CN105758561A - 基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及方法，属于基地应力测量装置及方法。步骤：1、选取测试地应力围岩；2、施工钻孔，使用相关钻机对煤岩体施工钻孔；3、设备安装，使用液压提升装置将水压致裂及监测装置抬升到围岩地应力测试段并固定；4、注液加压使用隔爆高压泵通过增压软管对套环软管进行注水加压，实现间接水压致裂测地应力，打开压力传感器和拍摄仪，监测应力变化及围岩变形；5、关泵，当套环软管持续对围岩加压直至围岩裂隙完全开裂关闭高压泵；6、卸压，当地应力测试段内的压力趋于平稳时，解除本次测试段内的压力；7、重复上述4、5、6三个步骤3?5次，取得应力参量，判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态，并处理数据。

Description

基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种地应力测量装置及方法，特别是一种基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及方法。

背景技术

地应力是存在于地壳中未受工程扰动的天然应力，它对地下工程巷道围岩变形和破坏具有一定的影响。根据不同的测量原理以及相应的测量设备，有不同的地应力测试方法。目前测量地应力的方法有很多，其中应用较广的是应力解除法和水压致裂法。应力解除法对岩体的完整性要求相对较高，对于破碎的岩体难以保证岩芯的完整性，成功率低，测试方法复杂、成本高；而传统的水压致裂法虽然具有操作简单、岩壁受力范围广、测量深度大等优点，但也存在许多问题，例如，1、对围岩的岩性要求较高，不适用于软弱破碎的岩体，2、强调围岩的完整性，要求所选测试段为完整岩石段，无原生裂隙发育，3、测量地应力的过程中信息采集单一，传统的水压致裂法只能采集测试过程中的受力情况，而无法对水压致裂造成的围岩裂隙的变化情况进行实时监测。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有地应力测量方法的不足，提供一种结构简单、操作方便、适合于复杂围岩地质条件的基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及方法，能解决传统水压致裂地应力测量装置受制于软弱破碎岩体及原生裂隙发育岩体的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明包括基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及测量方法；

所述的可视化均布水压致裂地应力测量装置包括：隔爆高压泵、蓄能器、高压管路、静压进水管、压力表、压力传感器、数据采集记录仪、增压软管、液压提升装置、水压致裂及监测装置；隔爆高压泵与蓄能器的输入端连接，蓄能器的输出端通过高压管路与液压提升装置连接，在高压管路上有静压进水管、压力表、压力传感器和增压软管；压力传感器通过数据传输线与数据采集记录仪连接；液压提升装置的前端与水压致裂及监测装置连接。

所述的液压提升装置包括液压缸、活塞杆和固定托盘；活塞杆的一端位于液压缸内，活塞杆的另一端与固定托盘连接，在固定托盘上连接水压致裂及监测装置。

所述的水压致裂及监测装置包括高强度环形管、卡槽、套环软管、内密封盘、外密封盘、拍摄仪固定底座、拍摄仪、数据传输线、增压软管及螺栓；在高强度环形管上连接有内密封盘和外密封盘，在高强度环形管外有套环软管，套环软管上延伸至内密封盘和外密封盘之间，在位于内密封盘和外密封盘之间的套环软管通过卡槽连接；在中心位置有拍摄仪固定底座，拍摄仪固定底座下连接有数据传输线；拍摄仪有多个，以多角度多方位安装在拍摄仪固定底座上。

利用可视化均布水压致裂地应力测量装置测量地应力的测量方法：通过注水加压使水压致裂及监测装置外表面的套环软管发生膨胀，对围岩产生挤压，使围岩产生裂隙，实现水压致裂测地应力；在此过程中，通过高强度环形管内的拍摄仪对地应力测试过程中的围岩裂隙变化进行实时监测，实现可视化由套环软管间接接触围岩水压致裂测地应力；

具体步骤如下：

(1)、选择较完整的围岩体进行测量；

(2)、施工钻孔，钻孔要求为：①施工钻头直径应在75mm-100mm范围内，保证地应力测量装置与钻孔围岩相匹配，②钻孔长度应达到巷道半径的3-5倍，保证所测地应力为原岩应力③钻孔应尽量向顶板施工，以利于裂缝的扩展；

(3)、设备安装，先打开静压进水管，使静压水进入蓄能器中；再打开隔爆高压泵，通过高压泵对液压提升装置的液压缸注液加压促使液压提升装置的活塞杆以及固定托盘将可视化均布水压致裂地应力测量装置中的水压致裂及监测装置抬升到围岩地应力测试段并固定，之后，关闭液压缸的液压阀及隔爆高压泵；

