CN105201494A - 一种采用成套设备进行地应力测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种采用成套设备进行地应力测试的方法，所述成套设备包括：取芯钻头、钻杆、定向钻头、取芯套管、应力计安装孔钻头、定向杆、定向仪、擦孔杆及内外螺纹转换接头；具体步骤如下：(1)钻大孔；(2)钻锥形导向孔；(3)钻小孔；(4)擦拭小孔；(5)安装应力计。采用成套设备进行地应力测试，可以准确测得原岩应力，极大的增强了测试数据的科学性和测试地点数据的真实性，从而避免因测量结果不准所导致的危险的工程设计，并减少了复杂的施工过程，有效提高准确性，有效提高了工程经济效益，同时，成套设备的设置，使基于应力解除法的地应力测试装备***化，便于实际应用过程中的测试工作。

Description

一种采用成套设备进行地应力测试的方法

技术领域：

本发明涉及应力测试技术领域，具体涉及一种采用成套设备进行地应力测试的方法。

背景技术：

地应力是引起采矿、水利水电、土木工程、军事、铁道公路等各种地下或露天岩土开挖工程变形的根本破坏力，地应力测量是获取原岩应力方向和量值最直接和最有效的手段，可以此确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析。在矿山建设生产中，地应力测量成果为科学合理的选择巷道断面形状、支护方式，确定采场布局和开采顺序、预测预防矿井动力现象提供重要的基础数据。

依据测量基本原理的不同，将测量方法可分为直接法和间接法两大类。直接测量法是通过直接测量和记录相应的应力分量值，并根据他们与地应力的关系来确定地应力的值；而间接测量法是根据岩石的变形利用胡克定律来确定地应力的值。目前国内外最普遍的地应力测量方法是套孔应力解除法，该方法是建立在弹性理论基础上的应力测量方法，但在其测量的每个工作环节需要有不同的设备来完成，目前关于应力解除法的地应力测试设备还未见相关***完整的报道。本发明提供了采用成套设备进行地应力测试的方法，公布了各工作环节的设备组成、规格参数及连接方式，具有良好的应用前景。

发明内容：

本发明的目的是提供一种适用于矿山井下原岩应力测试，依次获取地应力量值及方向的采用成套设备进行地应力测试的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用成套设备进行地应力测试的方法，所述成套设备包括：取芯钻头、钻杆、定向钻头、取芯套管、应力计安装孔钻头、定向杆、定向仪、擦孔杆及内外螺纹转换接头；具体步骤如下：

(1)钻大孔：

将圆弧形的取芯钻头连接在取芯套管一端，取芯套管另一端连接钻杆，钻杆带动取芯钻头在岩体中钻孔，钻进至预定深度；

(2)钻锥形导向孔：

将取芯套管上的取芯钻头卸下，换装上锥形的定向钻头，钻杆带动定向钻头在大孔底部钻锥形定向孔；

(3)钻小孔：

卸下带有定向钻头的取芯套管，将定向杆一端连接应力计安装孔钻头，另一端连接钻杆，钻杆带动应力计安装孔钻头在定向孔底部钻小孔；

(4)擦拭小孔：

从定向杆上取下应力计安装孔钻头，换接擦孔杆，擦孔杆上包裹有棉布，钻杆将擦孔杆推进至应力计安装孔内，旋转擦孔杆，擦孔杆上包裹的棉布对应力计安装孔孔壁进行擦拭；

(5)安装应力计：

从定向杆上取下擦孔杆，换接定向仪，定向仪上开设有第一凹槽，在第一凹槽中固定空芯包体应力计，将空芯包体应力计推进至钻取的应力计安装孔中，通过数据线得到空芯包体应力计测得的数据。

所述定向杆的杆身上设置有两个定向圆柱，定向圆柱上沿轴向布有两个穿线孔，定向杆上定向仪上还开设有第二凹槽，空芯包体应力计数据线经定向仪上的第二凹槽和定向杆上的穿线孔伸出钻孔外，传导空芯包体应力计测得数据。

所述定向杆为外径35-37mm、内径29-31mm、长度1000-1100mm的空心钢管，定向杆长度的1/5处和7/10处分别焊接有定向圆柱，所述定向圆柱直径130-132mm、高度100-110mm。

所述定向仪上的第二凹槽长度220-230mm，宽度12-14mm；第一凹槽有两条，长度为25-30mm，宽度6-8mm，对称分布于第二凹槽两侧。

所述取芯钻头外径132-134mm，内径112-114mm，长度150-160mm，钻头端面设置有金刚石复合片，钻头端面外侧开设有流水槽。

所述取芯套管为空心钢管，外径128-130mm，内径119.5-121.5mm，长度1000-1200mm。

所述定向钻头为三翼锥形钻头，钻头端面设置有金刚石复合片，钻头内部设置有流水孔，钻头端面设置有流水槽，钻头直径132-134mm，长度230-240mm。

所述应力计安装孔钻头最大直径35.0-36.0mm，长度180-190mm，钻头端面设置有金刚石复合片，钻头端面内部开设有流水孔。

所述擦孔杆包括第一杆，第一杆上设置有第二杆，所述擦孔杆总长度为430-480mm，第二杆为有效擦孔杆长度，长度350-400mm，直径为12-15mm。

所述定向仪上配有圆柱形角度测量装置，测量角度±60°，定向仪前端固接直径为34-36mm的空心管，空心管上设置有第一凹槽和第二凹槽，定向仪长度为410-420mm，为树脂材料制成。

