地面控制系统发出的各项命令、控制所述钻孔围岩应力测量机构的各装置的动作、实时采集钻孔围岩应力测量机构的各装置内部各传感器采集的数据和所述传感器吊舱内井下成像装置采集的钻孔图像数据，并反馈到所述地面控制系统，通过贴片探头实时监测和记录岩芯切割及取样过程中的围岩应变，实现深部钻孔围岩地应力变化的实时监测。

进一步地，所述上部固定装置包括第一外壳体，设于所述第一外壳体内部的第一纵梁、第一控制电机、第一水平进给机构、第一压力平衡机构，设于所述第一水平进给机构端部的第一伺服滑块，设于所述第一伺服滑块远离所述第一水平进给机构一端的第一水平油缸，设于所述第一水平油缸与孔壁之间的第一伸展机械臂，以及设于所述第一伸展机械臂远离所述第一水平油缸所在一端的第一压力传感器；

所述第一控制电机一端与所述井下电控系统的控制电路板相连，另一端与所述第一水平进给机构相连；所述第一水平油缸的底部通过铰链机构固定在所述第一纵梁上；

所述第一压力传感器与所述井下电控系统的传感器采集装置相连，所述传感器采集装置采集到所述第一压力传感器采集的压力数据后将数据通过数据传输系统向所述地面控制系统传输和进行数据储存；

通过所述第一控制电机控制所述第一水平进给机构动作控制所述第一伸展机械臂的伸出和收回；通过所述第一压力传感器反馈压力数据确定所述第一伸展机械臂是否和孔壁密贴。

进一步地，所述岩芯切割及取样装置包括第二外壳体、设于所述第二外壳体内部的第二纵梁、第二压力平衡机构、第二控制电机、进给环切机构、取芯钻头、伸缩斜拉杆、岩芯滑落带以及岩芯存储箱；

所述第二控制电机的一端与所述井下电控系统的控制电路板相连，另一端与所述进给环切机构相连；

所述伸缩斜拉杆的一端固定在所述进给环切机构上，另一端固定在所述第二纵梁上，通过所述第二控制电机驱动所述进给环切机构旋转进行钻探取芯，通过伸缩斜拉杆向后下方拉动所述进给环切机构使得岩芯切断；

所述岩芯滑落带的一端与所述进给环切机构相连，另一端与所述岩芯存储箱相连，使得钻取的岩芯顺利滑落入岩芯存储箱内。

进一步地，所述进给环切机构包括位于所述第二纵梁的同一圆周平面上的三个互成120°的钻柄；所述进给环切机构的三个钻柄远离所述第二纵梁的一端分别设有一个所述取芯钻头。

进一步地，所述贴片及数据采集装置包括第三外壳体、设于所述第三外壳体内部的第三纵梁、第三压力平衡机构、第三控制电机、第二水平进给机构以及斜向支架；

所述第二水平进给机构的一端与所述第三纵梁相连；所述斜向支架的一端与所述第二水平进给机构的底部相连，另一端与所述第三纵梁固定；所述第三控制电机的一端与所述井下电控系统的控制电路板相连，另一端与所述第二水平进给机构相连。

进一步地，所述第二水平进给机构共3套，在所述第三纵梁周向同一水平面上互成120°布置；

所述第二水平进给机构包括与所述第三纵梁固定的进给机构外壳，设于所述进给机构外壳内壁的金属套管，设于所述金属套管内部的水平位移传感器、推动活塞以及贴片探头；

所述水平位移传感器的一端与所述第三纵梁固定，另一端与所述推动活塞连接；

所述推动活塞远离所述第三纵梁的一端与所述贴片探头相连接；

所述贴片探头靠近孔壁的一侧设有喷胶探头；

所述水平位移传感器与所述井下电控系统的传感器采集装置相连。

进一步地，所述孔壁打磨装置包括第四外壳体、设于所述第四外壳体内部的第四纵梁、第四压力平衡机构、第四控制电机、第三水平进给机构、打磨探头以及支撑杆；

所述第三水平进给机构的一端与所述第四纵梁相连，另一端与所述打磨探头相连；

所述支撑杆的一端设于所述第三水平进给机构的底部，另一端与所述第四纵梁固定；

所述第四控制电机的一端与所述井下电控系统的控制电路板相连，另一端与所述第三水平进给机构相连；所述打磨探头固定在所述第三水平进给机构靠近孔壁的端部，通过所述第四控制电机控制所述第三水平进给机构动作，将所述打磨探头伸出打磨窗口，进行边打磨边旋转动作。

进一步地，所述传感器吊舱包括第五外壳体、设于所述第五外壳体内部的第五纵梁、第五压力平衡机构、第二压力传感器、方向传感器、温度传感器以及井下成像装置；

所述第二压力传感器用于测量所述第五外壳体外部的液柱压力；

所述温度传感器用于测量所述第五外壳体外部的测试环境温度；

所述方向传感器固定在所述第五纵梁上，用于测量待测试部位所在的方位角；所述第二压力传感器、所述方向传感器、所述温度传感器以及所述井下成像装置与所述井下电控系统的传感器采集装置相连。

