专利名称：煤矿井下地质力学参数快速测试方法及装备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在煤矿井下快速测定地质力学参数的方法及实施该方法所使用的深孔窥视仪，该方法及装备也可应用于其它采矿、建筑、电力、水利、军工等部门的地下岩土工程现场的地质力学测试。
背景技术：
巷道围岩是一个极其复杂的地质体，一切与围岩有关的的工作，都离不开对围岩地质力学参数的充分了解。地质力学参数包括围岩结构、围岩强度、地应力等。在进行煤矿巷道布置、巷道及硐室支护设计之前，都要进行地质力学参数的测试，从而保证巷道布置和支护设计的合理性和巷道的安全程度。
目前国内的地质力学参数测试，由于缺乏快速、方便的测试仪器和方法，致使参数测试成为一件非常繁琐、耗费大量人力物力和时间的工作。以往巷道、硐室支护设计是根据地质探测数量有限的柱状图和少量的地质力学资料进行的，通常的做法是在实验室用岩芯加工成试件，通过岩块测试岩石力学参数，并且对围岩的裂隙和层理的发育状况不进行观测，也不测试地应力基础参数，致使很难做出合理设计；几种参数的测试不能在同一岩石钻孔内进行，测试工作复杂、效率很低；摄像照明需要较高电压，容易引起爆炸。
发明内容
本发明的目的就是提供一种煤矿井下地质力学参数快速测试方法及深孔窥视仪，以解决现有技术存在的工作效率低、测试工作复杂、耗费大量人力物力和时间；很难做出合理设计；几种参数的测试不能在同一岩石钻孔内进行，不防爆的问题。可在有可燃性气体环境的煤矿或其它矿山的巷道或硐室，通过一个岩石钻孔，可快速测试地质力学参数的方法和装备。
本发明的技术方案包括
一种测试方法首先钻出测试孔，在同一钻孔内，可快速测得围岩结构、围岩强度及地应力参数。
采用深孔窥视仪对整个钻孔进行结构观测；钻孔上部采用水压致裂地应力测试装置测试地应力；钻孔下部采用围岩强度测定仪测试岩石的抗压强度和弹性模量。具体测试方法如下(1)深孔围岩结构窥视用一种带有侧向装置深孔窥视仪测试围岩结构。这种窥视仪有图像放大、方向定位、摄像和信息存贮装置。通过钻孔对巷道围岩结构、层理、节理发育状况进行观测、记录、分析，可确定围岩结构的层理、节理大小、方位、分布状态。
(2)水压致裂地应力测试在同一个钻孔内用水压致裂法可快速测定原岩应力状态。水压致裂法是在钻孔内将钻孔部分封闭段，注入高压水，当水压达到临界值时，在小孔边界产生裂纹，根据小孔受力分析，由实测可得岩石破裂压力、瞬间闭压力、重张压力、裂纹方向，便可确定原岩应力大小、最大水平主应力作用方向和岩石抗拉强度。裂纹方向为最大水平主应力方向，该方向用带有方向测试装置的窥视仪确定。
(3)岩石强度测定围岩强度测试工作使用同一个钻孔。采用围岩强度测定仪，通过高压探针压碎钻孔岩体确定岩石抗压强度和弹性模量。围岩强度测定仪探头系数采用统计方法在大量对比试验中确定。
本发明所包含的装备有窥视仪、水压致裂地应力测试装置、围岩强度测定仪，后面装置为现有装置。
本发明的有益效果是提供了在一个钻孔内用窥视仪、水压致裂法和岩石强度测定仪进行煤矿井下地质力学参数快速测试的方法，该方法经济、快速。新型的窥视仪具有摄制钻孔前方和侧壁图像并储存的双重功能，结构合理简单，功能可靠实用。
图1是本发明测试方法的过程示意框图；图2是本发明测试方法中使用的测试孔示意图；图3是本发明窥视仪的构成框图；图4是本发明窥视仪的电子窥镜的剖视结构示意图；图5是本发明测试方法中使用窥视仪再测试孔内进行测试时的示意图。
具体实施例方式
参见图1～图5，本发明的测试方法再实施时的步骤如下A、首先在煤矿井下巷道1内打设一个20-30m的垂直测试孔2，用输送杆3将窥视仪4的电子窥镜5送入测试孔2内。