所述取芯套管与钻杆、定向杆与钻杆之间分别通过内外螺纹转换接头连接。

本发明一种采用成套设备进行地应力测试的方法的有益效果：采用成套设备进行地应力测试，可以准确测得原岩应力，极大的增强了测试数据的科学性和测试地点数据的真实性，从而避免因测量结果不准所导致的危险的工程设计，并减少了复杂的施工过程，有效提高准确性，有效提高了工程经济效益，同时，成套设备的设置，使基于应力解除法的地应力测试装备***化，便于实际应用过程中的测试工作。

附图说明：

图1为取芯钻头结构示意图；

图2为定向钻头结构示意图；

图3为图2中A-A面截面剖视图；

图4为取芯套管结构示意图；

图5为应力计安装孔钻头结构示意图；

图6为图5中B-B面截面剖视图；

图7为定向杆结构示意图；

图8为图7中C-C面截面剖视图；

图9为定向仪俯视图剖面示意图；

图10为图9中D-D面截面剖视图；

图11为定向仪正视图剖面示意图；

图12为擦孔杆结构示意图；

图13为内外螺纹转换接头一结构示意图；

图14为内外螺纹转换接头二结构示意图。

1-取芯钻头，2-取芯套管，3-金刚石复合片，4-定向钻头，5-定向杆，51-定向圆柱，52-穿线孔，6-应力计安装孔钻头，7-擦孔杆，71-第一杆，72-第二杆，73-棉布，8-定向仪，81空心管，82-第一凹槽，83-第二凹槽，9-内外螺纹转换接头一，10-数据线，11-流水孔，12-流水槽，13-内外螺纹转换接头二。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

根据图1～图14所示，一种采用成套设备进行地应力测试的方法，所述成套设备包括：取芯钻头1、取芯套管2，钻杆，定向钻头4、定向杆5、应力计安装孔钻头6、擦孔杆7、定向仪8及内外螺纹转换接头9、13；具体步骤如下：

(1)钻直径130mm大孔：

将圆弧形的取芯钻头1螺纹连接在取芯套管2一端，取芯套管2另一端通过内外螺纹转换接头9连接钻杆，钻杆带动取芯钻头1在岩层中钻孔，钻进至预定深度(钻进深度取巷道半径的3-5倍)，完成钻取岩芯工作；所述取芯钻头1外径D_1-1为134mm，内径D_1-2为114mm，长度L₁为160mm，钻头端面设置有金刚石复合片3，钻头端面内部开设有流水槽12，取芯钻头1端部外螺纹大径d₁为121.5mm，端部外螺纹小径d₂为119.5mm，端部外螺纹长度l₁为60mm；所述取芯套管2为空心钢管，外径D_3-1为128mm，内径D_3-2为119.5mm，长度L₃为1100mm。

(2)钻锥形导向孔：

取芯工作结束后，将取芯套管2上的取芯钻头1卸下，换装上锥形的定向钻头4，钻杆带动定向钻头4在大孔底部钻定向孔，深度40-50mm，完成安装孔预先定向工作；所述定向钻头4为三翼锥形钻头，钻头内部设置有流水孔11，钻头端面设置有金刚石复合片3，钻头端面设置有流水槽12，钻头直径D₂为134mm，长度L₂为240mm。

(3)钻直径36mm小孔：

定向工作结束后，卸下带有定向钻头4的取芯套管2，将定向杆5一端通过螺纹连接应力计安装孔钻头6，定向杆5另一端通过内外螺纹转换接头9连接钻杆，钻杆带动应力计安装孔钻头6在定向孔底部钻小孔，深度360mm-400mm，完成应力计安装孔的钻进工作；所述应力计安装孔钻头6直径D₄为35.8mm，长度L₄为180mm，钻头端面设置有金刚石复合片3，钻头端面内部开设有流水孔11，应力计安装孔钻头6端部外螺纹大径d_4-1为29mm，端部外螺纹小径d_4-2为27mm，端部外螺纹长度l₄为40mm；所述定向杆5外径D_5-1为35mm，内径D_5-2为29mm、长度L₅为1000mm的空心钢管，定向杆5杆身长度1/5处和7/10处分别焊接有定向圆柱51，所述定向圆柱51直径d₅为130mm、高度h₅为110mm，定向圆柱51上沿轴向布有两个穿线孔52。

(4)擦拭小孔：

应力计安装孔钻进结束后，从定向杆5上取下应力计安装孔钻头6，换接擦孔杆7，所述擦孔杆7包括第一杆71，第一杆71上设置有第二杆72，所述擦孔杆7总长度L₇为480mm，第二杆72为有效擦孔杆长度，长度l₇为400mm，直径D₇为12mm，第二杆72上包裹有棉布73，钻杆将擦孔杆7推进至应力计安装孔内，旋转擦孔杆7，第二杆72上包裹的棉布73对应力计安装孔孔壁进行擦拭，完成应力计安装孔的擦拭工作。

