专利名称：基于bwsrm原理的水平孔地应力测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种岩石工程测量技术领域的装置，具体是一种基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置。
背景技术：
地壳的应力状态是地壳最重要的性质之一，充分认识和理解地壳应力状态是岩石力学与工程科学中十分重要的问题之一。原位地应力测量是获取地壳应力状态资料最直接、最可靠的手段，与岩石材料的其它性质参数相比，岩石应力是一个很难准确测量的量。 多年来，地质学家、地球物理学家和工程技术人员围绕地应力测量这一课题做了大量的研究工作，至今仍然未能得到一个比较满意的结果。就目前在岩石力学与工程中最常用的套芯应力解除法和水力压裂法两种地应力测量方法而言，前者往往由于要套钻较长的岩芯使其在深孔中使用时易发生断芯问题而导致测量无效，后者所做的某一主应力方向与钻孔轴线方向一致的假定与实际情况可能会有很大误差而使得测试结果的可靠性存在疑问。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利《地质钻孔孔壁围岩应变测量装置》 (侯明勋，涂光骞，葛修润·发明专利号ZL200810034564. I.国家知识产权局，2011年04 月)中提出了采用BWSRM法如何在垂直深钻孔中进行孔壁围岩应变测量的技术实施途径，所提出的围岩应变测量装置主要由提升机构、密封电缆接头、电子设备仓、多路应变测量仪、 计算机控制单元、冷却泵仓、上封隔器、应变测量主工作部、推送机构、内缸套、下封隔器、下设备仓、外缸套等构成，其中提升机构与外缸套的上端部相连接，密封电缆接头与电子设备仓相连，作为电子设备仓的输出端口，电子设备仓位于提升机构下方，电子设备仓内设置有多路应变测量仪和计算机控制单元，电子设备仓下方设有冷却泵仓，冷却泵仓下方设有上封隔器，上封隔器与外缸套固定连接，下封隔器与外缸套下端部固定连接，应变测量主工作部与内缸套、推送机构装配成一体，并置于上封隔器和下封隔器之间，下设备仓位于外缸套的尾部。该装置主要是用于测定近垂直钻孔孔壁围岩的正应变，无法适用于在地下洞室或矿山巷道近水平孔内的岩体三维地应力测量，其实用性受到一定的限制。发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置，适用于在地下洞室或矿山巷道里近水平孔内用于测量岩体三维地应力。通过将本装置用钻杆推送至水平孔内远离地下洞室或矿山巷道开挖扰动区外的某一钻孔深度的过程中，利用安装在其前端部的摄像头可以观测孔壁的质量状况，再结合水平孔成孔过程中获得的钻探资料来选择符合地应力测量要求的一小段局部孔段，待选定好适合进行应力解除作业的孔壁壁面(工作面)后，将设备支撑固定于水平孔内；然后对工作面进行必要的打磨和干燥处理，用预先设计的应变感应器贴片机构把防水应变感应器粘贴到工作面上， 待应变感应器与工作面充分胶结固化后，启动切割机具在贴好应变片的工作面上进行环形切割钻进作业以对孔壁围岩实施应力解除，这样储存于被解除岩样的岩石应力即被释放，4由此引起的工作面的应变变化就被粘贴在其上的应变感应器记录了下来。只要在水平钻孔内所选定的这一小段局部孔壁上用此方法测得几个不同部位的正应变值，然后把这些应变测量值组合起来，并根据岩石材料的本构关系即可确定该局部孔段围岩(测量点)的地应力分量，从而也就确定了测量点的初始地应力状态。