岩层物理力学性质快速测量装置与方法与流程

本发明涉及岩层检验领域，具体而言，涉及一种岩层物理力学性质快速测量装置与方法。

背景技术：

岩层的物理力学参数是地下岩石工程设计的关键参数，现场施工中常用的一些岩层的物理参数主要包括密度、孔隙度、渗透率等；力学参数主要包括岩石的单轴抗拉强度、单轴抗压强度、内聚力和内摩擦角、弹性模量、泊松比、岩石的完整性系数以及岩层的孔隙压力等。

而对岩层的物理力学参数的获得方式，长期以来都是通过现场取岩样，然后在实验室进行测量。

但有时候在煤矿井下现场施工时，由于施工紧迫，需要在短时间内知道岩石的物理力学参数，因此就需要研究如何在煤矿井下现场快速进行岩石物理力学参数的测量。

并且，由于室内试验试样尺寸局限性而导致代表性差、取样困难、具有一定扰动性以及现场剪切与三轴试验昂贵、周期长等很多的局限性，如何确定岩体工程力学特性是工程设计中的重要问题，也是长期困扰工程界的难题。

现在，寻找和研究能快速、简易及可靠确定岩体抗剪参数的原位测试手段成为岩土工程界内亟需解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供力学性质快速测量装置与方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明提供的岩层物理力学性质快速测量装置，包括参数测量装置和输送固定装置：

所述参数测量装置可拆卸设置在所述输送固定装置上，能够通过所述输送固定装置将所述参数测量装置输送进钻孔内；

所述参数测量装置为单轴抗压强度测量装置、剪切强度测量装置或弹性模量与泊松比测量装置。

进一步的，所述单轴抗压强度测量装置包括加压板、液压油缸和底座；

所述液压油缸一端固定设置在所述底座的一侧，另一端的伸缩杆上固定连接所述加压板；

所述底座的另一侧与所述输送固定装置的一端固定连接。

进一步的，所述单轴抗压强度测量装置还包括孔壁应变器；

所述孔壁应变器设置在所述加压板远离所述液压油缸的一侧。

进一步的，所述液压油缸的进油管路和回油管路通过所述输送固定装置与外界连通；

所述输送固定装置为封孔器。

进一步的，所述弹性模量与泊松比测量装置包括膨胀胶囊、水泵和应变片；

所述水泵与所述膨胀胶囊连通，用于给所述膨胀胶囊注水；

所述应变片设置在所述膨胀胶囊的外壁上。

进一步的，所述应变片包括横向变形应变片和纵向变形应变片，均设置在所述膨胀胶囊的外壁上。

进一步的，所述剪切强度测量装置包括剪切装置和加载液压缸；

所述剪切装置的一端与所述加载液压缸连接；

所述加载液压缸的另一端与所述输送固定装置可拆卸连接；

所述输送固定装置为拉拔杆或钢丝绳。

本发明还提供了一种岩石物理力学性质快速测量方法，将单轴抗压强度测量装置通过输送固定装置输送进钻孔内；单轴抗压强度测量完毕后，向外拉动输送固定装置，将单轴抗压强度测量装置更换为剪切强度测量装置；剪切强度测量完毕后，向外拉动输送固定装置，将剪切强度测量装置更换为弹性模量与泊松比测量装置；根据测量的所有参数建立全应力应变曲线，得出岩石的物理力学性质。

进一步的，各个参数均在同一个钻孔内测量得出。

进一步的，所述钻孔具有足够的稳定性，能够保证所有的数据测量完成。

本发明提供的岩石物理力学性质快速测量装置，通过可拆卸的设置单轴抗压强度测量装置、剪切强度测量装置或弹性模量与泊松比测量装置，进而能够实现在同一个钻孔内进行多个参数的测量，使得测得的参数为同一地点的岩石参数，更具有参考价值。本发明可以提高测量效率，提高钻孔的利用率，减小测量成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明岩石物理力学性质快速测量装置的岩石单轴抗压强度现场测量装备图；

图2为本发明岩石物理力学性质快速测量装置的弹性模量与泊松比测量原理图；

图3为图2的A处局部放大图；

图4为本发明岩石物理力学性质快速测量装置的剪切强度测量示意图；

图5为本发明岩石物理力学性质快速测量装置的岩体力学参数原位测量流程图。

附图标记：

1：钻孔；2：岩心；3：加压板；4：液压油缸；5：底座；6：封孔器；7：回油管路；8：进油管路；9：封孔管路；10：岩层；11：孔壁应变计；12：膨胀胶囊；13：手摇泵；14：胶结层；15：应变片；16：剪切装置；17：拉拔杆；18：后孔壁掏槽；19：前孔壁掏槽；20：单轴抗压强度测量段；21：弹性模量和泊松比测量段；22：剪切强度测量段。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。