进一步地，所述下部固定装置的结构和所述上部固定装置的内部结构相同，所述上部固定装置的第一外壳体顶部与所述井下电控系统相连；所述下部固定装置 的外壳体顶部与所述传感器吊舱的外壳体底部拼接；

所述下部固定装置内的压力传感器与所述井下电控系统的传感器采集装置相连。

本发明的另一个方面提供一种超深钻孔地应力测量方法，包括如下步骤：

S1:依次拼装钻孔围岩应力测量机构的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置，地面控制系统控制电缆线将钻孔围岩应力测量机构推送至已经钻探完毕的超深钻孔；

S2:启动传感器吊舱，在钻孔围岩应力测量机构下降的过程中通过传感器吊舱采集井下测试环境的液柱压力、待测量部位所在的方向角、温度以及钻孔图像数据并实时反馈给地面控制系统，直至孔壁打磨装置到达测试深度；

S3:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂伸出将孔壁打磨装置位置固定，启动孔壁打磨装置控制第三水平进给机构动作将打磨探头伸出打磨窗口紧贴工作面进行边打磨边旋转动作，直到孔壁工作面打磨完毕；

S4:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂收回，地面控制系统控制贴片及数据采集装置下移使贴片探头对应的窗口到达打磨位置区域；

S5:再次启动上部固定装置和下部固定装置使贴片及数据采集装置位置固定，启动贴片及数据采集装置，使三套第二水平进给机构同时工作，并将贴片探头固定在孔壁上；

S6:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂收回，地面控制系统控制岩芯切割及取样装置下移使取芯钻头对应的窗口到达贴片探头所在的位置；

S7:再次启动上部固定装置和下部固定装置将岩芯切割及取样装置位置固定，启动岩芯切割及取样装置，使进给环切机构工作将三个取芯钻头分别伸出窗口切割岩芯，通过贴片探头实时采集并记录取芯过程中围岩应变数据，实现超深钻孔围岩应力的实时测量。

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.本发明的一种超深钻孔地应力测量系统，通过井下电控系统传输处理地面控制系统发出的各项命令、控制钻孔围岩应力测量机构的各装置的动作、实时采集钻孔围岩应力测量机构的各装置内部各传感器采集的数据和传感器吊舱内井下成像装置采集的钻孔图像数据，并实时反馈到地面控制系统，通过贴片探头实时监测和记录岩芯切割及取样过程中的围岩应变，实现深部钻孔围岩地应力变化的实时监测；本发明能够直接在钻孔中上下移动，与现有地应力测量设备相比大大降低了地应力测量设备的整体纵向长度，且各部分能够独立工作、方便拆装，且具有防水功能，能够适用于钻孔深度较深且地质条件复杂的测量环境。

2.本发明的一种超深钻孔地应力测量系统，通过将钻孔围岩应力测量机构的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置设计为由上而下依次可拼接拆卸的结构，而且各部分能够独立进行工作，相比于现有的各部分不能独立分割的地应力测量设备具有运输方便、故障检测快捷的优点；能够解决现有的地应力测量装置在超埋深围岩勘察钻孔由于钻进液的存在使得水头压力很高，同时又有部件发生损坏时，需要整个拆卸来检查各个部件，操作繁琐耗时的问题。

3.本发明的一种超深钻孔地应力测量系统，上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置的外壳体均采用防水材料，能够避免在某些渗透性较好的地层测量地应力时，孔壁持续出水导致各部分电机结构进水损坏，影响装置使用寿命和阻碍作业进度的问题。

4.本发明的一种超深钻孔地应力测量系统，贴片及数据采集装置的贴片探头内自带小型电源和数据储存芯片，能够实现深部钻孔围岩地应力变化的长期监测。

5.本发明的一种超深钻孔地应力测量系统，在上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置内分别设置压力平衡机构来平衡各自的外壳体所受到的环境压力，能够保证各部分结构在测量过程中的稳定性。

6. 本发明的一种超深钻孔地应力测量系统，摒弃了现有的地应力测量设备采用封隔器和排水阀的设计，能够直接在有压条件下进行测试，同时设备能够直接在3000～4000m深钻孔中上下移动而不是在整个套筒内部进行移动，大大降低了地应力测量设备的整体纵向长度，且各部分能够独立工作、方便拆装，且具有防水功能；能够解决现有的地应力测量设备在钻孔深度较深（3000～4000m）且地质条件复杂时，上下端封隔排水能力有限，套筒刚度难以满足耐压要求，有可能造成孔壁坍塌的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一种超深钻孔地应力测量系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一种超深钻孔地应力测量系统的上部固定装置的结构示意图；