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括密封电缆接头、应变测量主工作部、多路应变测量仪、测量控制单元和探测部，其中密封电缆接头与应变测量主工作部的前端相连作为整个装置的动力电缆和通信电缆的输出端口，应变测量主工作部依次与用于记录薄壁金刚石取芯钻头对钻孔孔壁围岩实施环形切割过程中工作面上应变的变化的多路应变测量仪、测量控制单元以及用于在水平钻孔内推进整个设备入孔至工作孔深过程中观测和记录钻孔孔壁的质量状况并为选择实施应力解除的局部孔段提供参考依据的探测部相连并传输检测信息。
所述的多路应变测量仪、测量控制单元以及探测部均设置于电子设备仓内并与设置于水平孔的孔口的主控箱内的主控制模块相连接。
所述的应变测量主工作部包括含有薄壁金刚石取芯钻头及带键齿钻具套的环形槽切割装置、岩石表面打磨组件、喷涂胶及应变片剥离组件、应变片贴片组件、工作过程状态检测元件、前基座和后基座，其中带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头通过螺纹固定连接，岩石表面打磨组件固定在前基座上，喷涂胶及应变片剥离组件固定于后基座上并位于薄壁金刚石取芯钻头的前上侧，应变片贴片组件设置在由薄壁金刚石取芯钻头及带键齿钻具套所形成的筒体内，工作过程状态检测元件设置在薄壁金刚石取芯钻头的外侧。
所述的应变测量主工作部上还设有窥视元件，该窥视元件为一组用于观测记录薄壁金刚石取芯钻头钻进和喷涂胶及应变片剥离组件工作状态的摄像头。
所述的环形槽切割装置中还包括旋转驱动电机、主轴箱、进给步进电机、进给机构轴箱、钻具座、进给机构支座、进给推送丝杆和反力支撑机构，其中旋转驱动电机的输出端水平固定在后基座上，旋转电机输出端与主轴箱主动轴相连，而主轴箱的输出轴与轴线处于竖直方向的带键齿钻具套相连，并支撑于钻具座上，钻具座的楔形底部装配在进给机构支座的楔形槽内，进给机构支座与进给机构轴箱固定连接，进给步进电机水平放置在应变测量主工作部前侧且其轴线与带键齿钻具套轴线平行，进给步进电机主轴与进给机构轴箱输入端相连，进给机构轴箱输出端与进给推送丝杆相连，反力支撑机构位于带键齿钻具套后端部并与进给推送丝杆铰接。
所述的岩石表面打磨组件包括打磨电机、打磨机构和打磨臂，其中打磨电机主轴与打磨机构相连，打磨机构为一铰链连杆机构且前端与打磨臂相连，打磨电机、打磨机构均固定设置于后基座上。
所述的喷涂胶及应变片剥离组件包括喷涂剥离电机、喷涂剥离机构、喷涂臂和剥离臂，其中喷涂剥离电机水平紧固在后机座上，喷涂剥离电机的轴线与旋转驱动电机轴线平行，喷涂剥离电机的主轴端与喷涂剥离机构相连接，喷涂臂和剥离臂分别与喷涂剥离机构相连接，喷涂臂位于薄壁金刚石取芯钻头筒体的前上方且在工作状态时通过工作窗向工作面喷涂粘结剂，剥离臂位于薄壁金刚石取芯钻头筒体的外侧且当剥离臂处于工作状态时则位于薄壁金刚石取芯钻头的正前方，用于应变测量结束时剪断应变片的连接导线，便于回收钻具至钻孔内。
所述的应变片贴片组件包括应变片贴片机构和贴片臂，其中应变片贴片机构的后端部与带键齿钻具的后端部相连接，并固定在内缸套的侧壁上，应变片贴片机构的前端安装有贴片臂，在贴片臂的臂首部位设置有圆形槽，圆形槽内设置有出线孔，应变感应器安装在圆形槽内，应变感应器连接导线通过出线孔输出并连接至电子设备仓中的多路应变测量仪。
所述的工作过程状态检测元件用于实时检测环形槽切割装置在钻进作业过程中进给步进电机和薄壁金刚石取芯钻头的工作状态，并将钻进深度、钻压、钻速等参数传输到电子设备仓中的测量控制单元，以便对钻进过程进行实时控制。