如附图1-5所示，本发明提供了一种岩石物理力学性质快速测量装置，包括参数测量装置和输送固定装置：

所述参数测量装置可拆卸设置在所述输送固定装置上，能够通过所述输送固定装置将所述参数测量装置输送进钻孔1内；

所述参数测量装置为单轴抗压强度测量装置、剪切强度测量装置或弹性模量与泊松比测量装置。

岩石的单轴抗压强度是岩石在单轴压缩载荷作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。通常测量岩石单轴抗压强度是通过现场取岩心2，然后在实验室利用MTS试验机测得。此方法测得的单轴抗压强度较准确，但测量周期较长。

在本发明中，使用输送固定装置将参数测量装置输送进钻孔1内，通过参数测量装置在钻孔1内进行各种参数的实时测量，以实现在现场的快速测量，且使用简单方便快捷。

优选的实施方式为，所述单轴抗压强度测量装置包括加压板3、液压油缸4和底座5；

所述液压油缸4一端固定设置在所述底座5的一侧，另一端的伸缩杆上固定连接所述加压板3；

所述底座5的另一侧与所述输送固定装置的一端固定连接。

岩层力学性质的原位测量必须保证测量段岩层10处于原岩应力状态，没有受到巷道及硐室的开挖扰动。因此钻孔1深度应在巷道跨度的2.5倍以上，以巷道跨度4m为例，钻孔1深度至少为10m。同时考虑到在同一钻孔1的不同孔壁段测量不同的参数，这样得到的数据更有价值。根据各参数测量的方式确定测量顺序依次为单轴抗压强度、弹模与泊松比、抗剪强度， 单轴抗压强度测量的岩心2直径为50mm，长度为2.0～3.0倍岩心2孔径，测量时的岩心2直径定为100mm，以便于实验室测量的标准试样保持一致，进行对比分析。同时考虑到单轴抗压强度测量装置的测量仪器，所需钻孔1段长度预计为2m；弹模与泊松比测量装置的预留长度为1m；抗剪强度测量装置根据测量设备预留1m。因此，所需的钻孔1测量段长度为4m，钻孔1的深度确定为14m。

其中100mm的单轴抗压强度测试段岩心2不能含有层面等明显结构面，否则，测出的数据就不是岩块的单轴抗压强度。为确保100mm单轴抗压强度测试段岩心2不含有层面等明显结构面，测试前通过在邻孔相同深度处钻取岩心2，观察岩心2是否含有层面等明显结构面。如果有明显结构面，则在邻孔中继续钻进100mm，取出岩心2观察完整性，直到岩心2表面完整，没有层面等明显结构面，然后在测量孔中相应的深度进行单轴抗压强度测试。如果在邻孔中取出的岩心2没有明显结构面，则在设计的深度处进行测试。

首先用孔径为φ100mm的钻头在岩层10中钻进13.9m的距离，完成后需将孔底磨平，然后利用φ50mm的套钻继续钻同心岩心2，钻进的距离为0.1m，确保套孔岩心2的长度为2.0～3.0倍岩心2孔径。钻孔1完成后安装加压装置，为了减少岩心2的“端部效应”，须在岩心2与加压板3之间加润滑剂，以充分较少岩心2端面与加压板3之间的摩擦力。

在本实施例中，将加压板3固定设置在液压油缸4上，将液压油缸4通过底座5与输送固定装置连接，确保加压装置不产生轴向移动；在对单轴抗压强度进行测量时，启动液压油缸4，通过液压油缸4的伸缩杆将加压板3下压，进而给岩心2端面加压，直至岩心2破坏，同时，记录加载过程中的液压管路的压力数据。岩石的单轴抗压强度σ_c通过下式可以求得。

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{P}{A}---1)$

式中，P为岩心2破坏时的最大轴向力，A为岩心2的横截面积。

在本实施例中，输送固定装置为封孔器6。

由上述可以看出，单轴抗压强度的测量过程为：

(1)施工钻孔1；使用孔径为φ100mm的钻头钻进13.9m的钻孔1，然后将孔底磨平。必须确保大孔的深度应为巷道或已开挖硐室跨度的2.5倍以上(大于10m)，从而保证测点是未受岩体开挖扰动的原岩应力区。