(4)、注液加压，重新打开隔爆高压泵，使用隔爆高压泵通过高压管路以及增压软管对套环软管进行注水加压并通过压力表实时监测泵站压力情况以保证向套环软管供压充足；隔爆高压泵不断增压，套环软管不断膨胀，由此对钻孔围岩地应力测试段施加压力；此时，钻孔围岩在套环软管不断膨胀加压的作用下，致使围岩产生裂隙，同时，打开压力传感器和拍摄仪，开始对地应力测试过程中的水压变化和围岩裂隙发育进行实时监测，并将采集的数据通过数据传输线传输给数据采集记录仪；

(5)、关泵，当套环软管持续对围岩加压直至围岩裂隙完全开裂时，记录下临界压力值，同时，关闭高压泵，停止向套环软管加压；随着测试段的压力缓慢下降，记录下围岩裂隙临界闭合时的压力值；

(6)、卸压，当地应力测试段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，即可连通大气，促使已张开的裂隙完全闭合，即解除本次测试段内的压力；

(7)、重复上述(4)、(5)、(6)三个步骤3-5次，取得多组应力参量，用以准确判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态；测试完成后，关闭拍摄仪；并将数据采集记录仪记录下的数据和视频进行综合分析，根据水压致裂得出地应力的相关参数。

有益效果，由于采用了上述方案，本发明一种基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及方法可实现地应力测量的可视化，提高了地应力测量的精准度，拓展了水压致裂测地应力的适用范围。与传统水压致裂测地应力的装置不同，传统水压致裂测地应力的装置均是通过直接对围岩注水加压以实现测量地应力的目的，但本发明采用套环软管注水间接对围岩施压的方法进行地应力测量，这大大提高了水压致裂测地应力的适用范围，解决了传统水压致裂地应力测量装置受制于软弱破碎岩体及原生裂隙发育岩体的问题，并且，由于采用间接水压致裂的方法，避免了岩石岩性对测量结果的影响，提高了水压致裂测地应力的精准度。同时，本发明一种基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及方法采用透明度极佳的材料制作，并在测量装置内部安装有多方位多角度的拍摄仪，可对水压致裂过程中围岩裂隙的分布状况及发育情况进行实时监测拍摄，并能将采集的相关数据传输到数据采集记录仪中，便于日后相关科研人员综合分析地应力测量值，有助于提高地应力测量结果的准确度，实现地应力测量的可视化及信息采集的多元化。

优点：(1)对围岩岩性及完整程度要求较低，适用范围广；

(2)可对水压致裂过程进行实时拍摄，实现了水压致裂测地应力的可视化，测量采集信息多元化；

(3)测量结果精准度提高，分析结果更加多元化。

附图说明

图1为本发明的可视化均布水压致裂地应力测量装置的示意图。

图2为本发明的水压致裂及监测装置的示意图。

图中：1、隔爆高压泵；2、蓄能器；3、高压管路；4、静压进水管；5、压力表；6、压力传感器；7、数据采集记录仪；8、液压缸；9、活塞杆；10、固定托盘；11、数据传输线；12、水压致裂及监测装置；13、顶板及岩石压裂段；14、底板；15、增压软管；16、高强度环形管；17、卡槽；18、套环软管；19、内密封盘；20、外密封盘；21、螺栓；22、拍摄仪固定底座。

具体实施方式

本发明包括基于可视化均布水压致裂地应力测量装置及测量方法；

所述的可视化均布水压致裂地应力测量装置包括：隔爆高压泵1、蓄能器2、高压管路3、静压进水管4、压力表5、压力传感器6、数据采集记录仪7、增压软管15、液压提升装置、水压致裂及监测装置12；隔爆高压泵1与蓄能器2的输入端连接，蓄能器2的输出端通过高压管路3与液压提升装置连接，在高压管路3上有静压进水管4、压力表5、压力传感器6和增压软管15；压力传感器6通过数据传输线11与数据采集记录仪7连接；液压提升装置的前端与水压致裂及监测装置12连接。

所述的液压提升装置包括液压缸8、活塞杆9和固定托盘10；活塞杆9的一端位于液压缸8内，活塞杆9的另一端与固定托盘10连接，在固定托盘10上连接水压致裂及监测装置12。

所述的水压致裂及监测装置12包括高强度环形管16、卡槽17、套环软管18、内密封盘19、外密封盘20、拍摄仪固定底座22、拍摄仪、数据传输线11、增压软管15及螺栓21；在高强度环形管16上连接有内密封盘19和外密封盘20，在高强度环形管16外有套环软管18，套环软管18上延伸至内密封盘19和外密封盘20之间，在位于内密封盘19和外密封盘20之间的套环软管18通过卡槽17连接；在中心位置有拍摄仪固定底座22，拍摄仪固定底座22下连接有数据传输线11；拍摄仪有多个，以多角度多方位安装在拍摄仪固定底座22上。