所述的密封电缆接头通过多芯电缆与水平地质钻孔的孔口外的主控制模块进行通信。
所述的应变测量主工作部的前后端均设有支撑，其中通过前支撑实现应变测量主工作部的前端与密封电缆接头的固定连接，通过后支撑实现应变测量主工作部的后端与多路应变测量仪的固定连接。
所述的前支撑和后支撑均为三分量的伸缩机械机构，在微型电机的驱动下其相间 120°的三个圆柱形支杆可以同时外伸而将整个设备牢固地支撑到水平钻孔的孔壁上；当工作结束时，三个圆柱形支杆在微型电机的反向驱动下可以收缩而便于设备收回。
所述的前基座设置于前支撑的后端部并于前支撑固定连接，所述的后基座设置于应变测量主工作部的中后部并通过三根等圆周角布置的水平圆柱形支杆与前基座固定连接。
所述的测量装置可与设置于水平孔内的绳索取芯钻杆及孔口支撑架相连，绳索取芯钻杆和孔口支撑架是作为在水平孔内推送和拉出设备的辅助部分。
所述的孔口支撑架是一小段坚固的圆柱筒体，其内部是三个相间120°排列的滚动轴承，钻杆在其中前后移动时便于推送设备入孔。
本发明中，首先将装配成整体的水平孔地应力测量设备主体放置在水平钻孔孔口内，地应力测量设备主体通过密封电缆接头与绳索取芯钻杆相连接，而绳索取芯钻杆从孔口支撑架的中孔穿过，孔口支撑架固定于孔口 ；在通过绳索取芯钻杆推送设备入孔的过程中，开启位于探测部的摄像头观测和记录钻孔孔壁的质量状况，在推送至预定孔深位置附近，选择工作面；根据设备外筒体上工作窗与探测部之间的相对位置关系，推送设备前移使工作窗处于选择的工作面位置；张开与外筒体装配在一起的前支撑和后支撑将整个设备固定在水平钻孔内；
启动打磨电机，打磨机构开始驱动打磨臂通过工作窗伸出到工作面附近，打磨臂臂首的精磨具按设定的压力和速度，对工作面进行打磨，打磨周期结束后，打磨臂收回并复位，关闭打磨电机；启动喷涂剥离电机，喷涂剥离机构按喷涂胶方式工作，粘胶剂容器内被注入压力，喷涂臂向工作面喷涂粘胶剂，喷涂胶工作完成后，关闭喷涂剥离电机，启动应变片贴片机构，贴片臂将预装于臂首的应变片推送到工作面上，并按设定值施以均匀压力，待粘胶剂固化后，释放施于应变片上的压力；启动冷却水循环系统；启动旋转驱动电机和进给步进电机，环形槽切割装置开始工作，薄壁金刚石取芯钻头在旋转驱动电机和进给步进电机的联合驱动下开始通过工作窗伸向工作面进行环形切割钻进作业，同时，反力支撑机构也在进给推送丝杆的作用下支撑于外筒体内壁上，为钻具提供足够的支撑反力，应变片开始记录工作面上的应变变化数据并传输到多路应变测量仪，工作过程状态检测元件则记录钻进参数数据并传输到电子设备仓中的测量控制单元，待环形槽切割达到设定深度，钻进结束停钻，应变数据采集工作结束，反向旋转驱动电机和进给步进电机，回收薄壁金刚石取芯钻头及反力支撑机构至初始位；启动喷涂剥离电机，喷涂胶及应变片剥离组件启动，喷涂剥离机构按剥离应变片方式工作，剥离臂沿工作面前后运动，臂首刀具将应变片铲离工作面，贴片机构回收贴片臂至原位；各工作组件返回初始位，孔壁围岩应变测量工作结束； 收缩前支撑和后支撑，再通过绳索取芯钻杆从水平钻孔中收回整个水平孔地应力测量装置至孔口。整个作业过程依照固定的程序，由主控制模块控制按顺序自动完成，并且能够适应水平孔相对复杂的工况条件。只要在一小段局部孔段上进行至少三次上述应力解除作业， 即可获得测量点附近围岩的地应力张量，从而也就确定了围岩的地应力状态。
如果在湿度较大的水平钻孔内进行地应力测量时，可以在打磨组件的位置附近安装一热风装置，在对工作面打磨处理时辅以热风而利于工作面的干燥，便于粘贴应变片。技术效果
