一种地壳岩体平面应力的连续测量方法及系统

摘要

本发明提供了一种地壳岩体平面应力的连续测量方法及系统，该方法包括：首先，利用压磁套芯解除确定目标钻孔预设深度处地壳岩体的基准平面主应力，以及确定压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的第二线性关系；然后，基于压磁解除探头设置于目标钻孔预设深度处的受力状态，调整放置于相应位置处的压磁解除探头上各第二压磁感应元件的受力状态；最后，实时测量调整后任一时刻压磁监测探头上各第二压磁感应元件的电压降，根据基准平面主应力、第二线性关系和当前电压降确定当前平面主应力,这样能够实时获取目标钻孔预设深度处的任一时刻的绝对地壳岩体平面主应力，从而实现对地壳岩体中某一目标钻孔预设深度的平面主应力的实时监测。

说明书

技术领域

本发明涉及岩体地应力测量技术领域，具体而言，涉及一种地壳岩体平面应力的连续测量方法及系统。

背景技术

目前，地壳岩体介质有许多有别于其他介质的重要特性,由岩体的自重和地壳板块构造运动引起并保存的构造应力等因素导致岩体具有初始地应力(或简称地应力)是最具有特色的性质之一。就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的工程参数设计分析和得出符合实际的结论。

岩体应力现场测量是为了了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体的受力状态，为岩体加固及支护提供依据。岩体应力测量可以在钻孔中、基岩露头上和地下洞室的岩壁上进行，也可以在地下工程中根据两点间的位移来进行反算而求得。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术中至少存在以下问题：相关技术中要么只能测量某一目标位置处地壳岩体的绝对平面应力，要么只能测量某一目标位置任意时刻的地壳岩体平面应力变化趋势(因为测量所得数据无法实现有效地标定，实际上测量的是应力变化趋势，甚至不能准确地称之为应力变化量)，由此可知，未给出连续测量某一目标位置的地壳岩体平面应力的方法，因此，无法实现实时监测某一目标位置任意时刻的地壳岩体的绝对平面主应力。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种地壳岩体平面应力的连续测量方法及系统，以实现对地壳岩体中某一目标钻孔预设深度的平面主应力的实时监测。

第一方面，本发明实施例提供了一种地壳岩体平面应力的连续测量方法，包括：

在将应力测量设备中的压磁解除探头放置于地壳岩体中的目标钻孔预设深度处后，分别控制所述压磁解除探头上的各第一压磁感应元件沿直径方向向外伸出，直到所述第一压磁感应元件与岩体侧壁接触且所述第一压磁感应元件所受外力达到预设阈值，所述压磁解除探头的前端设置有至少三个第一压磁感应元件；

利用压磁套芯解除法确定所述目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力，以及确定应力测量设备中的压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第二线性关系，所述压磁监测探头的前端设置有至少三个第二压磁感应元件；

在将所述压磁监测探头放置于已取出包裹岩体套芯的压磁解除探头的所述目标钻孔预设深度处后，调整所述压磁解除探头上各所述第二压磁感应元件的受力状态，以使各所述第二压磁感应元件的受力大小和受力方向与在所述岩体套芯解除过程中该岩体套芯四周的地壳岩体对各所述第一压磁感应元件的应力变化量和应力方向一致；

测量调整后任一时刻所述压磁监测探头上各所述第二压磁感应元件所承受的岩体应力变化量所对应的电压降；

将所述平面主应力作为所述目标钻孔预设深度处地壳岩体的基准平面主应力，根据所述基准平面主应力、所述第二线性关系和所述电压降确定所述目标钻孔预设深度处任一时刻地壳岩体的平面主应力。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述确定应力测量设备中的压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第二线性关系，包括：

在将外层包裹金属套芯的压磁监测探头放置于标定仪器的套筒中央后，对所述压磁监测探头的前端设置的各第二压磁感应元件逐级加压和逐级卸压；

记录各所述第二压磁感应元件的电压降与预加压力之间的第二变化趋势，并根据该第二变化趋势确定压磁监测探头外层包裹所述金属套芯时各所述第二压磁感应元件的金属标定系数K_S；

基于各置于金属套芯中压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的所述金属标定系数，确定在压磁监测探头外层包裹与所述目标钻孔预设深度的所述岩体套芯相同弹性模量材料的岩体时各所述第二压磁感应元件的岩芯标定系数K_R；