(2)钻进岩心2；换成孔径为φ50mm的套钻，继续钻孔1同心岩心2，岩心2的长度为0.1m，确保岩心2长度为2.0～3.0倍的岩心2直径。

(3)用一套专用装置将测量探头，如孔径变形计、孔壁应变仪等安装(固定或胶结)到岩心2的外表面中部。

(4)安装加压装置；岩心2施工结束后撤出套钻，安装加压装置，确保液压油缸4和加压板3的中心线与岩心2中心线重合，使岩心2受力均匀。同时在岩心2端面涂抹润滑剂，减少岩心2端面与加压板3之间的摩擦力。加压装置底座5与封孔器6连接，封孔器6后端与安装杆连接至孔外。

(5)通过手摇泵13加压；首先通过高压水使封孔器6膨胀，固定加压装置，使其不产生轴向位移。然后通过手摇泵13给岩心2加压，进行岩石的单轴压缩试验直至岩心2破坏，试验过程中记录液压管路的压力值以及岩心2的应变值。试验结束后撤出加压装置。

(6)利用记录的数据，通过公式1)计算岩石的单轴抗压强度。

优选的实施方式为，所述单轴抗压强度测量装置还包括孔壁应变器；

所述孔壁应变器设置在所述加压板3远离所述液压油缸4的一侧。

同时在岩心2表面安装孔壁应变计11，记录孔壁在被加压板3挤压时的位移数据，以便分析全应力应变曲线，同时也可以位移数据来得到岩层10的弹性模量等参数。

优选的实施方式为，所述液压油缸4的进油管路8和回油管路7通过所述输送固定装置与外界连通。

封孔器6中间设置有封孔管路9，进而将液压油缸4的进油管路8和回油管路7穿过封孔管路9与外界连通，进而实现对液压油缸4内的进油量的控制。

优选的实施方式为，所述弹性模量与泊松比测量装置包括膨胀胶囊12、水泵和应变片15；

所述水泵与所述膨胀胶囊12连通，用于给所述膨胀胶囊12注水；

所述应变片15设置在所述膨胀胶囊12的外壁上。

岩石在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，其比例系数称为弹性模量。在比例极限内，岩石的横向应变与轴向应变的比值称为泊松比。弹性模量与泊松比是岩石重要的力学参数，通常是在实验室通过岩石试样的单轴压缩实验测得其应力应变曲线以及横向应变与轴向应变，进而推导出岩样的弹性模量与泊松比。

在本实施例中，弹性模量与泊松比装置是利用膨胀胶囊12的原理来实现岩石的弹性模量与泊松比的测量。测量原理如图2示，在膨胀胶囊12外部贴上应变片15，应变片15在膨胀胶囊12的外部均匀分布，然后将膨胀胶囊12送到需要测量的孔壁围岩弹性模量和泊松比的适当位置上。通过水泵，主要是手摇泵13向膨胀胶囊12注水，使膨胀胶囊12膨胀，把应变片15牢固地贴在孔壁围岩上，使应变片15与孔壁围岩成为一个整体，从而可以测出孔壁围岩的变形。继续给膨胀胶囊12加压，使孔壁发生变形，记录下此时的压力以及孔壁岩石的横向应变与纵向应变，通过下式即可求出钻孔1围岩的弹性模量与泊松比。

弹性模量

E＝(P₁-P₀)/ε₁ 2)

泊松比

μ＝ε₁/ε₂ 3)

式中：P₀为膨胀胶囊12的初始压力，P₁为膨胀胶囊12加压后的压力，ε₁为横向应变，ε₂为纵向应变。

优选的实施方式为，所述应变片15包括横向变形应变片和纵向变形应变片，均设置在所述膨胀胶囊12的外壁上。

由上述的公式可以看出，在本实施例中，应变片15包括横向变形应变片和纵向变形应变片，以便于能够对横向应变和纵向应变的记录。

优选的实施方式为，所述应变片15通过胶结层14套设置在所述膨胀胶囊12上。

在本实施例中，应变片15通过胶结层14设置在膨胀胶囊12上，即在膨胀胶囊12外部套上一胶结层14，胶结层14外部包裹一层细纱层，细纱层的外部贴上应变片15，应变片15均匀的分布在胶结层14中部。

由上述装置可以看出，弹性模量和泊松比的测量步骤为：

(1)打钻孔1。钻孔1直径与膨胀胶囊12型号相适应。

(2)胶结层14外部包裹一层细纱层，细纱层的外部贴上应变，应变片15均匀的分布在胶结层14中部，应变片15有两种，一种是测量孔壁围岩横向变形的应变片15，另一种是测量孔壁围岩纵向变形的应变片15。胶结层14外部包裹一层细纱层。