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果被解除的岩样尺寸较小，比如，解除的岩样直径为30mm，环形切割的深度36mm就可以满足测量精度的需要，这与套芯应力解除时套取至少300mm的岩样相比要小得多,这样就可减少断芯的可能,本发明设计新颖，结构布局合理，应变片粘贴过程由设计好的机构自动完成，操作简单，便于野外作业。本发明所述的水平孔地应力测量装置外形呈圆柱形，适用于直径为150-160mm的水平钻孔，在深部地下洞室的水平巷道地应力实测方面有较为广阔的推广应用前景。
图I为实施例应用示意图。
图2为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例I
如图I和图2所示，本实施例包括密封电缆接头3、应变测量主工作部5、测量控制单元8、多路应变测量仪9和探测部10，其中前支撑4实现应变测量主工作部5的前端与密封电缆接头3的固定连接，作为整个地应力测量装置的动力电缆和通信电缆的输出端口，应变测量主工作部5作为一个整体安装在外套筒21内，其前端与前支撑4相连，后支撑 6与电子设备仓7相连并实现应变测量主工作部5的后端与多路应变测量仪9的固定连接， 电子设备仓7内设置有测量控制单元8和多路应变测量仪9，探测部10与电子设备仓7相连并且位于整个装置的尾部，外套筒21上开有工作窗20。绳索取芯钻杆I与密封电缆接头 3通过丝扣连接，绳索取芯钻杆I通过固定于孔口的孔口支撑架2在水平钻孔18内推进或拉出整个地应力测量装置；与密封电缆接头3相连的水管11、通信电缆16和动力电缆17则从绳索取芯钻杆I内部引出至水平孔18的孔口外，分别与放置在地下洞室(或巷道)19内的冷却水泵13、主控制模块15、主控箱14相连接，冷却水泵13放置在水槽12内。
如图2所示，所述的应变测量主工作部5包括环形槽切割装置、岩石表面打磨组件、喷涂胶及应变片剥离组件、应变片贴片组件、窥视元件520、热风装置522、工作过程状态检测元件518、前基座519、后基座502，环形槽切割装置包括薄壁金刚石取芯钻头504及带键齿钻具套，带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头504通过螺纹相连接，岩石表面打磨组件固定在前基座519上，喷涂胶及应变片剥离组件固定于后基座502上，并置于薄壁金刚石取芯钻头504的后侧，与水管11相连接的喷嘴521安装在薄壁金刚石取芯钻头504的前端部，窥视元件520安装在环形槽切割装置与岩石表面打磨组件之间，热风装置533紧固在岩石表面打磨组件的打磨机构一侧，应变片贴片组件设置在由薄壁金刚石取芯钻头504 及带键齿钻具套所形成的筒体内，工作过程状态检测元件518设置在薄壁金刚石取芯钻头 504的外侧。
所述的环形槽切割装置包括旋转驱动电机501、主轴箱503、薄壁金刚石取芯钻头504、进给步进电机505、进给机构轴箱506、带键齿钻具套525、钻具座526、进给机构支座 527、进给推送丝杆528、反力支撑机构514，其中旋转驱动电机501前端部水平固定在后基座502上，后基座502通过三根等圆周角布置的水平圆柱形支杆530与前基座519固定连接，旋转驱动电机501输出端与主轴箱503主动轴相连，而主轴箱503的输出端与轴线处于竖直位置的带键齿钻具套525相连，并支撑于钻具座526上，钻具座526的楔形底部装配在进给机构支座527的楔形槽内，进给机构支座527与进给机构轴箱506固定连接，进给步进电机505水平放置在应变测量主工作部5的前部，其轴线与带键齿钻具套525轴线平行，进给步进电机505主轴与进给机构轴箱506输入端相连，进给机构轴箱506输出端与进给推送丝杆528相连，反力支撑机构514位于带键齿钻具套525后端部的前侧，与进给推送丝杆 528铰接。