图3为本发明实施例一种超深钻孔地应力测量系统的岩芯切割及取样装置的结构示意图；

图4为本发明实施例一种超深钻孔地应力测量系统的贴片及数据采集装置的结构示意图；

图5为本发明实施例一种超深钻孔地应力测量系统的孔壁打磨装置的结构示意图；

图6为本发明实施例一种超深钻孔地应力测量系统的传感器吊舱的结构示意图；

图7为本发明实施例一种超深钻孔地应力测量系统的下部固定装置的结构示意图；

图8是本发明实施例一种超深钻孔地应力测量方法的流程示意图。

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-地面控制系统、11-主控制台、12-电缆线、2-钻孔围岩应力测量机构、21-井下电控系统、22-上部固定装置、221-第一外壳体、222-第一纵梁、223-第一控制电机、224-第一水平进给机构、220-第一压力平衡机构、225-第一伺服滑块、226-第一水平油缸、227-伸展机械臂、228-第一压力传感器、229-铰链机构、23-岩芯切割及取样装置、231-第二外壳体、232-第二纵梁、233-第二压力平衡机构、234-第二控制电机、235-进给环切机构、236-取芯钻头、237-伸缩斜拉杆、238-岩芯滑落带、239-岩芯存储箱、24-贴片及数据采集装置、241-第三外壳体、242-第三纵梁、243-第三压力平衡机构、244-第三控制电机、245-第二水平进给机构、2451-进给机构外壳、246-斜向支架、247-金属套管、248-水平位移传感器、249-推动活塞、240-贴片探头、25-孔壁打磨装置、251-第四外壳体、252-第四纵梁、253-第四压力平衡机构、254-第四控制电机、255-第三水平进给机构、256-打磨探头、257-支撑杆、26-传感器吊舱、261-第五外壳体、262-第五纵梁、263-第五压力平衡机构、264-第二压力传感器、265-方向传感器、266-温度传感器、267-井下成像装置、27-下部固定装置、271-第六外壳体、272-第六纵梁、273-第五控制电机、274-第四水平进给机构、270-第六压力平衡机构、275-第二伺服滑块、276-第二水平油缸、277-第二伸展机械臂、278-第三压力传感器、279-第二铰链机构。

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7所示，本发明的一个方面提供一种超深钻孔地应力测量系统，包括地面控制系统1和与所述地面控制系统1相连的钻孔围岩应力测量机构2；所述地面控制系统1包括主控制台11和与所述主控制台11相连的电缆线12；所述钻孔围岩应力测量机构2包括由上而下依次拼接的上部固定装置22、岩芯切割及取样装置23、贴片及数据采集装置24、孔壁打磨装置25、传感器吊舱26以及下部固定装置 27；所述上部固定装置22和所述下部固定装置 27用于控制拼装好的所述岩芯切割及取样装置23、所述贴片及数据采集装置24、所述孔壁打磨装置25、所述传感器吊舱26在测试井内的整体位置的固定或自由移动；所述上部固定装置22上连接有井下电控系统21，所述井下电控系统21与所述电缆线12相连；所述井下电控系统21包括控制电路板、传感器采集装置、数据传输系统以及数据储存系统，用于传输处理所述地面控制系统1发出的各项命令，控制所述上部固定装置22、所述岩芯切割及取样装置23、所述贴片及数据采集装置24、所述孔壁打磨装置25、所述传感器吊舱26以及所述下部固定装置 27的动作，通过井下电控系统实时采集钻孔围岩应力测量机构2的各装置内部各传感器采集的数据和所述传感器吊舱26内井下成像装置采集的钻孔图像数据，并反馈到所述地面控制系统1，贴片及数据采集装置24的贴片探头自带小型电源、应变片以及数据储存芯片，通过贴片探头实时监测和记录岩芯切割及取样过程中的围岩应变，实现深部钻孔围岩地应力的实时监测。

进一步地，如图1-图7所示，所述上部固定装置22包括第一外壳体221，设于所述第一外壳体221内部的第一纵梁222、第一控制电机223、第一水平进给机构224、第一压力平衡机构220，设于所述第一水平进给机构224端部的第一伺服滑块225，设于所述第一伺服滑块225远离所述第一水平进给机构224一端的第一水平油缸226，设于所述第一水平油缸226与孔壁之间的第一伸展机械臂227，以及设于所述第一伸展机械臂227远离所述第一水平油缸226所在一端的第一压力传感器228；所述第一纵梁222竖向设于所述第一外壳体221的中心；所述第一控制电机223一端与所述井下电控系统21的控制电路板相连，另一端与所述第一水平进给机构224相连；所述第一水平油缸226的底部通过铰链机构229固定在所述第一纵梁222上；所述第一压力传感器228与所述井下电控系统21的传感器采集装置相连，所述传感器采集装置采集到所述第一压力传感器228采集的压力数据后将数据通过数据传输系统向所述地面控制系统1传输和进行数据储存系统进行存储；所述第一水平进给机构224、所述第一伺服滑块225、所述第一水平油缸226、所述铰链机构229、所述第一伸展机械臂227以及所述第一压力传感器228在所述第一纵梁222的左右两侧对称布置；通过所述第一控制电机223控制所述第一水平进给机构224动作控制所述第一伸展机械臂227的伸出和收回；通过所述第一控制电机223控制所述第一伺服滑块225移动，进而为所述第一水平油缸226提供动力，通过所述第一水平油缸226为所述第一伸展机械臂227提供推动力，并控制所述第一伸展机械臂227固定在所述第一外壳体221外的孔壁上；通过设于所述第一伸展机械臂227上的第一压力传感器228反馈压力数据确定所述第一伸展机械臂227是否和孔壁密贴；通过所述第一压力平衡机构平衡第一外壳体与外界的压力；所述第一外壳体221的两侧分别设有第一窗口，用于使所述第一伸展机械臂227伸出与孔壁固定或收回。

