一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置

摘要

本发明涉及分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，采用分瓣方式优化树脂包体，树脂壳体瓣径向移动紧贴孔壁，进而可以忽略胶体的弹模变化影响；避免固化的胶体受高应力作用开裂对测量结果产生影响；树脂壳体瓣径向移动紧贴孔壁的同时也同步解决了同轴问题，提高了测量的精确度。本发明可广泛应用于矿山、水利水电和交通隧道等岩体工程的地应力测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量地应力技术领域，特别是涉及一种分瓣紧贴孔壁 式三维地应力测量装置。

背景技术

地应力是引起采矿工程围岩变形、诱发冲击地压现象的根本作用力,准 确的地应力测量数据是实现科学决策和设计采矿工程必要的前提条件。随 着采矿不断向深部发展,地应力的影响就越加严重,忽略地应力影响而盲目 施工采掘,矿井安全生产将受到严重的威胁。只有掌握矿井所处的地应力状 态,才能采取合理有效的预防措施,阻止围岩变形、冲击地压等灾害现象， 对巷道稳定和安全生产具有十分重要意义。

一般获取地应力比较成熟的方法有钻孔应力解除法、水压致裂法基于 三向实心基体和澳大利亚CSIR0空心包体应力计基本原理展开，这方面的 技术的发明有：CNIO3556992A一种光纤光栅地应力的获取方法、 CNIO4390734A一种空心包体应力计，以及CNIO4280417A岩体工程单孔多点 光纤光栅空心包体三维应力测试装置等。综合分析和比较以上专利得到以 下结论：①包体与钻孔轴心不重合，即不同轴；②胶体过厚，例CNIO4280417A 使用水泥进行耦合钻孔孔壁，在高应力作用下，过厚的胶体开裂将直接影 响测量精度；③包体壁与孔壁的间隙都是通过胶体耦合在一起，其胶体的 弹模变化也会给测量的精度带来影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种分瓣紧贴孔壁式三 维地应力测量装置，其目的是为了更准确获取三维地应力。树脂壳体瓣径 向移动紧贴孔壁实现强耦合、同步同轴的作用效果，为工程支护方案的设 计和灾害预防提供精确数据。

本发明所采用的技术方案是：一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装 置，所述装置由刚性连接直套管、刚性连接杆、树脂壳体瓣、应变片、尾 锥、孔口推进阀、反弧底V型钢片槽、变径刚性套管、条带状合成橡胶块、 条带状胶体胶囊、反弧底V型钢片槽组成；其特征在于，所述刚性连接杆， 为空心管体，其一端固连有尾锥，紧邻尾锥顺次连接测量部件、刚性连接 直套管和一孔口推进阀；所述测量部件设有变径刚性套管，其较粗端与刚 性连接直套管连接，较细端外部是周向均布的3个树脂壳体瓣，相邻树脂 壳体瓣之间由反弧底V型钢片槽连接，槽体的顶口与刚性连接杆轴向平行， 槽底与变径刚性套管外表面法向相切，槽体内由槽底向上顺序嵌装条带状 合成橡胶块和条带状胶体胶囊，并且槽体两端粘结橡皮质的弹性封堵；所 述变径钢性套管和刚性连接直套管可滑动地套装在刚性连接杆上，孔口推 进阀与刚性连接杆螺纹连接并和刚性连接直套管刚性接触；所述尾锥设有 能够推入变径刚性套管的锥形腔，锥形腔的周围均布穿线孔；各树脂壳体 瓣内嵌装有应变片，所述应变片的缆线经过穿线孔以及刚性连接杆杆腔穿 出，与外部数据采集设备连接；当孔口推进阀旋拧推动变径刚性套管沿刚 性连接杆向尾锥方向轴向移动时，反弧底V型钢片槽在受到变径刚性套管 径向挤压的同时也受到尾锥的轴向限制，伴随反弧底V型钢片槽的两翼向 两侧打开，其整体也同步径向移动，同步撕裂条带状胶体胶囊，胶体流出， 进而驱使树脂壳体瓣径向移动贴紧钻孔孔壁并由胶体与钻孔壁粘结固定。

所述刚性连接杆为分体式结构，由多节空心杆体螺纹连接组成，各节 杆体的长度不超过1.5m。所述刚性连接直套管采用分体式结构，由多段套 管首尾刚性连接而成，各段套管的长度为0.5～1.5m。所述刚性连接直套管 的两端部设有边耳，边耳上设有螺丝孔，变径刚性套管较粗端的端面上设 有螺丝孔，相邻套管之间或套管与变径刚性套管通过螺丝连接。

上述结构的设置并不是唯一选择，可以根据施工现场的情况灵活设置。 例如，对于边坡、矿山一些室外作业，且钻孔深度较浅的情况(不超过两 米)刚性连接杆也可以采用整体式结构，相应的，刚性连接套管也可以采 用整体式结构，组合成一整体式测量装置。