所述的岩石表面打磨组件包括打磨电机511、打磨机构512和打磨臂513，其中 打磨电机511主轴与打磨机构512相连，打磨机构512为一铰链连杆机构，其前端设有打磨臂513，打磨电机511、打磨机构512均固定设置于外筒体21中部的前基座519上。
所述的喷涂胶及应变片剥离组件包括喷涂剥离电机507、喷涂剥离机构508、喷涂臂509和剥离臂510，其中喷涂剥离电机507竖直紧固在后基座502上，其轴线与旋转驱动电机501轴线平行，其主轴端与喷涂剥离机构508相连接，喷涂剥离机构508上安装有喷涂臂509和剥离臂510，喷涂臂509位于薄壁金刚石取芯钻头504筒体的前方，处于工作状态时可通过工作窗22向工作面喷涂粘结剂，剥离臂510位于薄壁金刚石取芯钻头504筒体的外侧，当剥离臂510处于工作状态时则位于薄壁金刚石取芯钻头504的正前方，用于应变测量结束时剪断应变片的连接导线，便于回收钻具至钻孔内。
所述的应变片贴片组件包括应变片贴片机构515、贴片臂516和圆形槽517，其中应变片贴片机构515的后端部与带键齿钻具套的后端部相连接，应变片贴片机构515的前端安装有贴片臂516，在贴片臂516的臂首部位设置有圆形槽517，圆形槽517内设置有出线孔，应变片安装在圆形槽517内，应变片的连接导线通过出线孔输出并连接至电子设备仓7中的多路应变测量仪9。
所述的工作过程状态检测元件518用于实时检测环形槽切割装置在钻进作业过程中进给步进电机505和薄壁金刚石取芯钻头504的工作状态，并将钻进深度、钻压、钻速等参数传输到电子设备仓7中的测量控制单元8，以便对钻进过程进行实时控制。
所述的窥视元件520为一个高清可变焦摄像机，处于工作状态时可以实时监控薄壁金刚石取芯钻头504、岩石表面打磨组件、喷涂胶及应变片剥离组件、应变片贴片组件的工作过程。
所述的热风装置533是一个电阻丝，处于工作状态时可以在主控制模块15控制下向工作面位置输出一定温度的热风以风干工作面。
如图2所示，所述的前支撑4和后支撑6均为三分量的伸缩机械机构，包括微型驱动电机401、传动轴402、齿轮副403、连杆机构404、圆柱形支杆405。当选定工作面，需要在水平孔内支撑固定整个地应力测量装置时，启动微型驱动电机401，通过传动轴402和齿轮副403带动连杆机构404动作，从而驱动相间120°角的三个圆柱形支杆405向外运动并支撑于孔壁上。工作结束需要解除固定整个地应力测量装置时，启动微型驱动电机401反转，驱动相间120°角的三个圆柱形支杆405向内收缩运动，从而便于回收整个地应力测量>j-U ρ α装直。
如图2所示，所述的探测部10，包括固定设置于探测部10的内壳体里的摄像头 101、旋转角度仪102和倾角仪103，其中摄像头101用于探测水平钻孔的孔壁质量状况； 旋转角度仪102是一个位置传感器，用于记录应变测量主工作部5的薄壁金刚石取芯钻头 504轴线在水平孔内旋转时相对于水平面所转过的圆周角，以确定设备工作时应力解除的位置；倾角仪103是一个位置传感器，用于记录整个地应力测量装置的轴线相对于水平面的倾斜角度。