进一步地，如图1-图7所示，所述岩芯切割及取样装置23包括第二外壳体231、设于所述第二外壳体231内部的第二纵梁232、第二压力平衡机构233、第二控制电机234、进给环切机构235、取芯钻头236、伸缩斜拉杆237、岩芯滑落带238以及岩芯存储箱239；所述第二外壳体231的顶部与所述第一外壳体221的底部拼接；所述第二纵梁232竖向设于所述第二外壳体231的中心，与所述第一纵梁222共线；所述第二控制电机234的一端与所述井下电控系统21的控制电路板相连，另一端与所述进给环切机构235相连；所述进给环切机构235包括位于所述第二纵梁232的同一圆周平面上的三个互成120°的钻柄；所述进给环切机构235的三个钻柄远离所述第二纵梁232的一端分别设有一个所述取芯钻头236，通过所述井下电控系统21控制所述第二控制电机234动作，驱动所述进给环切机构235旋转进而实现所述取芯钻头236的钻探取芯；所述伸缩斜拉杆237的一端固定在所述进给环切机构235上靠近所述取芯钻头236的一端，另一端固定在所述第二纵梁232上，通过所述第二控制电机234驱动所述进给环切机构235旋转进行钻探取芯，通过伸缩斜拉杆237向后下方拉动所述进给环切机构235使得岩芯切断；所述岩芯滑落带238的一端与所述进给环切机构235相连，另一端与所述岩芯存储箱239相连，使得钻取的岩芯顺利滑落入岩芯存储箱239内；通过所述第二压力平衡机构233平衡第二外壳体与外界的压力；所述第二外壳体231的周向同一水平面上分别均匀间隔布置有三个与所述所述进给环切机构235的取芯钻头相对应的第二窗口，用于使所述取芯钻头236伸出对孔壁进行钻探取芯或收回。

进一步地，如图1-图7所示，所述贴片及数据采集装置24包括第三外壳体241、设于所述第三外壳体241内部的第三纵梁242、第三压力平衡机构243、第三控制电机244、第二水平进给机构245以及斜向支架246；所述第三外壳体241的顶部与所述第二外壳体231的底部拼接；所述第三纵梁242竖向设于所述第三外壳体241的中心，与所述第二纵梁232共线；所述第二水平进给机构245的一端与所述第三纵梁242相连，所述斜向支架246的一端与所述第二水平进给机构245的底部相连，另一端与所述第三纵梁242固定，通过所述斜向支架246对所述第二水平进给机构245进行支撑；通过所述第三压力平衡机构243平衡第三外壳体与外界的压力；所述第三控制电机244的一端与所述井下电控系统21的控制电路板相连，另一端与所述第二水平进给机构245相连。

进一步地，如图1-图7所示，所述第二水平进给机构245共3套，在所述第三纵梁242周向同一水平面上互成120°布置，作业时，3套所述第二水平进给机构245同时工作；所述第二水平进给机构245包括与所述第三纵梁242固定的进给机构外壳2451，设于所述进给机构外壳2451内壁的金属套管247，设于所述金属套管247内部的水平位移传感器248、推动活塞249以及贴片探头240；所述水平位移传感器248的一端与所述第三纵梁242固定，另一端与所述推动活塞249连接；所述水平位移传感器248和所述推动活塞249的纵向中心轴线重合；所述推动活塞249远离所述第三纵梁242的一端与所述贴片探头240相连接；所述贴片探头240包括小型电源、应变片以及数据储存芯片，能够实现深部钻孔围岩地应力变化的长期监测；所述贴片探头240靠近孔壁的一侧设有喷胶探头；所述喷胶探头用于在所述贴片探头240粘贴应变片时喷出胶水使应变片与孔壁贴合；所述第三外壳体241的周向分别设有与所述第二水平进给机构245相对应的第三窗口，用于使所述第二水平进给机构245上的贴片探头240伸出将应变片与孔壁进行固定；通过所述井下电控系统21控制第三控制电机244动作，使所述第二水平进给机构245的所述推动活塞249推动将所述贴片探头240送出第三窗口外，同时，通过所述水平位移传感器248控制所述推动活塞249的推动距离，使所述贴片探头240在受到挤压后迅速触发喷胶探头使速凝胶水溢出，使贴片探头固定在孔壁上，接着通过第三控制电机244控制所述第二水平进给机构245的所述推动活塞249收回；所述水平位移传感器248与所述井下电控系统21的传感器采集装置相连，所述传感器采集装置采集到所述水平位移传感器248采集的推动活塞249的位移数据后将数据通过数据传输系统实时向所述地面控制系统1传输和进行数据储存。