根据各所述第二压磁感应元件对应的所述岩芯标定系数，确定该第二压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第二线性关系,所述第二线性关系表示为ΔS＝K_R×ΔV。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，基于各置于金属套芯中压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的所述金属标定系数，确定在压磁监测探头外层包裹与所述目标钻孔预设深度的所述岩体套芯相同弹性模量材料的岩体时各所述第二压磁感应元件的岩芯标定系数，包括：

根据公式和各所述金属标定系数K_S，确定在压磁监测探头外层包裹与所述目标钻孔预设深度的所述岩体套芯相同弹性模量材料的岩体时各所述第二压磁感应元件的岩芯标定系数K_R；

其中，K_R表示某一第二压磁感应元件的岩芯标定系数，K_S表示某一第二压磁感应元件的金属标定系数，E_R表示岩体套芯的弹性模量，E_S表示金属套芯的弹性模量，E表示某一第二压磁感应元件自身的弹性模量，B表示某一第二压磁感应元件等效截面积，u_R表示岩体套芯的弹性变形量，u_S表示金属套芯的弹性变形量，a表示金属套芯的内径，b表示地壳岩体中监测钻孔的内径。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述调整所述压磁解除探头上各所述第二压磁感应元件的受力状态，包括：

基于所述压磁解除探头前端的各所述第一压磁感应元件位于所述目标钻孔预设深度处的相对于磁北极的方向，通过定向装置调整压磁监测探头上各第二压磁感应元件的相对于磁北极的方向，以使各所述第二压磁感应元件与各所述第一压磁感应元件的相对于磁北极的方向一一对应；

基于所述压磁解除探头前端的各所述第一压磁感应元件位于所述目标钻孔预设深度处解除前后的岩体应力变化量，通过加力装置调整压磁监测探头上各第二压磁感应元件所受压力。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，利用压磁套芯解除法确定所述目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力，包括：

基于所述第一压磁感应元件与岩体侧壁接触且所述第一压磁感应元件所受外力达到预设阈值的状态，确定所述第一压磁感应元件的压力解除前电压；以及，

基于外层包裹岩体套芯的所述压磁解除探头被取出后的状态，确定所述第一压磁感应元件的压力解除后电压；

根据所述压力解除前电压和所述压力解除后电压确定各所述第一压磁感应元件的压力解除前后电压降值；

在将取出的外层包裹所述岩体套芯的所述压磁解除探头放置于标定仪器的套筒中央后，对所述压磁解除探头前端设置的各第一压磁感应元件逐级加压和逐级卸压；以及，

记录各所述第一压磁感应元件的电压降与预加压力之间的第一变化趋势，并根据该第一变化趋势确定各所述第一压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第一线性关系，所述第一线性关系表示为ΔS＝K×ΔV；

根据所述第一线性关系、以及所述压力解除前后电压降值，确定各所述第一压磁感应元件所在方向的岩体应力的大小；

根据各所述第一压磁感应元件所在方向的所述岩体应力的大小，确定所述目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力。

结合第一方面至第一方面的第四种可能的实施方式中任一项，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述压磁解除探头的前端设置有六个第一压磁感应元件，两两所述第一压磁感应元件之间俯视夹角为30°；

所述压磁监测探头的前端设置有六个第二压磁感应元件，两两所述第二压磁感应元件之间俯视夹角为30°。

第二方面，本发明实施例还提供了一种地壳岩体平面应力的测量系统，该系统包括：应力测量设备；所述应力测量设备应用结合第一方面至第一方面的第五种可能的实施方式中任一项所述的方法测量目标钻孔预设深度处任一时刻地壳岩体的平面主应力。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述应力测量设备包括：主控装置、定向装置、加力装置、压磁解除探头和压磁监测探头。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述系统还包括：标定仪器，所述标定仪器，用于对放置于其套筒中央的压磁解除探头或压磁监测探头逐级加压和逐级卸压。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述压磁解除探头的前端设置有六个第一压磁感应元件，两两所述第一压磁感应元件之间俯视夹角为30°；