本实施例中，通过绳索取芯钻杆I穿过孔口支撑架2将地应力测量装置推送至水平钻孔18，启动位于地下洞室(或巷道)19的主控箱14为地应力测量装置提供动力源；启动主控制模块15与地应力测量装置进行通信；在推送地应力测量装置入孔过程中，通过安装在地应力测量装置尾部探测部10内的摄像头101观测孔壁质量状况并选定工作面；继续推送地应力测量装置直到外筒体21上的工作窗20正对已选定好的工作面位置；启动前支撑4和后支撑6，直到地应力测量装置稳定地支撑固定到水平孔孔壁上；通过安装在探测部10内的旋转角度仪102和倾角仪103获得工作面相对孔周的角度以及测量孔段的倾斜角度参数；启动窥视元件520实时监控工作窗位置附近的状态；启动打磨电机511，打磨机构512驱动打磨臂513通过工作窗20伸出到工作面附近按设定的压力和速度对工作面进行打磨，打磨周期结束后，关闭打磨电机511，打磨机构512和打磨臂513自动复位至初始状态；启动热风装置522对被打磨的工作面进行必要的风干处理；启动喷涂剥离电机507，喷涂剥离机构508按喷涂胶方式工作，粘胶剂容器内被注入压力，喷涂臂509向工作面喷涂粘胶剂，喷涂胶工作完成后，关闭喷涂剥离电机507 ;启动应变片贴片机构515，贴片臂516将预装于臂首圆形槽517内的应变感应器推送到工作面上，并按设定值施以均匀压力，待粘胶剂固化后，释放施于圆形槽717上的压力；启动位于地下洞室(或巷道)19水槽12内的冷却水泵13，水槽12内的冷却水通过与冷却水泵13相连接的水管11将冷却水输送至安装在薄壁金刚石取芯钻头504前端的喷嘴521 ;启动旋转驱动电机501和进给步进电机505，环形槽切割装置开始工作，旋转驱动电机501启动 后通过主轴箱503、带键齿钻具套525带动薄壁金刚石取芯钻头504旋转运动，而进给步进电机505则通过进给机构轴箱506带动进给推送丝杆528旋转，进给推送丝杆528根据受力状态按相对方向推送反力支撑机构514和钻具座526运动，当反力支撑机构514在进给推送丝杆528的带动下支撑到外筒体21内壁上时，为钻具提供足够的支撑反力，这时，进给推送丝杆528只推送钻具座526运动，从而驱动薄壁金刚石取芯钻头504向钻进方向运动，并通过工作窗20伸向工作面进行环形槽切割钻进作业；与此同时，粘贴在工作面上的应变感应器开始记录工作面上的应变变化数据并传输到电子设备仓7中的多路应变测量仪9，多路应变测量仪9用于记录环形切割作业过程中工作面上应变的变化，供后续数据处理之用，工作过程状态检测元件518则记录钻进参数数据并传输到电子设备仓7中的测量控制单元8，测量控制单元8对所接收到的钻进参数数据进行分析并根据工况条件对钻进参数做必要的调整，从而实现对钻进过程的实时控制，待环形槽切割达到设定深度，关闭旋转驱动电机501和进给步进电机505，停钻，关闭冷却水泵13，应变数据采集工作结束，反向驱动进给步进电机505，回收薄壁金刚石取芯钻头 504及反力支撑机构514至初始位；再次启动喷涂剥离电机507，喷涂胶及应变片剥离组件启动，喷涂剥离机构508按剥离应变片方式工作，剥离臂510沿工作面前后移动，臂首刀具将粘贴在工作面上的应变片铲离工作面，贴片机构515回收贴片臂516至初始位置；在主控制模块15控制下，各工作组件返回初始位，孔壁围岩应力解除工作结束；解除前支撑4和后支撑6，地应力测量装置与水平孔孔壁脱离；通过绳索取芯钻杆I从水平钻孔18中起出地应力测量装置至孔外。整个地应力测量过程虽然复杂，但都依照固定的程序，由主控制模块控制按顺序自动完成。