进一步地，如图1-图7所示，所述孔壁打磨装置25包括第四外壳体251、设于所述第四外壳体251内部的第四纵梁252、第四压力平衡机构253、第四控制电机254、第三水平进给机构255、打磨探头256以及支撑杆257；所述第四外壳体251的顶部与所述第三外壳体241的底部拼接；所述第四纵梁252竖向设于所述第四外壳体251的中心，与所述第三纵梁242共线；所述第三水平进给机构255的一端与所述第四纵梁252相连，另一端与所述打磨探头256相连；所述支撑杆257的一端设于所述第三水平进给机构255的底部，另一端与所述第四纵梁252固定，用于给所述第三水平进给机构255提供支撑；通过所述第四压力平衡机构253平衡第四外壳体与外界的压力；所述第四控制电机254的一端与所述井下电控系统21的控制电路板相连，另一端与所述第三水平进给机构255相连；所述打磨探头256固定在所述第三水平进给机构255靠近孔壁的端部，通过所述第四控制电机254控制所述第三水平进给机构255动作，将所述打磨探头256伸出打磨窗口，进行边打磨边旋转动作，直到孔壁待打磨区域全部打磨完毕；所述第四控制电机254固定在第四外壳体251上，其输出端与所述第三水平进给机构255连接，用于控制第三水平进给机构255的水平移动，以将所述打磨探头256伸出打磨窗口施行打磨作业。

进一步地，如图1-图7所示，所述传感器吊舱26包括第五外壳体261、设于所述第五外壳体261内部的第五纵梁262、第五压力平衡机构263、第二压力传感器264、方向传感器265、温度传感器266以及井下成像装置267；所述第五外壳体261的顶部与所述第四外壳体251的底部拼接；所述第五纵梁262竖向设于所述第五外壳体261的中心，与所述第四纵梁252共线；所述第二压力传感器264和所述温度传感器266均设于所述第五外壳体261的内底部；所述第二压力传感器264用于测量所述第五外壳体261外部的液柱压力；所述温度传感器266用于测量所述第五外壳体261外部的测试环境温度；所述方向传感器265固定在所述第五纵梁262上，用于测量待测试部位所在的方位角；通过所述第五压力平衡机构263平衡第五外壳体与外界的压力；所述第二压力传感器264、所述方向传感器265、所述温度传感器266以及所述井下成像装置267与所述井下电控系统21的传感器采集装置相连，所述传感器采集装置采集所述第二压力传感器264、所述方向传感器265、所述温度传感器266以及所述井下成像装置267采集的各项数据和钻孔图像后将数据通过数据传输系统实时向所述地面控制系统1传输和进行数据储存。

进一步地，如图1-图7所示，所述下部固定装置 27的结构和所述上部固定装置22的内部结构相同，所述上部固定装置22的第一外壳体221顶部与所述井下电控系统21相连；所述下部固定装置 27的顶部与所述传感器吊舱26的底部拼接；二者的外壳体形状不一样。

进一步地，如图1-图7所示，所述下部固定装置 27包括第六外壳体271，设于所述第六外壳体271内部的第六纵梁272、第五控制电机273、第四水平进给机构274、第六压力平衡机构270，设于所述第四水平进给机构274端部的第二伺服滑块275，设于所述第二伺服滑块275远离所述第四水平进给机构274一端的第二水平油缸276，设于所述第二水平油缸276与孔壁之间的第二伸展机械臂277，以及设于所述第二伸展机械臂277远离所述所述第二水平油缸276所在一端的第三压力传感器278；所述第六外壳体271的顶部与所述第五外壳体261的底部拼接；所述第六纵梁272竖向设于所述第六外壳体271的中心，与所述第五纵梁262共线；所述第五控制电机273一端与所述井下电控系统21的控制电路板相连，另一端与所述第四水平进给机构274相连；所述第二水平油缸276的底部通过第二铰链机构279固定在所述第六纵梁272上；所述第四水平进给机构274、所述第二伺服滑块275、所述第二水平油缸276、所述第二铰链机构279、所述第二伸展机械臂277以及所述第三压力传感器278在所述第六纵梁272的左右两侧对称布置；通过所述第五控制电机273控制所述第四水平进给机构274动作控制所述第二伸展机械臂277的伸出和收回；通过所述第五控制电机273控制所述第二伺服滑块275移动，进而为所述第二水平油缸276提供动力，通过所述第二水平油缸276为所述第二伸展机械臂277提供推动力，并控制所述第二伸展机械臂277固定在所述第六外壳体271外的孔壁上；通过设于所述第二伸展机械臂277上的第三压力传感器278反馈压力数据确定所述第二伸展机械臂277是否和孔壁密贴；通过所述第六压力平衡机构270平衡第六外壳体与外界的压力；所述第六外壳体271的两侧分别设有第一窗口，用于使所述第二伸展机械臂277伸出与孔壁固定或收回；所述第三压力传感器278与所述井下电控系统21的传感器采集装置相连，所述传感器采集装置采集所述第三压力传感器278采集的后将数据通过数据传输系统实时向所述地面控制系统1传输和进行数据储存。