所述压磁监测探头的前端设置有六个第二压磁感应元件，两两所述第二压磁感应元件之间俯视夹角为30°。

在本发明实施例提供的地壳岩体平面应力的连续测量方法及系统中，首先，利用压磁套芯解除法确定目标钻孔预设深度处地壳岩体的基准平面主应力，以及确定压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的第二线性关系；然后，基于压磁解除探头设置于目标钻孔预设深度处的受力状态，调整放置于相应位置处的压磁解除探头上各第二压磁感应元件的受力状态；最后，实时测量调整后任一时刻压磁监测探头上各第二压磁感应元件的电压降，根据基准平面主应力、第二线性关系和当前电压降确定当前平面主应力。这样能够实时获取目标钻孔预设深度处的任一时刻的绝对地壳岩体平面主应力，从而实现对地壳岩体中某一目标钻孔预设深度的平面主应力的实时监测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种地壳岩体平面应力的连续测量方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的压磁感应元件的原理示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的压磁探头及压磁感应元件在压磁探头前端的布置方位的结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的地壳岩体平面应力的连续测量方法中确定各第二压磁感应元件的第二线性关系的流程示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的确定各第二压磁感应元件的金属标定系数的实现原理的结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的利用压磁套芯解除法测量地应力的过程在目标位置进行钻孔的示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的某圆孔的无限大平板受到应力情况的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

考虑到相关技术中要么只能测量某一目标位置处地壳岩体的绝对平面应力，要么只能测量某一目标位置任意时刻的地壳岩体平面应力变化趋势(而非变化量)，由此可知，未给出连续测量某一目标位置的地壳岩体平面应力的方法，因此，无法实现实时观测某一目标位置任意时刻的地壳岩体绝对平面主应力。基于此，本发明实施例提供了一种地壳岩体平面应力的连续测量方法及系统，下面通过实施例进行描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种地壳岩体平面应力的连续测量方法，该方法包括步骤S101-S105，具体如下：

S101、在将应力测量设备中的压磁解除探头放置于地壳岩体中的目标钻孔预设深度处后，分别控制该压磁解除探头上的各第一压磁感应元件沿直径方向向外伸出，直到第一压磁感应元件与岩体侧壁接触且第一压磁感应元件所受外力达到预设阈值，该压磁解除探头的前端设置有至少三个第一压磁感应元件；其中，该预设阈值的确定方式为：基于全球地壳岩体中地应力分布特征，每一个压磁感应元件的预设阈值设置为测量钻孔上覆岩体重量的3-5倍，由于制作每一个压磁感应元件的铁磁合金材料的自身物理属性存在一定差异性，因此，为了提高后续的测量精度，可以预先通过实验室标定，为每个压磁感应元件设置相应的预设阈值。

S102、利用压磁套芯解除法确定目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力，以及确定应力测量设备中的压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第二线性关系，该压磁监测探头的前端设置有至少三个第二压磁感应元件。

S103、在将上述压磁监测探头放置于已取出包裹岩体套芯的压磁解除探头的目标钻孔预设深度处后，调整该压磁解除探头上各第二压磁感应元件的受力状态，以使各第二压磁感应元件的受力大小和受力方向与在岩体套芯解除过程中该岩体套芯四周的地壳岩体对各第一压磁感应元件的应力变化量和应力方向一致，也就是说，使得压磁监测探头恢复至孔壁岩体对压磁解除探头的基准平面主应力状态，即对压磁监测探头上的第二压磁感应元件所加的压力与套芯解除过程中对应方向上压磁解除探头上的第一压磁感应元件的应力变化量相等。

S104、测量调整后任一时刻上述压磁监测探头上各上述第二压磁感应元件所承受的岩体应力变化量所对应的电压降。

S105、将上述平面主应力作为目标钻孔预设深度处地壳岩体的基准平面主应力，根据该基准平面主应力、上述第二线性关系和上述电压降确定目标钻孔预设深度处任一时刻地壳岩体的平面主应力，具体地，根据确定出的第二线性关系和测量出的电压降，得到预加压力变化量；再根据基准平面主应力和预加压力变化量，得到目标钻孔预设深度处任一时刻地壳岩体平面主应力。

在本发明提供的实施例中，首先，利用压磁套芯解除法确定目标钻孔预设深度处地壳岩体的基准平面主应力，以及确定压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的第二线性关系；然后，基于压磁解除探头设置于目标钻孔预设深度处的受力状态，调整放置于相应位置处的压磁解除探头上各第二压磁感应元件的受力状态；最后，实时测量调整后任一时刻压磁监测探头上各第二压磁感应元件的电压降，根据基准平面主应力、第二线性关系和当前电压降确定当前平面主应力。这样能够实时获取目标钻孔预设深度处的任一时刻的绝对地壳岩体平面主应力，从而实现对地壳岩体中某一目标钻孔预设深度的平面主应力的实时监测。