从整个工作可以看出，本实施例利用在水平钻孔侧壁上实施应力解除作业来进行基于BWSRM原理的围岩远场地应力测量，其实现完全应力解除所要求环切的完整岩样长度比传统的套芯技术所要求的长度短得多，而且充分依靠机电一体化技术采用主控制模块控制整个测量过程，测试可靠性和测量精度相对于传统的手动控制测量而言会有相当大的提高。比如，传统的套芯应力解除法无法实时获得被解除岩芯面上应变的实时变化情况，这样就无法准确评估所获得应变值的可靠性，而采用本实施例提供的方法和技术不仅可以实时获得工作面上的应变变化全过程，而且减少了人为干预，提高了测试的精度。另一方面，本实施例提出的水平孔地应力测量装置，无需大型设备配套，便于携带和现场应用，易于现场操作，在地下洞室或矿山巷道内进行地应力实测时便于现场实施。
权利要求
1.一种基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置，其特征在于包括密封电缆接头、应变测量主工作部、多路应变测量仪、测量控制单元和探测部，其中密封电缆接头与应变测量主工作部的前端相连作为整个装置的动力电缆和通信电缆的输出端口，应变测量主工作部依次与用于记录薄壁金刚石取芯钻头对钻孔孔壁围岩实施环形切割过程中工作面上应变的变化的多路应变测量仪、测量控制单元以及用于在水平钻孔内推进整个设备入孔至工作孔深过程中观测和记录钻孔孔壁的质量状况并为选择实施应力解除的局部孔段提供参考依据的探测部相连并传输检测信息，多路应变测量仪、测量控制单元以及探测部均设置于电子设备仓内并与设置于水平孔的孔口的主控箱内的主控制模块相连接； 所述的应变测量主工作部包括含有薄壁金刚石取芯钻头及带键齿钻具套的环形槽切割装置、岩石表面打磨组件、喷涂胶及应变片剥离组件、应变片贴片组件、工作过程状态检测元件、前基座和后基座，其中带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头通过螺纹固定连接，岩石表面打磨组件固定在前基座上，喷涂胶及应变片剥离组件固定于后基座上并位于薄壁金刚石取芯钻头的前上侧，应变片贴片组件设置在由薄壁金刚石取芯钻头及带键齿钻具套所形成的筒体内，工作过程状态检测元件设置在薄壁金刚石取芯钻头的外侧。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的应变测量主工作部上还设有窥视元件，该窥视元件为一组用于观测记录薄壁金刚石取芯钻头钻进和喷涂胶及应变片剥离组件工作状态的摄像头。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的环形槽切割装置中还包括旋转驱动电机、主轴箱、进给步进电机、进给机构轴箱、钻具座、进给机构支座、进给推送丝杆和反力支撑机构，其中旋转驱动电机的输出端水平固定在后基座上，旋转电机输出端与主轴箱主动轴相连，而主轴箱的输出轴与轴线处于竖直方向的带键齿钻具套相连，并支撑于钻具座上，钻具座的楔形底部装配在进给机构支座的楔形槽内，进给机构支座与进给机构轴箱固定连接，进给步进电机水平放置在应变测量主工作部前侧且其轴线与带键齿钻具套轴线平行，进给步进电机主轴与进给机构轴箱输入端相连，进给机构轴箱输出端与进给推送丝杆相连，反力支撑机构位于带键齿钻具套后端部并与进给推送丝杆铰接。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的岩石表面打磨组件包括打磨电机、打磨机构和打磨臂，其中打磨电机主轴与打磨机构相连，打磨机构为一铰链连杆机构且前端与打磨臂相连，打磨电机、打磨机构均固定设置于前基座上。