所述变径刚性套管的外壁对应反弧底V型钢片槽的弧形底面设有凸起 的导向道。所述反弧底V型钢片槽的反弧底是直径为2.3mm的半圆弧；导 向道的截面为2mm的半圆状。所述的反弧底V型钢片槽常态下槽体夹角为 10°。导向道的设置对反弧底V型钢片槽起到导向作用，同时推动反弧底 V型钢片槽径向移动。

所述树脂壳体瓣的横截面为圆弧形，连接于反弧底V型钢片槽的槽顶 边沿。所述树脂壳体瓣的半径与钻孔的半径相同，树脂壳体瓣的所对应的 角度小于以壳体瓣的个数为基数将以树脂壳体瓣的半径为半径的圆等分后 的角度。所述橡胶块为充炭黑母胶，在反弧底V型钢片槽底部与槽口平行 布置。

一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量方法，包括如下步骤:

a.造孔,选大直径金刚石钻头开孔,钻进到预定孔深,再用小直径钻头 同心钻进长度约200mm，然后在清理钻孔；

b.清孔后通过将已经安装尾椎和测量部件的刚性连接杆放入钻孔内， 同时在刚性连接杆上涂上润滑油；

c.然后套上刚性连接直套管，将变径刚性套管用螺丝与刚性连接直套 管固定；刚性连接直套管和刚性连接杆均为分体式结构，根据孔深确定刚 性连接杆以及刚性连接直套管的节数，各节套管之间用螺丝连接，各节连 接杆之间螺纹连接，刚性连接杆上均涂有润滑油；

d.将按步骤c安装的刚性连接直套管和刚性连接杆随安装进度逐步向 钻孔内推进，直到将尾锥推进至钻孔孔底；

e.安装孔口推进阀，使其与刚性连接直套管接触；

f.旋转孔口推进阀，向刚性连接直套管施加轴向推力，促使其轴向前进， 使树脂壳体瓣径向撑开贴紧钻孔壁，胶体挤出使树脂壳体瓣和孔壁粘结， 根据钻孔孔径尺寸与测量装置参数间的关系得到孔口推进阀轴向移动距 离：

$S=\frac{D_k-D_s}{2tan\alpha }$

式中S是孔口推进阀需要轴向移动的距离，D_k是钻孔直径，D_s是树脂 壳体瓣弧顶距刚性连接杆中心距离的2倍，α为变径刚性套管母线与轴线的 夹角；

g.应力解除,待胶体固化后,用大直径金刚石钻头套钻解除,采用便携式 防爆电阻应变仪记录随解除深度变化的数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用分瓣方式优化树脂 包体，树脂壳体瓣径向移动紧贴孔壁，进而可以忽略胶体的弹模变化影响； 避免固化的胶体受高应力作用开裂对测量结果产生影响；树脂壳体瓣径向 移动紧贴孔壁的同时也同步解决了同轴问题，提高了测量的精确度。本发 明可广泛应用于矿山、水利水电和交通隧道等岩体工程的地应力测量。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为A-A剖面示意图。

图3为尾锥连接部的截面图。

图4为一组应变片布置结构示意图。

图中，1.刚性连接直套管，1-1.边耳，2.刚性连接杆，3.变径刚性套管， 3-1.导向道，4.树脂壳体瓣，5.应变片，6.尾锥，6-1.锥部，6-2.连接部，6-3. 锥型腔，6-4.穿线孔，7.孔口推进阀，8.反弧底V型钢片槽，9.橡胶块，10. 胶体胶囊，11.弹性封堵，12.缆线，13.螺丝，14.钻孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置进 一步详细说明。