进一步地，所述第一外壳体221、所述第二外壳体231、所述第三外壳体241、所述第四外壳体251、所述第五外壳体261以及所述第六外壳体271均采用防水材料设计，能够避免在某些渗透性较好的地层测量地应力时，孔壁持续出水导致各部分电机结构进水损坏，影响装置使用寿命和阻碍作业进度的问题。

如图8所示，本发明的另一个方面提供一种用于测量超埋深隧道围岩地应力测试方法，应用前述的一种用于测量超埋深隧道围岩地应力测试系统实现，包括如下步骤：

S1:将钻孔围岩应力测量机构的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置进行依次拼装后，地面控制系统控制电缆线将钻孔围岩应力测量机构推送至已经钻探完毕的超深钻孔；具体地，测量时先将钻孔围岩应力测量机构各个部件拼装，通过地面控制系统控制电缆线将钻孔围岩应力测量机构推送至已经钻探完毕的超深钻孔；

S2:启动传感器吊舱，在钻孔围岩应力测量机构下降的过程中通过传感器吊舱采集井下测试环境的液柱压力、待测量部位所在的方向角、温度以及钻孔图像数据并实时反馈给地面控制系统，直至孔壁打磨装置到达测试深度；具体地，通过地面控制系统控制井下电控系统启动传感器吊舱，在钻孔围岩应力测量机构下降的过程中通过传感器吊舱内的第二压力传感器、方向传感器、温度传感器以及井下成像装置采集井下测试环境的液柱压力、待测量部位所在的方向角、温度以及钻孔图像数据并实时反馈给地面控制系统，直至孔壁打磨装置到达测试深度；

S3:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂伸出将孔壁打磨装置位置固定，启动孔壁打磨装置控制第三水平进给机构动作将打磨探头伸出打磨窗口紧贴工作面进行边打磨边旋转动作，直到孔壁工作面打磨完毕；具体地，通过井下电控系统分别控制上部固定装置和下部固定装置内的伸展机械臂伸出对应的窗口到达孔壁，通过各自伸展机械臂上的压力传感器监测压力数据确保伸展机械臂与孔壁之间紧贴；待孔壁打磨装置固定完毕后启动孔壁打磨装置的控制电机，通过控制第三水平进给机构将打磨钻头伸出窗口，使打磨钻头紧贴工作面开始打磨，并边打磨边慢速旋转，直到工作面一周打磨完毕；

S4:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂收回，地面控制系统控制贴片及数据采集装置下移使贴片探头对应的窗口到达打磨位置区域；具体地，通过井下电控系统分别控制上部固定装置和下部固定装置内的伸展机械臂收回，通过地面控制系统控制贴片及数据采集装置下移使贴片探头对应的窗口到达打磨位置区域；

S5:再次启动上部固定装置和下部固定装置使贴片及数据采集装置位置固定，启动贴片及数据采集装置，使三套第二水平进给机构同时工作，并将贴片探头固定在孔壁上；具体地，井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂伸出使贴片及数据采集装置位置固定，启动贴片及数据采集装置，使三套第二水平进给机构同时工作，分别将其上相应的贴片探头送出窗外，通过水平位移传感器控制推动活塞的推动距离，使贴片探头在受到挤压后迅速触发喷胶探头使速凝胶水溢出将使贴片探头固定在孔壁上；

S6:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂收回，地面控制系统控制岩芯切割及取样装置下移使取芯钻头对应的窗口到达贴片探头所在的位置；

S7:再次启动上部固定装置和下部固定装置将岩芯切割及取样装置位置固定，启动岩芯切割及取样装置，使进给环切机构工作将三个取芯钻头分别伸出窗口切割岩芯，通过贴片探头实时采集并记录取芯过程中围岩应变数据，待切割完毕后控制伸缩斜拉杆使岩芯和附近岩体断开，并通过岩芯滑落带将岩芯收回在岩芯存储箱内，实现超深钻孔围岩应力的实时测量。

本发明提供的一种用于测量超埋深隧道围岩地应力测试系统及方法，钻孔围岩应力测量机构的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置相互之间设计为可拼接拆卸的结构，而且各部分能够独立进行工作，相比于现有的各部分不能独立分割的地应力测量设备具有运输方便、故障检测快捷的优点；能够解决现有的地应力测量装置在超埋深围岩勘察钻孔由于钻进液的存在使得水头压力很高，同时又有部件发生损坏时，需要整个拆卸来检查各个部件，操作繁琐耗时的问题；本发明摒弃了现有的地应力测量设备采用封隔器和排水阀的设计，能够直接在有压条件下进行测试，同时设备能够直接在钻孔中上下移动而不是在整个套筒内部进行移动，大大降低了地应力测量设备的整体纵向长度，且各部分能够独立工作、方便拆装，且具有防水功能；能够解决现有的地应力测量设备在钻孔深度较深且地质条件复杂时，上下端封隔排水能力有限，套筒刚度难以满足耐压要求，有可能造成孔壁坍塌的问题。