其中，无论是第一压磁感应元件，还是第二压磁感应元件均采用如下工作原理，如图2所示，由于铁磁材料磁致伸缩效应的特性，施加压力P的变化量与芯轴线圈电压降V成线性正相关。基于磁致伸缩原理设计且由铁磁材料制成的压磁感应元件能够对地壳岩体的平面主应力的变化做出反应，该压磁感应元件随其所承受的外力的增加，其产生的电压也随之增加；其中，压磁感应元件是以铁磁材料为芯轴，缠绕预设匝数线圈制成的“自感线圈”；如果压磁感应元件芯轴线圈通以恒定的交流电流I，当沿芯轴施加的外界压力P发生变化时，则芯轴的磁导率会随之发生变化，进而自感线圈的电压降V也随之变化；

其中，考虑到确定一个平面上任意三个方向上的应力，可得到该平面上的平面主应力及其方向，因此，在压磁解除探头的前端设置有至少三个第一压磁感应元件，以及在压磁监测探头的前端设置有至少三个第二压磁感应元件，无论是第一压磁感应元件，还是第二压磁感应元件均采用如下设计结构，如图3所示，以压磁探头前端设置三个压磁感应元件为例，左侧放大图为压磁探头前端的结构示意图，右侧放大图为压磁探头前端的三个压磁感应元件A、B、C之间的俯视夹角，此时，两两压磁感应元件之间俯视夹角为60°。

其中，针对步骤S102中的确定应力测量设备中的压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第二线性关系，如图4所示，具体包括：

S10211、在将外层包裹金属套芯的压磁监测探头放置于标定仪器的套筒中央后，对上述压磁监测探头的前端设置的各第二压磁感应元件逐级加压和逐级卸压；

S10212、记录各上述第二压磁感应元件的电压降与预加压力之间的第二变化趋势，并根据该第二变化趋势确定压磁监测探头外层包裹金属套芯时各第二压磁感应元件的金属标定系数K_S；

S10213、基于各置于金属套芯中压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的上述金属标定系数，确定在压磁监测探头外层包裹与目标钻孔预设深度的上述岩体套芯相同弹性模量材料的岩体时各第二压磁感应元件的岩芯标定系数K_R；

S10214、根据各上述第二压磁感应元件对应的岩芯标定系数，确定该第二压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第二线性关系,上述第二线性关系表示为ΔS＝K_R×ΔV，ΔS表示压磁感应元件的预加压力变化量，ΔV表示压磁感应元件的电压降，每个第二压磁感应元件分别具有各自的岩芯标定系数，因此，每个第二压磁感应元件的第二线性关系之间可能互不相同。

如图5所示，给出了确定各第二压磁感应元件的金属标定系数的实现原理的结构示意图，在图5中，放置于标定仪器的套筒中央的是外层包裹金属套芯的压磁监测探头，此时，通过手动对压磁监测探头的前端设置的各第二压磁感应元件逐级加压和逐级卸压，同时，在右侧的显示屏上显示各第二压磁感应元件的电压降与预加压力之间的第二变化趋势，以压磁监测探头的前端设置三个第二压磁感应元件为例，此时显示屏上三条曲线，这三条曲线分别为压磁监测探头的前端设置的三个第二压磁感应元件的电压降与预加压力之间的第二变化趋势，进而根据各第二压磁感应元件的确定压磁监测探头外层包裹金属套芯时该第二压磁感应元件的金属标定系数。

具体地，考虑到由于在对压磁监测探头上的各第二压磁感应元件标定过程中，压磁监测探头外层包裹的是金属套芯，而非目标深度的原位岩体套芯，在后续实际监测第二压磁感应元件的电压降时，相当于压磁监测探头外层包裹的是岩芯套芯，并且压磁监测探头外层包裹的材料不同，将导致第二压磁感应元件的标定系数也不相同，因此，需要基于置于金属套芯中压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的金属标定系数，来确定在压磁监测探头外层包裹与所述目标钻孔预设深度的所述岩体套芯相同弹性模量材料的岩体时各所述第二压磁感应元件的岩芯标定系数。基于此，针对上述步骤S10213中的基于各置于金属套芯中压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的上述金属标定系数，确定在压磁监测探头外层包裹与上述目标钻孔预设深度的上述岩体套芯相同弹性模量材料的岩体时各上述第二压磁感应元件的岩芯标定系数，具体包括：

根据公式和各上述金属标定系数K_S，确定在压磁监测探头外层包裹与目标钻孔预设深度的岩体套芯相同弹性模量材料的岩体时各第二压磁感应元件的岩芯标定系数K_R；即将压磁监测探头外层包裹金属套芯时的标定系数转换为压磁监测探头外层包裹岩体套芯时的标定系数。

