CN105134194A - 一种通过单个钻孔测量地应力的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过单个钻孔测量地应力的装置及测量方法，本发明通过施工单个钻孔即可获取测点处地应力的准确大小和方向信息。该装置包括孔内岩心定位拍照装置和岩心地面重定向装置。该方法为先利用孔内定向拍照装置对处于原岩应力区的未断岩心在钻孔内进行定位拍照，获取岩心在原位上的断面特征点清晰图像，再利用岩心地面重定向装置在地面精确模拟重现钻孔的包括方位角和倾角等参数的空间位置，其后通过图形特征点比对还原出岩心在地下原位时的真实空间位置状态，并划出方位标记线，然后按标记线方向进行声发射小试件加工制作，最后通过开展各向岩石试件的声发射信号测试，获取对应Kaiser效应点，并计算出地下岩体真实三维地应力值。

Description

一种通过单个钻孔测量地应力的装置及测量方法

技术领域

本发明属于地下岩体工程地应力测试技术领域，尤其涉及通过单个钻孔测量地应力的装置及测量方法。

背景技术

地应力是指地壳中的岩体在天然状态下所具有的内在应力。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、道路和各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。科学准确地掌握其在地壳中的分布规律是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程决策、设计和开挖科学化的必要前提。岩体中存在着的这种天然地应力场目前只能通过实际测试的手段来获取。

声发射法(又称AE法)是利用岩石本身具有的Kaiser效应在实验室内进行地应力测量的一种方法。与测量地应力较为常用的应力解除法和水压致裂法相比，AE法不需要庞大的现场设备，只要将钻取的岩心样品运到实验室内测试声发射信号即可,试验条件稳定，测试成本较低。目前，国内外都试图将AE法测地应力技术推向更深更广的实用化阶段，但一直没有很好地解决岩心定向问题，即传统AE法若想获得地下岩体的真实三维地应力信息(包括大小和方向)，必须以测点处多个成一定角度的定向岩心为试验材料(通常是打一个垂直钻孔、三个夹角成45°水平钻孔)，因此需要花费很大精力使用专用的定向取心工具深入到井下或岩层中钻取定向岩心，高成本、低效率、耗时长的定向取岩心过程致使该方法无法有效推广。而近些年发展起来的古地磁定向法、孔内电视和岩层扫描定向法均因在实际使用中的工程适用性方面问题而无法有效推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便快捷、准确可靠的通过单个钻孔测量地应力的装置。

本发明的另一目的在于提供一种简单易行、经济高效、便于大规模推广应用的通过单个钻孔测量地应力的方法。

本发明的技术方案：

一种通过单个钻孔测量地应力的装置，其特征在于，该装置包括孔内岩心定位拍照装置和岩心地面重定向装置；

其中，所述孔内岩心定位拍照装置包括厚壁铜筒8，所述厚壁铜筒8直径略小于钻孔直径，所述厚壁铜筒8前端盖中心孔上安装有无线高清摄像头9，所述的无线高清摄像头9通过插在电脑6上的无线信号接收器7实现遥控实时视频监控或拍照；所述厚壁铜筒8前端盖上还安装有一个卡托11，所述卡托11上放置有透明刻度盘10，所述透明刻度盘在垂直于0°和180°刻度线位置上有两个水平校准气泡12，用于微调孔内岩心定位拍照装置的位置；

所述岩心地面重定向装置包括万向支架14，所述万向支架14由上部托板15、万向节16和紧固螺栓17组成，所述上部托板15与托管13下部外侧紧密连接，所述托管13的内径与钻孔直径相等，它以万向节16为中心任意旋转调整空间位置，并通过紧固螺栓17限制万向节16的转动来使其稳定保持在某一位置；所述托管13的外侧表面包括倾角仪19，用于确定倾角；所述托管13的下部外表面固定两个对称的吊线锤18，用于确定方位角；所述万向支架14固定于刻度底座20的中心点位置上，所述刻度底座20上刻绘有360°刻度盘，并标示出东南西北方位。