B、对整个测试孔2的围岩结构状况进行观测并记录，以确定围岩结构的层理、节理和裂纹等结构面的大小、方位、分布状态，并找出数个完整段，具体步骤包括利用所述的窥视仪4和5测试图像放大、方向定位、摄像和信息存贮；通过测试孔2对巷道围岩层理、节理和裂纹等结构面的发育状况进行观测、记录、分析，可确定围岩层理、节理和裂纹等结构面的大小、方位和分布状态。然后撤出窥镜5。
C、再采用水压致裂地应力测试装置压裂窥视仪观测到的岩石完整段，所述的水压致裂法是在将测试孔2上半部分封闭段，注入高压水，在水压和原岩应力作用下，当水压达到临界值时，在小孔边界产生裂纹，根据小孔受力分析，由实测可得岩石破裂压力、瞬间关闭压力、重张压力、裂纹方向，便可确定原岩应力大小、最大水平主应力方向和岩石抗拉强度；其裂纹方向为最大水平主应力方向，该方向用带有方向测试装置的窥视仪4确定(参见下面的D条内容)。通过采集仪采集压裂曲线，撤出地应力测试装置；D、随后再将窥镜5送入测试孔2内，利用窥镜5观测出岩石的压裂曲线并确定压裂方向，退出窥镜5；所述的岩石强度测定工作使用同一个测试孔，采用围岩强度测定仪，通过高压探针压碎钻孔岩体确定岩石抗压强度和弹性模量，围岩强度测定仪探头系数采用统计方法在大量对比试验中确定。
E、通过安装杆6送入围岩强度测定仪，对测试孔2下半部围岩强度进行测定并记录，完成全部测试。
上述方法中使用的水压致裂地应力测试装置和围岩强度测定仪为现有技术。
参见图3～图5，本发明一种所述的方法所使用的带有侧向装置的深孔窥视仪，其特征在于包括电子窥镜5、输送杆3和主机(电路部分)4，电子窥镜5连接在输送杆3的下端，电子窥镜5通过电缆与主机4连接。输送杆3有多节通过螺纹同轴连接。
所述的电子窥镜5包括外壳56、反光镜52、孔壁摄像头54、侧向摄像头55和侧向指南针57，在圆筒形外壳56的下部侧面设有透明的摄像窗口53，在该摄像窗口53周边和侧向摄像头55周边设有发光二极管58；所述的反光镜52呈45度角安装在所述的外壳56内部面向摄像窗口53处，孔壁摄像头54和侧向摄像头55背对背装于所述的外壳内的反光镜52的上方(即附图4中的右方)，其中孔壁摄像头54面对所述的反光镜52的反光面，侧向摄像头55面对设置在外壳内部上方的指南针57；测试孔壁图像信号该经反光镜52反射至孔壁摄像头54，其作用是增大孔壁图像面积和清晰度，同时更能适应矿井淋水和湿度大的工作环境；该摄像头的信号输出端通过所述的电缆穿过上端输送杆与所述的主机连接。
在所述的外壳56的外侧设有沿外壳圆周分布的至少三个中心定位装置51，用于将窥镜5定位在不同直径的测试孔的中心位，以得到清晰的图像。
所述的孔壁摄像头54和侧向摄像头55为常规结构，包括物镜和图像传感器，该图像传感器采用CCD电荷耦合器件。(参见图3)当然也可采用其它类型和技术参数的图像传感器。
所述的主机4包括(参见图3)(1)模数转换器主要功能是将图像传感器输出的AV信号转换成数字信号，并传送到图像处理单元；(2)数字图像处理单元分辩和解读图像数据，优化图像信号。其中包括白平衡，彩色平衡。伽玛校正和边缘矫正，数字压缩，减少存储空间；(3)图像存储器内存SRAM内存芯片(Flash Memory)，快闪存储器，外存，可移动存储器(SD卡)；(4)显示器选用5英寸液晶AV显示器。
权利要求
1.一种煤矿井下地质力学参数快速测试方法，首先在作业地点钻出一个测试孔，其特征在于在所述的测试孔进行以下测试步骤(1)深孔围岩结构窥视用一种带有侧向装置深孔窥视仪的窥镜测试围岩结构参数；(2)水压致裂地应力测试在所述的测试孔内用水压致裂法快速测定原岩应力状态；(3)观测出岩石的压裂曲线和压裂方向随后再将所述的窥视仪窥镜送入所述的测试孔内，利用窥镜上的定向装置观测出岩石的压裂曲线并确定压裂方向；(4)岩石强度测定在同一个岩孔内测定围岩抗压强度和弹性模量。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下地质力学参数快速测试方法，其特征在于所述的深孔围岩结构窥视步骤包括利用所述的这种窥视仪测试图像放大、方向定位、摄像和信息存贮；通过钻孔对巷道围岩结构、层理、节理发育状况进行观测、记录、分析，可确定围岩结构的层理、节理大小、方位和分布状态。