其中，K_R表示某一第二压磁感应元件的岩芯标定系数(即压磁监测探头外层包裹岩体套芯时第二压磁感应元件的标定系数)，K_S表示某一第二压磁感应元件的金属标定系数(即压磁监测探头外层包裹金属套芯时第二压磁感应元件的标定系数)，E_R表示岩体套芯的弹性模量，E_S表示金属套芯的弹性模量，E表示某一第二压磁感应元件自身的弹性模量，B表示某一第二压磁感应元件等效截面积，u_R表示岩体套芯的弹性变形量，u_S表示金属套芯的弹性变形量，a表示金属套芯的内径，b表示地壳岩体中监测钻孔的内径，该监测钻孔为放置压磁监测探头的钻孔。

其中，压磁感应元件在目标圆孔中受力状态下，可以使该压磁感应元件的套芯材料产生弹性变形为套芯的弹性变形量是与接触介质弹性模量有关的函数，岩体套芯的弹性变形量金属套芯的弹性变形量R表示套芯材料的内径，P是预加压力大小，即第二压磁感应元件位于目标钻孔预设深度处需要达到的起始压力值，也即第一压磁感应元件位于目标钻孔预设深度处套芯解除前后的岩体应力变化量。

其中，针对步骤S102中的利用压磁套芯解除法确定目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力，具体包括：

步骤1、基于上述第一压磁感应元件与岩体侧壁接触且第一压磁感应元件所受外力达到预设阈值的状态，确定第一压磁感应元件的压力解除前电压；以及，

步骤2、基于外层包裹岩体套芯的压磁解除探头被取出后的状态，确定上述第一压磁感应元件的压力解除后电压；

步骤3、根据上述压力解除前电压和上述压力解除后电压确定各第一压磁感应元件的压力解除前后电压降值；

步骤4、在将取出的外层包裹岩体套芯的压磁解除探头放置于标定仪器的套筒中央后，对压磁解除探头前端设置的各第一压磁感应元件逐级加压和逐级卸压；以及，

步骤5、记录各第一压磁感应元件的电压降与预加压力之间的第一变化趋势，并根据该第一变化趋势确定各第一压磁感应元件的预加压力变化量与电压降之间的第一线性关系，上述第一线性关系表示为ΔS＝K×ΔV，ΔS表示压磁感应元件的预加压力变化量，ΔV表示压磁感应元件的电压降，每个第一压磁感应元件分别具有各自的岩芯标定系数，因此，每个第一压磁感应元件的第一线性关系之间可能互不相同。

在本步骤中，确定各第一压磁感应元件的第一线性关系的实现原理过程，详见图5中确定各第二压磁感应元件的金属标定系数的实现原理过程，此时放置于标定仪器的套筒中央的是外层包裹岩体套芯的压磁解除探头，在右侧的显示屏上显示各第一压磁感应元件的电压降与预加压力之间的第一变化趋势，其他在此不再赘述。

步骤6、根据上述第一线性关系、以及上述压力解除前后电压降值，确定各第一压磁感应元件所在方向的岩体应力的大小；

步骤7、根据各上述第一压磁感应元件所在方向的上述岩体应力的大小，确定上述目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力，具体地，已知三个以上压磁感应元件的方向和应力值，可以计算出垂直于钻孔平面的最大主应力值和最小主应力值及其方向。

具体地，如图6所示，给出了利用压磁套芯解除法测量地应力的过程在目标位置进行钻孔的示意图，其中，利用压磁套芯解除法测量地应力的具体过程为：

(1)选定地壳岩体平面主应力的待测量的目标钻孔预设深度，优选的，该目标钻孔预设深度具有地势起伏小、岩体完整、远离断层、远离大面积破碎带的特点；

(2)在该目标钻孔预设深度树立钻塔并安装钻机，使用直径130mm钻具在测量点垂直向下打孔即图6中“1”的上部大钻孔，进入完整岩体中至目标钻孔预设深度(预设深度需要岩体完整，没有裂隙)，以及使用喇叭状钻头在目标深度位置处打喇叭口即图6中“1”的下端喇叭口(便于小孔成型及压磁解除探头的放置)；