见附图1，以直径为54mm的钻孔10为例，一种分瓣紧贴孔壁式三维 地应力测量装置，所述装置由刚性连接直套管1、刚性连接杆2、多组孤立 树脂壳体瓣4、多组应变片5、尾锥6、孔口推进阀7、反弧底V型钢片槽 8、变径刚性套管3、条带状合成橡胶块9、条带状胶体胶囊10、反弧底V 型钢片槽8组成；所述刚性连接杆2为空心管体，由多节管体螺纹连接组 成，其外径16mm、内径8mm，其一端固连有尾锥，紧邻尾锥顺次连接测 量部件、刚性连接直套管1和一孔口推进阀7；每节刚性连接直套管1外径 为24mm、内径为18mm，长为0.5～1.5m；测量部件设有变径刚性套管3， 其外径最大直径为44mm、最小直径为20mm，长为120mm，变径刚性套 管3较粗端端面周向均布三个螺丝孔，刚性连接直套管1的两端部设有边 耳1-1，边耳1-1外径为44mm，边耳1-1上对应变径刚性套管3上的螺丝 孔设有螺丝孔，并通过螺丝13连接；所述变径钢性套管3和刚性连接直套 管1可滑动地套装在刚性连接杆2上，孔口推进阀7与刚性连接杆2螺纹 连接；所述尾锥6包括锥部6-1、连接部6-2及锥型腔6-3，连接部6-2安装 于刚性连接杆2的外部，连接部6-2设有能够推入变径刚性套管的锥型腔 6-3，锥型腔6-3周围均布沿其轴向开设的三个穿线孔6-4；变径刚性套管3 较细端外部是周向均布的三个树脂壳体瓣4，相邻树脂壳体瓣4之间由反弧 底V型钢片槽8连接，反弧底V型钢片槽8常态下槽体夹角为10°，槽体 的顶口与刚性连接杆2轴向平行，槽底与变径刚性套管3外表面法向相切， 槽体内由槽底向上顺序嵌装条带状充炭黑母胶合成橡胶块9和条带状胶体 胶囊10，橡胶块9在反弧底V型钢片槽8底部与槽口平行布置，槽体两端 粘结橡皮弹性封堵11，弹性封堵11能够随反弧底V型钢片槽8两翼的张 开发生弹性变化；所述树脂壳体瓣4的横截面为圆弧形，连接于反弧底V 型钢片槽8的顶部槽边，其圆弧直径54mm、圆弧所对应圆心角102°，三 个树脂壳体瓣4按中心角120°排列；各树脂壳体瓣4内嵌装有应变片5， 应变片5安装在各树脂壳体瓣4的中部，所述应变片5的缆线12经过穿线 孔6-4以及刚性连接杆2杆腔穿出，与外部数据采集设备连接；当孔口推进 阀7旋拧推动变径刚性套管3沿刚性连接杆2向尾锥6方向轴向移动时， 反弧底V型钢片槽8在受到变径刚性套管3径向挤压的同时也受到尾锥6 的轴向限制，伴随反弧底V型钢片槽8的两翼向两侧打开，其整体也同步 径向移动，同步撕裂条带状胶体胶囊10，胶体流出，进而驱使树脂壳体瓣 4径向移动贴紧钻孔孔壁并由胶体与钻孔壁粘结固定。

如图3所示，仍以直径为54mm的钻孔10为例，由于人为因素影响， 54mm钻头转进的实际钻孔孔径要略大于54mm，本发明仍取树脂壳体瓣4的 直径为54mm，通过计算，取其弧度为102°满足装置设计要求。

如图4所示，反弧底V型钢片槽8底部为反底弧，其直径2.3mm的半 圆弧，空间上120°布置，变径刚性套管3的外壁对应反弧底V型钢片槽8 的弧形底面设有凸起的导向道3-1，导向道3-1的截面为2mm的半圆状。 反底弧恰好卡在变径刚性套管3上的导向道3-1上，同时，条带状合成橡胶 块9夹在两个钢片即两翼之间保证在反弧底V型钢片槽8夹角为10°，也 保障测试前结构稳定；反弧底V型钢片槽8径向移动两翼打开同时配合条 带状橡胶块9作用下迫使条带状胶体胶囊10撕裂、胶体溢出。结合实例钻 孔14及本发明装置参数计算得到孔口推进阀7轴向移动距离为50mm时， 树脂壳体瓣4便和钻孔14孔壁相贴紧密，同步实现同轴，故可以忽略胶体 的厚度及其弹模变化对测量精度的影响。

本发明一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量方法，包括如下步骤:

a.造孔,选216mm金刚石钻头开孔，再用54mm钻头同心钻进约200mm， 并清理钻孔；

b.清孔后通过将已经安装尾椎6和测量部件的第一节刚性连接杆2放 入钻孔14内，同时在刚性连接杆2上涂上润滑油；

c.套上第一节刚性连接直套管1，将变径刚性套管3用螺丝13与刚性 连接直套管1固定；然后依次连接第二节或第三节刚性连接直套管1，直到 第一节刚性连接杆2上的套管安装完毕；将第二节刚性连接杆2与第一节 杆体螺纹连接，并在杆体上涂上润滑油以便在该节杆体上安装刚性连接直 套管1，以此类推，直到按照钻孔14长度将所有的连接杆以及直套管安装 完毕，且保证最后一根连接杆的外部设有螺纹；

d.安装的过程中将安装好的刚性连接杆2逐步向钻孔内推进，直到将 尾锥6推进至钻孔14孔底；

e.安装孔口推进阀7，使其与刚性连接直套管1接触；

f.旋转孔口推进阀7，向刚性连接直套管1施加轴向推力，促使其轴向 前进，使树脂壳体瓣4径向撑开贴紧钻孔壁，胶体挤出使树脂壳体瓣4和 孔壁粘结，根据钻孔14孔径尺寸与测量装置参数间的关系得到孔口推进阀 7轴向移动距离：

$S=\frac{D_k-D_s}{2tan\alpha }$

式中S是孔口推进阀7需要轴向移动的距离，D_k是钻孔直径，D_s是树 脂壳体瓣4弧顶距刚性连接杆中心距离的2倍，α为变径刚性套管3母线与 轴线的夹角；

g.应力解除,待胶体固化后,用216mm金刚石钻头套钻解除,采用便携式 防爆电阻应变仪记录随解除深度变化的数据。