5.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的喷涂胶及应变片剥离组件包括喷涂剥离电机、喷涂剥离机构、喷涂臂和剥离臂，其中喷涂剥离电机水平紧固在前机座上，喷涂剥离电机的轴线与旋转驱动电机轴线平行，喷涂剥离电机的主轴端与喷涂剥离机构相连接，喷涂臂和剥离臂分别与喷涂剥离机构相连接，喷涂臂位于薄壁金刚石取芯钻头筒体的前上方且在工作状态时通过工作窗向工作面喷涂粘结剂，剥离臂位于薄壁金刚石取芯钻头筒体的外侧且当剥离臂处于工作状态时则位于薄壁金刚石取芯钻头的正前方，用于应变测量结束时剪断应变片的连接导线，便于回收钻具至钻孔内。
6.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的应变片贴片组件包括应变片贴片机构和贴片臂，其中应变片贴片机构的后端部与带键齿钻具的后端部相连接，并固定在内缸套的侧壁上，应变片贴片机构的前端安装有贴片臂，在贴片臂的臂首部位设置有圆形槽，圆形槽内设置有出线孔，应变感应器安装在圆形槽内，应变感应器连接导线通过出线孔输出并连接至电子设备仓中的多路应变测量仪。
7.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的工作过程状态检测元件用于实时检测环形槽切割装置在钻进作业过程中进给步进电机和薄壁金刚石取芯钻头的工作状态，并将钻进深度、钻压、钻速等参数传输到电子设备仓中的测量控制单元，以便对钻进过程进行实时控制。
8.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的应变测量主工作部的前、后端均设有支撑，其中通过前支撑实现应变测量主工作部的前端与密封电缆接头的固定连接，通过后支撑实现应变测量主工作部的后端与多路应变测量仪的固定连接。
9.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的前支撑和后支撑均为三分量的伸缩机械机构，在微型电机的驱动下其相间120°的三个圆柱形支杆可以同时外伸而将整个设备牢固地支撑到水平钻孔的孔壁上；当工作结束时，三个圆柱形支杆在微型电机的反向驱动下可以收缩而便于设备收回；所述的前基座设置于前支撑的后端部并于前支撑固定连接，所述的后基座设置于应变测量主工作部的中后部并通过三根等圆周角布置的水平圆柱形支杆与前基座固定连接。
10.根据权利要求I所述的装置，其特征是，所述的测量装置与设置于水平孔内的绳索取芯钻杆及孔口支撑架相连，绳索取芯钻杆和孔口支撑架是作为在水平孔内推送和拉出设备的辅助部分；所述的孔口支撑架是一小段坚固的圆柱筒体，其内部是三个相间120°排列的滚动轴承，钻杆在其中前后移动时便于推送设备入孔。
全文摘要
一种用于地下洞室或矿山巷道内的岩石应力测量技术领域的基于BWSRM原理的水平孔地应力测量装置包括密封电缆接头、应变测量主工作部、多路应变测量仪、测量控制单元和探测部，其中密封电缆接头与应变测量主工作部的前端相连作为整个装置的动力电缆和通信电缆的输出端口，应变测量主工作部依次与用于记录薄壁金刚石取芯钻头对钻孔孔壁围岩实施环形切割过程中工作面上应变的变化的多路应变测量仪、测量控制单元以及用于在水平钻孔内推进整个设备入孔至工作孔深过程中观测和记录钻孔孔壁的质量状况并为选择实施应力解除的局部孔段提供参考依据的探测部相连。本发明充分依靠机电一体化技术采用主控制模块控制整个测量过程，测试可靠性和测量精度会有相当大的提高。本发明便于携带和现场应用，易于现场操作和进行三维地应力实测。
文档编号E21B49/00GK102979520SQ201210559619
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者葛修润, 侯明勋, 涂光骞 申请人:上海交通大学