(3)使用直径36mm钻头沿喇叭口垂直向下钻进约40cm即图6中“2”的下部小钻孔，并取出小岩芯，观察小岩芯上是否存在裂隙痕迹确定是否将该位置进行地应力测量；

(4)使用清水对小钻孔进行清洗，以防止泥沙对测量结果产生干扰；

(5)将压磁解除探头放置于距地壳表面预设深度处形成的岩体钻孔内，见图6中“3”，通过外接主控装置驱动加力装置依次开始控制压磁解除探头前端的第一压磁感应元件沿直径方向向外伸出，逐渐挤压至岩体钻孔的岩壁上，记录挤压力量值；当挤压力量值达到预设阈值时，停止控制第一压磁感应元件沿直径方向向外伸出；以及通过定向装置测量各第一压磁感应元件的相对于磁北极的方位角；

(6)套芯与解除：取出定向装置和加力装置，使用直径130mm钻具将带有压磁解除探头前端部分的岩体套芯钻取出，见图6中“4”，包裹压磁解除探头前端的岩体套芯逐渐与周围的地壳岩体的地应力作用隔绝，至少三个第一压磁感应元件的受力发生明显变化，记录各自挤压力量值变化的大小，直径130mm钻具达到一定深度时，拧断岩芯，将岩体套芯和压磁解除探头取出；其中，压力解除前电压：每个第一压磁感应元件施加一个预加压力P₁，P₂，P₃……，此时对应的各第一压磁感应元件电压为V₁，V₂，V₃……；压力解除后电压：在套取岩芯的过程中，由于小孔和岩体应力环境逐渐隔离，第一压磁感应元件上承受的压力减小为P₁'，P′₂，P′₃……，此时对应第一压磁感应元件电压降减小为V₁'，V′₂，V′₃……；电压降变化量所对应的应力变化量的确切值ΔS₁，ΔS₂，ΔS₃……，其中，ΔS₁表示序号为1的第一压磁感应元件的压力变化量，ΔS₂表示序号为2的第一压磁感应元件的压力变化量，ΔS₃表示序号为3的第一压磁感应元件的压力变化量。

(7)现场标定：将取出的外套岩体套芯的压磁解除探头放置于标定仪器中，使压磁解除探头的第一压磁感应元件位于标定仪器的套筒中央，以使至少三个第一压磁感应元件受压均匀；通过油压泵对第一压磁感应元件逐级加压和逐级卸压，重复逐级加压和逐级卸压若干次；记录各第一压磁感应元件的电压降随预加压力之间的变化趋势，并根据该变化趋势确定预加压力和电压降之间的第一线性关系；根据该第一线性关系和解除前后的电压差值确定地应力的大小和方向，图示参见图5。

其中，利用压磁套芯解除法，获取地壳岩体目标位置的基准平面主应力的理论依据，具体为：

如图7所示，假设某圆孔的无限大平板受到应力σ₁和σ₂作用，相当于有两个主应力σ₁和σ₂作用在有一半径为a的圆孔的无限大平板上，根据弹性力学分析，圆孔外任意一点M处的应力为：

M点的径向应力

M点的切向应力

M点的剪应力

在上述公式中σ_r为M点的径向应力，σ_θ为M点的切向应力，τ_rθ为M点的剪应力，r为M点到圆孔中心的距离，θ为M点与其中应力场之间的夹角，当r＝a时，即为圆孔壁上的应力状态。

根据上述公式可以确定钻孔岩石周围的应变状态，作为一种特殊情况，在本发明提供的实施例中考虑钻孔孔壁的变形量u，压磁感应元件可以记录到因测量元件变形u而产生的电压降ΔV。根据标定结果，压力与电压降的线性关系为S＝K×ΔV,其中K为线性系数。每一个压磁感应元件都有一个类似关系，对于压磁探头前端设置有6个压磁感应元件的情况，则有6个不同的线性系数。每一个压磁感应元件在岩体平面主应力σ₁和σ₂的作用下，感受到的压力S有如下关系：

依次类推，针对6个压磁感应元件的情况，可以同时测量得到6个不同方向的压力变化量值S₁，S₂，S₃，S₄，S₅和S₆。由最小二乘法，可以计算得到测量点平面的主应力σ₁和σ₂的量值大小和各自方向。