所述厚壁铜筒8后端盖中心处焊有一个安装杆铰链头5，其与安装杆4牢固铰接，安装杆4可根据钻孔实际深度无限延长。

所述的无线高清摄像头9带有灯光补偿功能，对光线较暗的钻孔底进行清晰拍照。

所述刻度底座20为不锈钢厚板。

一种通过单个钻孔测量地应力的方法，先利用孔内岩心定向拍照装置对处于原岩应力区的未断岩心在钻孔内进行定位拍照，获取岩心在原位上的断面特征点清晰图像，再利用岩心地面重定向装置在地面精确模拟重现钻孔的包括方位角和倾角参数的空间位置。

获得上述空间位置后，通过图形特征点比对还原出岩心在地下原位时的真实空间位置状态，并划出方位标记线，然后按标记线方向进行声发射小试件加工制作，最后通过开展各向岩石试件的声发射信号测试，获取对应Kaiser效应点，并计算出应力值。

上述通过单个钻孔测量地应力的方法，包括以下步骤：

1)利用矿钻机钻孔，测试并记录钻孔方位角和倾角；

2)当钻出岩心长度小于钻进深度，则判断有未断岩心在孔底与围岩体未脱离，未断岩心长度约为钻进深度减去取出岩心长度；

3)将孔内岩心定位拍照装置推向孔底，拍得孔内情况的图像，缓慢推动安装杆使孔内岩心定向拍照装置最前端的透明刻度盘与孔底未断岩心前端刚好接触，转动安装杆，使透明刻度盘的0°刻度竖直向上，拍得未断岩心的断面照片，使断面上的特征点与透明刻度盘上的刻度唯一对应；

4)将孔内定向拍照装置拉出，取出未断岩心；

5)调整岩心地面重定向装置的摆放，使其刻度底盘上的0°刻度线与地理北向重合，并调节使托管的方位角和倾角与钻孔空间位置一致；

6)将孔内岩心定向拍照装置3摆放在托管一侧，稍做调整使透明刻度盘的0°刻度竖直向上，固定；将取下的未断岩心穿过与步骤1)钻孔内外径相同的圆管后，固定在另一侧，且未断岩心断面与透明刻度盘10刚好接触，转动未断岩心，重现其在钻孔之前的原始空间位置；

7)准确标记出水平线和地理北向线；

8)钻取加工地应力测试小试件；

9)利用材料试验机和声发射仪对加工好的地应力测试小试件进行单轴压缩声发射信号测试，获取岩心在各个方向上的Kaiser效应点，然后利用公式计算出应力值。

第6)步中，重现未断岩心在钻孔之前的原始空间位置的方法为：使所摄图像与原断面照片上的特征点位置至少需核对不在同一直线上的三个特征点完全一致，重现其在钻孔之前的原始空间位置。

通过获取岩心在各个方向上的Kaiser效应点，计算得到应力值。

第1)步进行近水平钻孔时，优选仰角为3-5°。从而便于施工过程中排水。

本发明的有益效果

本发明采用孔内定位拍照技术，在钻孔内记录下未断岩心的原始位置特征点，然后在地面通过图像比对、还原，重新定位出岩心的原始空间位置，即实现岩心的地面重定向。这种岩心定向技术无需使用大型专用设备，定位与钻探过程分离，不影响生产钻探，精度高、费用低、操作简单、快速高效。该技术的产生使传统的声发射法获得了新的生命，二者结合产生的新地应力测试方法简单易行、经济高效、便于大规模推广应用。

本发明与现有技术相比有如下优点：方法简便、高效、成本低、自由灵活，精度高，可靠性强。

本发明可广泛应用于地下矿山、地下水电站、深埋隧道、地下核废料库等可进行钻探施工的地下岩体工程中原岩应力的测量。

附图说明

图1为孔内岩心定位拍照示意图的一例；

图2为孔内岩心定位拍照装置结构示意图的一例；

图3为透明刻度盘结构示意图的一例。

图4为岩心地面重定向装置结构示意图的一例。

图5为刻度底座结构示意图的一例。

附图标记说明:

1.钻孔，2.未断岩心，3.孔内定向拍照装置，4.安装杆，5.安装杆铰接头，6.笔记本电脑，7.无线接收器，8.厚壁铜筒，9.高清无线摄像头，10.透明刻度盘，11.卡托，12.水平校准气泡，13.托管，14.万向支架，15.上部托板，16.万向节，17.紧固螺栓，18.吊线锤，19.倾角仪，20.刻度底座，21.支撑圆管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的技术方案仅是本发明的实施方式的一例，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。

实施例1

试验地点为湖南省辰州矿业有限责任公司下属的沃溪金矿，试验目的是测试沃溪金矿深矿矿区的地应力大小和方向。为了验试本方法的可实现性和有效性，在同一测试地点还采用了目前国际上应用较为广泛、测试精度较高套孔应力解除法进行对比验证。

具体实施如下：首先利用水平探矿钻机在巷道壁上施工近水平钻孔(仰角为3-5°，便于施工过程中排水)，记录其方位角和倾角，钻孔直径为91mm，钻孔长度5m以上，要求超过巷道开挖的应力集中影响区范围。

其后，在钻进地程中如发现有未断岩心在孔底与围岩体未脱离，如图1和图2所示，将孔内定向拍照装置通过竹节式安装杆沿钻孔内壁推向孔底，打开高清无线摄像头，在笔记本电脑屏幕上显示出孔内情况的图像。缓慢推动安装杆使孔内定向拍照装置最前端的透明刻度盘与孔底未断岩心前端刚好接触。轻轻转动安装杆，使透明刻度盘的0°刻度竖直向上，在此位置上通过电脑上的控制软件拍出并保存清晰的未断岩心的断面照片，即断面上的特征点与透明刻度盘上的刻度唯一对应。

随后，将孔内定向拍照装置拉出后，用边铲将未断岩心撬断、取出。按图4所示，调整地面重定向装置的摆放，使其底盘上的刻度盘的0°刻度线与地理北向重合，根据固定在PVC托管上的吊线锤和倾角仪，使托管的方位角和倾角与钻孔空间位置一致，然后用万向节上的紧固螺栓锁紧固定，此时PVC托管的位置就相当于地下钻孔实际的空间位置。

进而，将孔内定向拍照装置摆放在PVC托管左侧，稍做调整使透明刻度盘的0°刻度竖直向上，并用透明胶带让其固定在托管上不让其移动；然后将取下的岩心穿过与施工钻头内外径相同的一段塑料支撑圆管后，按顺序摆放在托管后侧，让断面与透明刻度盘刚好接触。此时在电脑上打开前期在孔内拍摄时保存的岩心断面照片，同时启动无线摄像头的摄像功能，通过轻微转动岩心使所摄图像与原断面照片上的特征点位置(至少需核对不在同一直线上的3个特征点)完全一致，然后用胶带固定好岩心，此时即实现了岩心原始空间位置的地面重现。

进一步，使岩心保持在该位置，用记号笔在岩心两侧准确标记出水平线和地理北向线。

进一步，在岩石试件加工机上按划出的标记线(水平线和北向线)钻取加工地应力测试小试件(直径25mm,高度50mm),其中垂直方向一组，水平方向三组(分别是与正北向顺时针成0°、45°和90°夹角)。

最后，利用材料试验机和声发射仪对加工好的地应力测试小试件进行单轴压缩声发射信号测试，获取岩心在各个方向上的Kaiser效应点，然后利用公式计算出地应力值。计算的结果为42中段(埋深约800m)最大主应力的方位为N14.70°E，即北东东向；最大水平应力、最小水平应力和垂直应力分别为24.04Ma,8.75MPa和19.91MPa。测得的结果与同一中段采用LUT三维地应力测试***利用套孔应力解除法测量的结果具有较好的一致性。

Claims (10)

1.一种通过单个钻孔测量地应力的装置，其特征在于，该装置包括孔内岩心定位拍照装置和岩心地面重定向装置；

其中，所述孔内岩心定位拍照装置包括厚壁铜筒(8)，所述厚壁铜筒(8)直径略小于钻孔直径，所述厚壁铜筒(8)前端盖中心孔上安装有无线高清摄像头(9)，所述的无线高清摄像头(9)通过插在电脑(6)上的无线信号接收器(7)实现遥控实时视频监控或拍照；所述厚壁铜筒(8)前端盖上还安装有一个卡托(11)，所述卡托(11)上放置有透明刻度盘(10)，所述透明刻度盘在垂直于0°和180°刻度线位置上有两个水平校准气泡(12)，用于微调孔内岩心定位拍照装置的位置；