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)

1.一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：包括彼此连接的地面控制系统（1）和钻孔围岩应力测量机构（2）；其中，

所述地面控制系统（1）包括彼此相连的主控制台（11）和电缆线（12）；所述钻孔围岩应力测量机构（2）包括由上而下依次拼接的上部固定装置（22）、岩芯切割及取样装置（23）、贴片及数据采集装置（24）、孔壁打磨装置（25）、传感器吊舱（26）以及下部固定装置（ 27）；所述上部固定装置（22）和所述下部固定装置（ 27）用于控制拼装好的所述钻孔围岩应力测量机构（2）在测试井内整体位置的固定和自由移动；所述贴片及数据采集装置（24）上设有贴片探头，所述贴片探头自带小型电源、应变片以及数据储存芯片，所述上部固定装置（22）上连接有井下电控系统（21），所述井下电控系统（21）与所述电缆线（12）相连；所述井下电控系统（21）包括控制电路板、传感器采集装置、数据传输系统以及数据储存系统；

通过所述井下电控系统（21）传输处理所述地面控制系统（1）发出的各项命令、控制所述钻孔围岩应力测量机构（2）的各装置的动作、实时采集钻孔围岩应力测量机构（2）的各装置内部各传感器采集的数据和所述传感器吊舱（26）内井下成像装置采集的钻孔图像数据，并反馈到所述地面控制系统（1），通过贴片探头实时监测和记录岩芯切割及取样过程中的围岩应变，实现深部钻孔围岩地应力变化的实时监测。

2.根据权利要求1所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述上部固定装置（22）包括第一外壳体（221），设于所述第一外壳体（221）内部的第一纵梁（222）、第一控制电机（223）、第一水平进给机构（224）、第一压力平衡机构（220），设于所述第一水平进给机构（224）端部的第一伺服滑块（225），设于所述第一伺服滑块（225）远离所述第一水平进给机构（224）一端的第一水平油缸（226），设于所述第一水平油缸（226）与孔壁之间的第一伸展机械臂（227），以及设于所述第一伸展机械臂（227）远离所述第一水平油缸（226）所在一端的第一压力传感器（228）；

所述第一控制电机（223）一端与所述井下电控系统（21）的控制电路板相连，另一端与所述第一水平进给机构（224）相连；所述第一水平油缸（226）的底部通过铰链机构229固定在所述第一纵梁（222）上；

所述第一压力传感器（228）与所述井下电控系统（21）的传感器采集装置相连，所述传感器采集装置采集到所述第一压力传感器（228）采集的压力数据后将数据通过数据传输系统向所述地面控制系统（1）传输和进行数据储存；

通过所述第一控制电机（223）控制所述第一水平进给机构（224）动作控制所述第一伸展机械臂（227）的伸出和收回；通过所述第一压力传感器（228）反馈压力数据确定所述第一伸展机械臂（227）是否和孔壁密贴。

3.根据权利要求2所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述岩芯切割及取样装置（23）包括第二外壳体（231）、设于所述第二外壳体（231）内部的第二纵梁（232）、第二压力平衡机构（233）、第二控制电机（234）、进给环切机构（235）、取芯钻头（236）、伸缩斜拉杆（237）、岩芯滑落带（238）以及岩芯存储箱（239）；

所述第二控制电机（234）的一端与所述井下电控系统（21）的控制电路板相连，另一端与所述进给环切机构（235）相连；

所述伸缩斜拉杆（237）的一端固定在所述进给环切机构（235）上，另一端固定在所述第二纵梁（232）上，通过所述第二控制电机（234）驱动所述进给环切机构（235）旋转进行钻探取芯，通过伸缩斜拉杆（237）向后下方拉动所述进给环切机构（235）使得岩芯切断；

所述岩芯滑落带（238）的一端与所述进给环切机构（235）相连，另一端与所述岩芯存储箱（239）相连，使得钻取的岩芯顺利滑落入岩芯存储箱（239）内。

4.根据权利要求3所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述进给环切机构（235）包括位于所述第二纵梁（232）的同一圆周平面上的三个互成120°的钻柄；所述进给环切机构（235）的三个钻柄远离所述第二纵梁（232）的一端分别设有一个所述取芯钻头（236）。

5.根据权利要求4所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述贴片及数据采集装置（24）包括第三外壳体（241）、设于所述第三外壳体（241）内部的第三纵梁（242）、第三压力平衡机构（243）、第三控制电机（244）、第二水平进给机构（245）以及斜向支架（246）；