利用可视化均布水压致裂地应力测量装置测量地应力的测量方法：通过注水加压使水压致裂及监测装置外表面的套环软管发生膨胀，对围岩产生挤压，使围岩产生裂隙，实现水压致裂测地应力；在此过程中，通过高强度环形管内的拍摄仪对地应力测试过程中的围岩裂隙变化进行实时监测，实现可视化由套环软管间接接触围岩水压致裂测地应力；

具体步骤如下：

(1)、选择较完整的围岩体进行测量；

(2)、施工钻孔，钻孔要求为：①施工钻头直径应在75mm-100mm范围内，保证地应力测量装置与钻孔围岩相匹配，②钻孔长度应达到巷道半径的3-5倍，保证所测地应力为原岩应力③钻孔应尽量向顶板施工，以利于裂缝的扩展；

(3)、设备安装，先打开静压进水管，使静压水进入蓄能器中；再打开隔爆高压泵，通过高压泵对液压提升装置的液压缸注液加压促使液压提升装置的活塞杆以及固定托盘将可视化均布水压致裂地应力测量装置中的水压致裂及监测装置抬升到围岩地应力测试段并固定，之后，关闭液压缸的液压阀及隔爆高压泵；

(4)、注液加压，重新打开隔爆高压泵，使用隔爆高压泵通过高压管路以及增压软管对套环软管进行注水加压并通过压力表实时监测泵站压力情况以保证向套环软管供压充足；隔爆高压泵不断增压，套环软管不断膨胀，由此对钻孔围岩地应力测试段施加压力；此时，钻孔围岩在套环软管不断膨胀加压的作用下，致使围岩产生裂隙，同时，打开压力传感器和拍摄仪，开始对地应力测试过程中的水压变化和围岩裂隙发育进行实时监测，并将采集的数据通过数据传输线传输给数据采集记录仪；

(5)、关泵，当套环软管持续对围岩加压直至围岩裂隙完全开裂时，记录下临界压力值，同时，关闭高压泵，停止向套环软管加压；随着测试段的压力缓慢下降，记录下围岩裂隙临界闭合时的压力值；

(6)、卸压，当地应力测试段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，即可连通大气，促使已张开的裂隙完全闭合，即解除本次测试段内的压力；

(7)、重复上述(4)、(5)、(6)三个步骤3-5次，取得多组应力参量，用以准确判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态；测试完成后，关闭拍摄仪；并将数据采集记录仪记录下的数据和视频进行综合分析，根据水压致裂得出地应力的相关参数。

实施例1：本发明一种基于可视化均布水压致裂地应力测量装置的地应力测试方法由以下几个步骤组成：

1、选择较完整的围岩体进行测量；

2、施工钻孔，钻孔要求为：①施工钻头直径应在75mm-100mm范围内，保证地应力测量装置与钻孔围岩相匹配，②钻孔长度应达到巷道半径的3-5倍，保证所测地应力为原岩应力③钻孔应尽量向顶板施工，以利于裂缝的扩展；

3、设备安装，先打开静压进水管(4)，使静压水进入蓄能器(2)中。之后，打开隔爆高压泵(1)，通过高压泵(1)对液压提升装置的液压缸(8)注液加压促使液压提升装置的活塞杆(9)以及固定托盘(10)将可视化均布水压致裂地应力测量装置中的水压致裂及监测装置(12)抬升到围岩地应力测试段并固定，之后，关闭液压缸(8)的液压阀及隔爆高压泵(1)；

4、注液加压，重新打开隔爆高压泵(1)，使用隔爆高压泵(1)通过高压管路(3)以及增压软管(15)对套环软管(16)进行注水加压并通过压力表(5)实时监测泵站压力情况以保证向套环软管(16)供压充足。由于隔爆高压泵(1)的不断增压，使套环软管(16)发生膨胀，从而对钻孔围岩地应力测试段施加压力，此时，钻孔围岩会由于套环软管(16)的不断膨胀加压而致使围岩产生裂隙，同时，打开压力传感器(6)和拍摄仪，开始对地应力测试过程中的水压变化和围岩裂隙发育进行实时监测，并将采集的数据通过数据传输线(11)传输给数据采集记录仪(7)；

5、关泵，当套环软管(16)持续对围岩加压直至围岩裂隙完全开裂，记录下临界压力值，同时，关闭高压泵(1)，停止向套环软管(16)加压。随着测试段的压力缓慢下降，记录下围岩裂隙临界闭合时的压力值；