(5)安装应力计：

从定向杆5上取下擦孔杆7，换接定向仪8，定向仪8前端固接直径D₆为34mm的空心管81，空心管81上设置有第一凹槽82和第二凹槽83，所述第二凹槽83长度l_6-1为230mm，宽度d_6-1为12mm，在第一凹槽82中固定空芯包体应力计，将空芯包体应力计推进至钻取的应力计安装孔中，完成空芯包体的安装工作，第一凹槽82有两条，长度l_6-2为30mm，宽度d_6-2为6mm，对称分布于第二凹槽83两侧，数据线10经定向仪8上的第二凹槽83和定向杆5上的穿线孔52伸出钻孔外，传导包头应力计测得的数据，所述定向仪8上配有圆柱形角度测量装置，测量角度±60°，定向仪8长度L₆为415mm，为树脂材料制成。

所述取芯套管与钻杆之间通过内外螺纹转换接头一9连接，所述内外螺纹转换接头一9的一端为锥形外螺纹，长度L_8-1为40mm，小头外径D_8-1为33.5mm,最大外径D_8-2为42.1mm；另一端为内螺纹，与钻杆相匹配。

所述定向杆与钻杆之间通过内外螺纹转换接头二13连接，所述内外螺纹转换接头二13的一端为圆柱形外螺纹，规格与定向杆5螺纹规格匹配，另一端为内螺纹，与钻杆相匹配。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种采用成套设备进行地应力测试的方法，所述成套设备包括：取芯钻头、钻杆、定向钻头、取芯套管、应力计安装孔钻头、定向杆、定向仪、擦孔杆及内外螺纹转换接头；其特征在于：具体步骤如下：

(1)钻大孔：

将圆弧形的取芯钻头连接在取芯套管一端，取芯套管另一端连接钻杆，钻杆带动取芯钻头在岩体中钻孔，钻进至预定深度；

(2)钻锥形导向孔：

将取芯套管上的取芯钻头卸下，换装上锥形的定向钻头，钻杆带动定向钻头在大孔底部钻锥形定向孔；

(3)钻小孔：

卸下带有定向钻头的取芯套管，将定向杆一端连接应力计安装孔钻头，另一端连接钻杆，钻杆带动应力计安装孔钻头在定向孔底部钻小孔；

(4)擦拭小孔：

从定向杆上取下应力计安装孔钻头，换接擦孔杆，擦孔杆上包裹有棉布，钻杆将擦孔杆推进至应力计安装孔内，旋转擦孔杆，擦孔杆上包裹的棉布对应力计安装孔孔壁进行擦拭；

(5)安装应力计：

从定向杆上取下擦孔杆，换接定向仪，定向仪上开设有第一凹槽，在第一凹槽中固定空芯包体应力计，将空芯包体应力计推进至钻取的应力计安装孔中，通过数据线得到空芯包体应力计测得的数据。

2.根据权利要求1所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述定向杆的杆身上设置有两个定向圆柱，定向圆柱上沿轴向布有两个穿线孔；定向仪上还开设有第二凹槽，空芯包体应力计数据线经定向仪上的第二凹槽和定向杆上的穿线孔伸出钻孔外，传导空芯包体应力计测得的数据。

3.根据权利要求2所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述定向杆为外径35-37mm、内径29-31mm、长度1000-1100mm的空心钢管，定向杆长度的1/5处和7/10处分别焊接定向圆柱，所述定向圆柱直径130-132mm、高度100-110mm。

4.根据权利要求2所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述定向仪上的第二凹槽长度220-230mm，宽度12-14mm；第一凹槽有两条，长度25-30mm，宽度6-8mm，对称分布于第二凹槽两侧。

5.根据权利要求1所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述取芯钻头外径132-134mm，内径112-114mm，长度150-160mm，钻头端面设置有金刚石复合片，钻头端面外侧开设有流水槽。

6.根据权利要求1所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述取芯套管为空心钢管，外径128-130mm，内径119.5-121.5mm，长度1000-1200mm。

7.根据权利要求1所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述定向钻头为三翼锥形钻头，钻头端面设置有金刚石复合片，钻头内部设置有流水孔，钻头端面设置有流水槽，钻头直径132-134mm，长度230-240mm。

8.根据权利要求1所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述应力计安装孔钻头直径35.0-35.5mm，长度180-190mm，钻头端面设置有金刚石复合片，钻头端面内部开设有流水孔。

9.根据权利要求1所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述擦孔杆包括第一杆，第一杆上设置有第二杆，所述擦孔杆总长度为430-480mm，第二杆为有效擦孔杆长度，长度350-400mm，直径为12-15mm。

10.根据权利要求1所述的一种采用成套设备进行地应力测试的方法，其特征在于：所述定向仪上配有圆柱形角度测量装置，测量角度±60°，定向仪前端固接直径为34-36mm的空心管，空心管上设置有第一凹槽和第二凹槽，定向仪长度为410-420mm，为树脂材料制成。