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下地质力学参数快速测试方法，其特征在于所述的水压致裂法是在测试孔上部封闭一段钻孔，注入高压水，当水压达到临界值时，在小孔边界产生裂纹，根据小孔受力分析，由实测可得岩石破裂压力、瞬间关闭压力、重张压力、裂纹方向，便可确定原岩应力大小、最大水平主应力作用方向和岩石抗拉强度；裂纹方向为最大水平主应力方向，该方向用带有方向测试装置的窥视仪确定。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下地质力学参数快速测试方法，其特征在于所述的岩石强度测定工作使用同一个测试孔，采用围岩强度测定仪，通过高压探针压碎钻孔岩体确定岩石抗压强度和弹性模量，围岩强度测定仪探头系数采用统计方法在大量对比试验中确定。
5.根据权利要求1～4任何一项所述的方法所使用的装备，水压致裂地应力测试装置和围岩强度测定仪，其特征在于还包括深孔窥视仪，该深孔窥视仪包括电子窥镜、输送杆和主机，电子窥镜连接在输送杆的下端，电子窥镜通过电缆与主机连接。
6.根据权利要求5所述的煤矿井下地质力学参数快速测试装备，其特征在于所述的电子窥镜包括外壳、反光镜、孔壁摄像头、侧向摄像头和侧向指南针，在圆筒形外壳的下部侧面设有透明的摄像窗口，在该摄像窗口周边设有发光二极管；所述的反光镜呈度角安装在所述的外壳内部面向摄像窗口处，孔壁摄像头和侧向摄像头背对背装于所述的外壳内的反光镜的上方，其中孔壁摄像头面对所述的反光镜，侧向摄像头面对设置在外壳内部上方的指南针；岩石孔壁图像信号该经反光镜反射至孔壁摄像头，其作用是增大孔壁图像面积和清晰度，同时更能适应矿井淋水和湿度大的工作环境；该摄像头的信号输出端通过所述的电缆穿过上端输送杆与所述的主机连接。
7.根据权利要求6所述的煤矿井下地质力学参数快速测试装备，其特征在于在所述的外壳外侧设有中心定位装置，用于将窥镜定位在不同直径的钻孔的中心位，以得到清晰的图像。
8.根据权利要求6所述的煤矿井下地质力学参数快速测试装备，其特征在于所述的孔壁摄像头和侧向摄像头包括物镜和图像传感器，该图像传感器采用CCD电荷耦合器件。
9.根据权利要求5或6所述的煤矿井下地质力学参数快速测试装备，其特征在于所述的主机包括(1)模数转换器主要功能是将图像传感器输出的AV信号转换成数字信号，并传送到图像处理单元；(2)数字图像处理单元分辩和解读图像数据，优化图像信号。其中包括白平衡，彩色平衡。伽玛校正和边缘矫正，数字压缩，减少存储空间；(3)图像存储器内存SRAM内存芯片(Flash Memory)，快闪存储器，外存，可移动存储器(SD卡)；(4)显示器选用5英寸液晶AV显示器。
全文摘要
一种煤矿井下地质力学参数快速测试方法及装备，在作业地点钻出测试孔；用一种带有侧向装置深孔窥视仪的窥镜测试围岩结构参数；在所述的测试孔内用水压致裂法快速测定原岩应力状态；随后再将所述的窥视仪窥镜送入所述的测试孔内，利用窥镜上的定向装置观测出岩石的压裂曲线并确定压裂方向；在同一个钻孔内测定围岩抗压强度和弹性模量。本发明的有益效果是提供了在一个岩孔内用窥视仪、水压致裂法和岩石强度测定仪进行煤矿井下地质力学参数快速测试的方法，该方法经济、快速。新型的窥视仪具有摄制钻孔前方和侧壁图像并储存的双重功能，结构合理简单，功能可靠实用。
文档编号E21C39/00GK1818337SQ20061006602
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月27日 优先权日2006年3月27日
发明者康红普, 林健, 张晓 , 吴拥政 申请人:天地科技股份有限公司