6、卸压，当地应力测试段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，即可连通大气，促使已张开的裂隙完全闭合，即解除本次测试段内的压力；

7、重复上述4、5、6三个步骤3-5次，以取得合理的应力参量以及准确判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态。测试完成后，关闭拍摄仪。并将数据采集记录仪(7)记录下的数据和视频进行综合分析，根据水压致裂的原理得出地应力的相关参数。

Claims (4)

1.一种基于可视化均布水压致裂地应力测量装置，其特征是：该测量装置包括：隔爆高压泵、蓄能器、静压进水管、高压管路、压力传感器、数据采集记录仪、压力表、增压软管、液压提升装置、水压致裂及监测装置；隔爆高压泵与蓄能器的输入端连接，蓄能器的输出端通过高压管路与液压提升装置连接，在高压管路上有静压进水管、压力表、压力传感器和增压软管；压力传感器通过数据传输线与数据采集记录仪连接；液压提升装置的前端与水压致裂及监测装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于可视化均布水压致裂地应力测量装置，其特征是：所述的液压提升装置包括液压缸、活塞杆和固定托盘；活塞杆的一端位于液压缸内，活塞杆的另一端与固定托盘连接，在固定托盘上连接水压致裂及监测装置。

3.根据权利要求1所述的基于可视化均布水压致裂地应力测量装置，其特征是：所述的水压致裂及监测装置包括高强度环形管、卡槽、套环软管、内密封盘、外密封盘、拍摄仪固定底座、拍摄仪、数据传输线、增压软管及螺栓；在高强度环形管上连接有内密封盘和外密封盘，在高强度环形管外有套环软管，套环软管上延伸至内密封盘和外密封盘之间，在位于内密封盘和外密封盘之间的套环软管通过卡槽连接；在中心位置有拍摄仪固定底座，拍摄仪固定底座下连接有数据传输线；拍摄仪有多个，以多角度多方位安装在拍摄仪固定底座上。

4.权利要求1所述的基于可视化均布水压致裂地应力测量装置的地应力测试方法，其特征是：测量方法通过注水加压使水压致裂及监测装置外表面的套环软管发生膨胀，对围岩产生挤压，使围岩产生裂隙，实现水压致裂测地应力；在此过程中，通过高强度环形管内的拍摄仪对地应力测试过程中的围岩裂隙变化进行实时监测，实现可视化由套环软管间接接触围岩水压致裂测地应力；

具体步骤如下：

(1)、选择较完整的围岩体进行测量；

(2)、施工钻孔，钻孔要求为：①施工钻头直径应在75mm-100mm范围内，保证地应力测量装置与钻孔围岩相匹配，②钻孔长度应达到巷道半径的3-5倍，保证所测地应力为原岩应力③钻孔应尽量向顶板施工，以利于裂缝的扩展；

(3)、设备安装，先打开静压进水管，使静压水进入蓄能器中；再打开隔爆高压泵，通过高压泵对液压提升装置的液压缸注液加压促使液压提升装置的活塞杆以及固定托盘将可视化均布水压致裂地应力测量装置中的水压致裂及监测装置抬升到围岩地应力测试段并固定，之后，关闭液压缸的液压阀及隔爆高压泵；

(4)、注液加压，重新打开隔爆高压泵，使用隔爆高压泵通过高压管路以及增压软管对套环软管进行注水加压并通过压力表实时监测泵站压力情况以保证向套环软管供压充足；隔爆高压泵不断增压，套环软管不断膨胀，由此对钻孔围岩地应力测试段施加压力；此时，钻孔围岩在套环软管不断膨胀加压的作用下，致使围岩产生裂隙，同时，打开压力传感器和拍摄仪，开始对地应力测试过程中的水压变化和围岩裂隙发育进行实时监测，并将采集的数据通过数据传输线传输给数据采集记录仪；

(5)、关泵，当套环软管持续对围岩加压直至围岩裂隙完全开裂时，记录下临界压力值，同时，关闭高压泵，停止向套环软管加压；随着测试段的压力缓慢下降，记录下围岩裂隙临界闭合时的压力值；

(6)、卸压，当地应力测试段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，即可连通大气，促使已张开的裂隙完全闭合，即解除本次测试段内的压力；

(7)、重复上述(4)、(5)、(6)三个步骤3-5次，取得多组应力参量，用以准确判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态；测试完成后，关闭拍摄仪；并将数据采集记录仪记录下的数据和视频进行综合分析，根据水压致裂得出地应力的相关参数。