所述岩心地面重定向装置包括万向支架(14)，所述万向支架(14)由上部托板(15)、万向节(16)和紧固螺栓(17)组成，所述上部托板(15)与托管(13)下部外侧紧密连接，所述托管(13)的内径与钻孔直径相等，它以万向节(16)为中心任意旋转调整空间位置，并通过紧固螺栓(17)限制万向节(16)的转动来使其稳定保持在某一位置；所述托管(13)的外侧表面包括倾角仪(19)，用于确定倾角；所述托管(13)的下部外表面固定两个对称的吊线锤(18)，用于确定方位角；所述万向支架(14)固定于刻度底座(20)的中心点位置上，所述刻度底座(20)上刻绘有360°刻度盘，并标示出东南西北方位。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述厚壁铜筒(8)后端盖中心处焊有一个安装杆铰链头(5)，其与安装杆(4)牢固铰接，安装杆(4)可根据钻孔实际深度无限延长。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的无线高清摄像头(9)带有灯光补偿功能，对光线较暗的钻孔底进行清晰拍照。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刻度底座(20)为不锈钢厚板。

5.权利要求1-4任一项所述的通过单个钻孔测量地应力的方法，其特征在于，先利用孔内岩心定向拍照装置对处于原岩应力区的未断岩心在钻孔内进行定位拍照，获取岩心在原位上的断面特征点清晰图像，再利用岩心地面重定向装置在地面精确模拟重现钻孔的包括方位角和倾角参数的空间位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，获得上述空间位置后，通过图形特征点比对还原出岩心在地下原位时的真实空间位置状态，并划出方位标记线，然后按标记线方向进行声发射小试件加工制作，最后通过开展各向岩石试件的声发射信号测试，获取对应Kaiser效应点，并计算出应力值。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用探矿钻机在巷道壁上施工近水平钻孔，测试并记录钻孔方位角和倾角；

2)当钻出岩心长度小于钻进深度，则判断可能有未断岩心在孔底与围岩体未脱离，未断岩心长度约为钻进深度减去取出岩心长度；

3)将孔内岩心定位拍照装置推向孔底，拍得孔内情况的图像，缓慢推动安装杆使孔内岩心定向拍照装置最前端的透明刻度盘与孔底未断岩心前端刚好接触，转动安装杆，使透明刻度盘的0°刻度竖直向上，拍得未断岩心的断面照片，使断面上的特征点与透明刻度盘上的刻度唯一对应；

4)将孔内定向拍照装置拉出，取出未断岩心；

5)调整岩心地面重定向装置的摆放，使其刻度底盘上的0°刻度线与地理北向重合，并调节使托管的方位角和倾角与钻孔空间位置一致；

6)将孔内岩心定向拍照装置(3)摆放在托管一侧，稍做调整使透明刻度盘的0°刻度竖直向上，固定；将取下的未断岩心穿过与步骤1)钻孔内外径相同的圆管后，固定在另一侧，且未断岩心断面与透明刻度盘(10)刚好接触，转动未断岩心，重现其在钻孔之前的原始空间位置；

7)准确标记出水平线和地理北向线；

8)按要求钻取加工地应力测试小试件；

9)利用材料试验机和声发射仪对加工好的地应力测试小试件进行单轴压缩声发射信号测试，获取岩心在各个方向上的Kaiser效应点，然后利用公式计算出地应力值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第6)步中，重现未断岩心在钻孔之前的原始空间位置的方法为：使所摄图像与原断面照片上的特征点位置至少需核对不在同一直线上的三个特征点完全一致，重现其在钻孔之前的原始空间位置。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过获取岩心在各个方向上的Kaiser效应点，计算得到应力值。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第1)步进行近水平钻孔时，仰角为3-5°。