所述第二水平进给机构（245）的一端与所述第三纵梁（242）相连；所述斜向支架（246）的一端与所述第二水平进给机构（245）的底部相连，另一端与所述第三纵梁（242）固定；所述第三控制电机（244）的一端与所述井下电控系统（21）的控制电路板相连，另一端与所述第二水平进给机构（245）相连。

6.根据权利要求5所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述第二水平进给机构（245）共3套，在所述第三纵梁（242）周向同一水平面上互成120°布置；

所述第二水平进给机构（245）包括与所述第三纵梁（242）固定的进给机构外壳（2451），设于所述进给机构外壳（2451）内壁的金属套管（247），设于所述金属套管（247）内部的水平位移传感器（248）、推动活塞（249）以及贴片探头（240）；

所述水平位移传感器（248）的一端与所述第三纵梁（242）固定，另一端与所述推动活塞（249）连接；

所述推动活塞（249）远离所述第三纵梁（242）的一端与所述贴片探头（240）相连接；

所述贴片探头（240）靠近孔壁的一侧设有喷胶探头；

所述水平位移传感器（248）与所述井下电控系统（21）的传感器采集装置相连。

7.根据权利要求6所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述孔壁打磨装置（25）包括第四外壳体（251）、设于所述第四外壳体（251）内部的第四纵梁（252）、第四压力平衡机构（253）、第四控制电机（254）、第三水平进给机构（255）、打磨探头（256）以及支撑杆（257）；

所述第三水平进给机构（255）的一端与所述第四纵梁（252）相连，另一端与所述打磨探头（256）相连；

所述支撑杆（257）的一端设于所述第三水平进给机构（255）的底部，另一端与所述第四纵梁（252）固定；

所述第四控制电机（254）的一端与所述井下电控系统（21）的控制电路板相连，另一端与所述第三水平进给机构（255）相连；所述打磨探头（256）固定在所述第三水平进给机构（255）靠近孔壁的端部，通过所述第四控制电机（254）控制所述第三水平进给机构（255）动作，将所述打磨探头（256）伸出打磨窗口，进行边打磨边旋转动作。

8.根据权利要求7所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述传感器吊舱（26）包括第五外壳体（261）、设于所述第五外壳体（261）内部的第五纵梁（262）、第五压力平衡机构（263）、第二压力传感器（264）、方向传感器（265）、温度传感器（266）以及井下成像装置（267）；

所述第二压力传感器（264）用于测量所述第五外壳体（261）外部的液柱压力；

所述温度传感器（266）用于测量所述第五外壳体（261）外部的测试环境温度；

所述方向传感器（265）固定在所述第五纵梁（262）上，用于测量待测试部位所在的方位角；所述第二压力传感器（264）、所述方向传感器（265）、所述温度传感器（266）以及所述井下成像装置（267）与所述井下电控系统（21）的传感器采集装置相连。

9.根据权利要求8所述的一种超深钻孔地应力测量系统，其特征在于：所述下部固定装置（ 27）的结构和所述上部固定装置（22）的内部结构相同，所述上部固定装置（22）的第一外壳体（221）顶部与所述井下电控系统（21）相连；所述下部固定装置（ 27）的外壳体顶部与所述传感器吊舱（26）的外壳体底部拼接；

所述下部固定装置（ 27）内的压力传感器与所述井下电控系统（21）的传感器采集装置相连。

10.一种超深钻孔地应力测量方法，其特征在于，应用如权利要求1-9中任一项所述的一种超深钻孔地应力测量系统实现，包括如下步骤：

S1:依次拼装钻孔围岩应力测量机构的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置，地面控制系统控制电缆线将钻孔围岩应力测量机构推送至已经钻探完毕的超深钻孔；

S2:启动传感器吊舱，在钻孔围岩应力测量机构下降的过程中通过传感器吊舱采集井下测试环境的液柱压力、待测量部位所在的方向角、温度以及钻孔图像数据并实时反馈给地面控制系统，直至孔壁打磨装置到达测试深度；

S3:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂伸出将孔壁打磨装置位置固定，启动孔壁打磨装置控制第三水平进给机构动作将打磨探头伸出打磨窗口紧贴工作面进行边打磨边旋转动作，直到孔壁工作面打磨完毕；

S4:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂收回，地面控制系统控制贴片及数据采集装置下移使贴片探头对应的窗口到达打磨位置区域；

S5:再次启动上部固定装置和下部固定装置使贴片及数据采集装置位置固定，启动贴片及数据采集装置，使三套第二水平进给机构同时工作，并将贴片探头固定在孔壁上；

S6:井下电控系统控制上部固定装置和下部固定装置的伸展机械臂收回，地面控制系统控制岩芯切割及取样装置下移使取芯钻头对应的窗口到达贴片探头所在的位置；

S7:再次启动上部固定装置和下部固定装置将岩芯切割及取样装置位置固定，启动岩芯切割及取样装置，使进给环切机构工作将三个取芯钻头分别伸出窗口切割岩芯，通过贴片探头实时采集并记录取芯过程中围岩应变数据，实现超深钻孔围岩应力的实时测量。

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