其中，由于采用压磁套芯解除法测量地壳岩体的平面主应力的过程中，需要解除地壳岩体对压磁解除探头的岩体应力，将包裹压磁解除探头前端的岩体套芯取出，通过标定仪器测量压磁解除探头外层包裹岩体套芯时各第一压磁感应元件的第一线性关系，进而确定某一时刻目标钻孔预设深度处的地壳岩体平面主应力。也就是说，采用压磁套芯解除法只能测得某一时刻的地壳岩体的平面主应力，而无法持续观测任一时刻地壳岩体的平面主应力。接下来，需要将压磁监测探头放置于已取出包裹岩体套芯的压磁解除探头的目标钻孔预设深度处，并且将第二压磁感应元件的受力大小和受力方向还原至与在岩体套芯解除过程中该岩体套芯四周的地壳岩体对各第一压磁感应元件的应力变化量和应力方向一致，进而实时测量还原后平面主应力量值和方向的变化趋势，从而能够连续测量得到地壳岩体的目标钻孔预设深度任一时刻的平面主应力，进而实现对该目标钻孔预设深度的地壳岩体平面主应力的实时监测；基于此，针对步骤S103中的调整上述压磁解除探头上各第二压磁感应元件的受力状态，具体包括：

步骤一、基于上述压磁解除探头前端的各第一压磁感应元件位于目标钻孔预设深度处的相对于磁北极的方向，通过定向装置调整压磁监测探头上各第二压磁感应元件的相对于磁北极的方向，以使各第二压磁感应元件与各第一压磁感应元件的相对于磁北极的方向一一对应；

步骤二、基于上述压磁解除探头前端的各第一压磁感应元件位于上述目标钻孔预设深度处解除前后的岩体应力变化量，通过加力装置调整压磁监测探头上各第二压磁感应元件所受压力，以使各第二压磁感应元件的受力大小与在岩体套芯解除过程中该岩体套芯四周的地壳岩体对各第一压磁感应元件的应力变化量一致。

具体地，在为压磁监测探头前端设置的至少三个第二压磁感应元件施加预加应力的过程中，需要保持原来压磁解除探头前端设置的第一压磁感应元件的方向同样为α₁，α₂，α₃……相应不变，且将各第二压磁感应元件与大孔孔壁岩体接触的应力由零增加到预定的应力值。当压磁监测探头各第二压磁感应元件达到对应方向时，将α₁，α₂，α₃……方向的第二压磁感应元件依次施加压力，根据压磁监测探头的各第二压磁感应元件的电压降和应力值的标定关系，使各第二压磁感应元件对应的应力值达到ΔS₁，ΔS₂，ΔS₃……。

具体地，考虑到无论是压磁解除探头还是压磁监测探头，其前端设置的压磁感应元件越多，测量精度就越高，但相应地成本也越高，兼顾器件成本和采集到的数据利用价值，在本发明提供的实施例中，优选的，上述压磁解除探头的前端设置有六个第一压磁感应元件，两两相邻第一压磁感应元件之间俯视夹角为30°；

上述压磁监测探头的前端设置有六个第二压磁感应元件，两两相邻第二压磁感应元件之间俯视夹角为30°。

其中，无论是压磁解除探头还是压磁监测探头，其前端设置的压磁感应元件的数量为6的主要原因如下：

(1)在利用压磁套芯解除法测量目标钻孔预设深度处地壳岩体的基准平面主应力时，至少需要3个压磁感应元件的压力变化信息，如果有多余3个、或者本实施例中的6个压磁感应元件的压力变化信息，则可以保证通过一次测量就获得可信赖的、足够高的精确度；

(2)每次测量中，每次至少有3个压磁感应元件的数据参与计算，可以独立得到测量点的地应力状态，那么能够得到组地应力状态，这20组地应力信息，根据最小二乘法可以确保一次成功的测量就可以得到测量点高度精确的地应力状态；

(3)针对在压磁探头前端设置六个压磁感应元件的情况，两两相邻压磁感应元件之间俯视夹角为30°，因此，在将压磁监测探头放置于已取出包裹岩体套芯的压磁解除探头的目标钻孔预设深度处时，由于六个第二压磁感应元件在压磁监测探头前端的布置方位与六个第一压磁感应元件在压磁解除探头前端的布置方位完全相同，因此，只要一个第二压磁感应元件与一个第一压磁感应元件对准方向，则其余的五个第二压磁感应元件与其余五个第一压磁感应元件自动对准，从而实现将压磁监测探头的六个第二压磁感应元件的空间相对方位保持与套芯解除前的压磁解除探头的六个第一压磁感应元件完全一致，同时，在整个对准还原过程中，操作十分方便；

(4)在监测调整后任一时刻压磁监测探头上各第二压磁感应元件的电压降过程中，即使压磁监测探头有1-2个第二压磁感应元件损坏或者数据异常，都可以舍弃不用，仍有组或组数据可用，且能保证足够的测量精度，即使有3个第二压磁感应元件损坏或者异常，仍有3个压磁感应元件可以保证最低的测量有效性；反过来，任意3个压磁感应元件组合测量的结果应该相同，若有某一或某些组合测量结果与大多数组合存在明显偏差，则可以通过比对检验出数据异常或者无效的第二压磁感应元件。可以说，这两方面互相验证并确保了监测结果的有效性、准确性和可靠性；

(5)两两相邻压磁感应元件之间俯视夹角为30°，该角度属于特殊角，不仅加工制作和安装方便，而且计算简便。

其中，假设用于放置压磁解除探头的钻孔的孔径为R₂用于放置压磁监测探头的钻孔的孔径为R₁，R₁＞R₂，然而，基于压磁解除探头和压磁监测探头的地壳岩体应力状态，能够连续监测目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力，从而获得该目标钻孔预设深度处连续的应力信息的主要原因为：

钻孔地应力测量和长期监测的基础是平面应力问题，其理论依据是无限大平板内圆孔孔壁的弹性变形问题，因此，不论是获取基准平面主应力的钻孔孔径为R₂的小孔，还是开展连续测量应力变化量的钻孔孔径为R₁的大孔，相对于无限大的地壳岩体而言，这种孔径尺寸变化或差别可以忽略不计，即可以认为R₁与R₂近似相等，也就是说，可以视为对目标钻孔预设深度处的地壳岩体应力状态没有影响，从而采用压磁监测探头前端的各第二压磁感应元件在相应方向上恢复压磁解除探头前端的各第一压磁感应元件解除套芯前的平面基准主应力状态理论上是可行的。

需要说明的是，上述地壳岩体平面应力的连续测量方法可以用于水电、矿山、隧道领域等硐室结构中岩体应力的实时连续测量，也可用于活动断层附近地壳应力变化的实时连续测量。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种地壳岩体平面应力的测量系统，由于这些系统所解决问题的原理与前述测量方法相似，因此该系统的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例还提供一种地壳岩体平面应力的连续实时测量系统，该系统包括：应力测量设备；该应力测量设备应用上述地壳岩体平面应力的连续测量方法测量目标钻孔预设深度处任一时刻地壳岩体的平面主应力。

其中，上述应力测量设备包括：主控装置、定向装置、加力装置、压磁解除探头和压磁监测探头。

针对利用压磁套芯解除法确定目标钻孔预设深度处地壳岩体的平面主应力的过程，具体的：

上述定向装置，用于在主控装置控制下，测量压磁解除探头前端的各第一压磁感应元件的相对于磁北极的方位角；

上述加力装置，用于在主控装置控制下，依次开始控制压磁解除探头前端的各第一压磁感应元件沿直径方向向外伸出，直到第一压磁感应元件与岩体侧壁接触且第一压磁感应元件所受外力达到预设阈值。

针对调整压磁解除探头上各第二压磁感应元件的受力状态的过程，具体的：

上述定向装置，用于在主控装置控制下，调整压磁监测探头上各第二压磁感应元件的相对于磁北极的方向，以使各第二压磁感应元件与各第一压磁感应元件的相对于磁北极的方向一一对应；

上述加力装置，用于在主控装置控制下，调整压磁监测探头上各第二压磁感应元件所受压力，以使各第二压磁感应元件的受力大小与在岩体套芯解除过程中该岩体套芯四周的地壳岩体对各第一压磁感应元件的应力变化量一致。

进一步的，上述系统还包括：标定仪器，该标定仪器，用于对放置于其套筒中央的压磁解除探头或压磁监测探头逐级加压和逐级卸压。

具体的，上述压磁解除探头的前端设置有六个第一压磁感应元件，两两相邻第一压磁感应元件之间俯视夹角为30°；

上述压磁监测探头的前端设置有六个第二压磁感应元件，两两相邻第二压磁感应元件之间俯视夹角为30°。

在本发明实施例提供的地壳岩体平面应力的测量系统中，首先，利用压磁套芯解除法确定目标钻孔预设深度处地壳岩体的基准平面主应力，以及确定压磁监测探头上的各第二压磁感应元件的第二线性关系；然后，基于压磁解除探头设置于目标钻孔预设深度处的受力状态，调整放置于相应位置处的压磁解除探头上各第二压磁感应元件的受力状态；最后，实时测量调整后任一时刻压磁监测探头上各第二压磁感应元件的电压降，根据基准平面主应力、第二线性关系和当前电压降确定当前平面主应力。这样能够实时获取目标钻孔预设深度处的任一时刻的绝对地壳岩体平面主应力，从而实现对地壳岩体中某一目标钻孔预设深度的平面主应力的实时监测。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。