(3)标定。用手动泵通过高压胶管向膨胀胶囊12注水，使膨胀胶囊12膨胀到正常的直径状态，测出此时的压力P₀。

(4)停止对膨胀胶囊12注水，将膨胀胶囊12卸压，排出膨胀胶囊12中的水。把包裹有细纱层的胶结层14套在膨胀胶囊12上，把膨胀胶囊12送到需要测量的孔壁围岩弹性模量和泊松比的适当位置上。

(5)用手动泵通过高压胶管向膨胀胶囊12注水，使膨胀胶囊12膨胀，胶结层14中胶结材料把应变片15牢固地贴在孔壁围岩上，使应变片15与孔壁围岩成为一个整体，从而可以测出孔壁围岩的变形。继续给膨胀胶囊 12加压，膨胀胶囊12对钻孔1孔壁施加垂直的作用力，同时钻孔1孔壁发生变形。

(6)加压一段时间后，记下此时的压力P₁以及此时的横向应变ε₁与纵向应变ε₂。

(7)将膨胀胶囊12完全卸压，连同高压胶管一起从钻孔1中取出。

(8)利用记录的数据，通过公式2)计算岩石的弹性模量，通过公式3)计算岩石的泊松比。

优选的实施方式为，所述剪切强度测量装置包括剪切装置16和加载液压缸；

所述剪切装置16的一端与所述加载液压缸连接；

所述加载液压缸的另一端与所述输送固定装置可拆卸连接。

岩石的抗剪强度参数是岩石工程设计的重要参数，通常是通过室内的直剪试验等方式测得，由于室内试验试样的“尺寸效应”而导致代表性差、加之现场取样困难、测量周期长等原因，研究能快速、简易及可靠确定岩体抗剪参数的原位测试方法与装备成为岩石工程亟需解决的问题之一。

在本实施例中，通过在岩石钻孔1内做剪切试验，根据监测的数据推算出岩石的抗剪参数。

试验原理：岩石钻孔1内剪切试验与室内直剪试验的原理相同，钻孔1剪切仪的剪切头部位对称分布有两个剪切装置16，可以一次测量两组数据。每个剪切装置16由承受压应力的立方体平板和两个突出的直角三棱柱组成。在进行剪切试验之前，先利用开槽装置在剪切段孔壁掏出两个圆柱状凹槽，即前孔壁掏槽19和后孔壁掏槽18，掏槽装置的头部有两个对称分布可以伸出的锥形刀片，通过旋转可以在孔壁上掏出一小段圆柱状凹槽，便于进行双面直剪试验。然后通过给剪切装置16的承压平板施加一压应力，将两端突出的直角三棱柱状剪切板压入两段凹槽之间的钻孔1孔壁的岩石中，使剪切板上两平行的平面间形成一规则的薄层岩片，然后给剪切装置 16施加一向上的拉力，使嵌入两剪切板间的岩块做双面剪切实验。剪切仪设置有孔壁固定装置，可以避免将固定装置设置在孔口处，岩层10破碎变形大导致测量的剪切应变误差大。

剪切试验过程记录法向压力和切向拉力的数值，中正应力和剪应力的计算根据常规岩体直剪试验的整理方法，根据各剪切阶段特征点的剪应力与正应力值，绘制剪应力与正应力的关系曲线，得到相应的抗剪强度参数内摩擦因数f和粘聚力c。

在本实施例中，所述输送固定装置为拉拔杆17或钢丝绳，孔外使用孔口固定装置进行固定，以保证其稳定性。

由上述装置可以看出，剪切强度的测量步骤为：

(1)、利用掏槽装置在剪切强度测量段孔壁外部掏出一小段凹槽，便于进行双面直剪试验。

(2)、放置剪切头到孔内指定深度。

(3)、当剪切头到达指定孔深后，记录在仅提升剪切头与套杆时的剪应力表读数τ₀，作为由于剪切头和入孔套杆管路等引起的剪应力表的初始读数。

(4)、首先将控制台上的手柄转向法向力侧。根据岩体性状，按照经验大致估计岩体的入岩压力P₀，快速加压至所预计的入岩压力，等正压力表读数降下来后对压力进行调整，直至5分钟内正应力表读数变化小于0.5MPa时，认为该时剪切头已近完全嵌入钻孔1岩壁中。

(5)、施加法向力。对剪切头施加法向力，正应力施加应该匀速缓慢施加至指定法向应力，5分钟后调整法向应力，至5分钟内应力值变化小于0.1MPa时认为正应力施加完成，并记录该时正应力值σ。

(6)、施加剪应力。剪应力施加可按照5MPa/min的速率缓慢施加，直至岩体破坏，终止试验，记录下在此过程中的最大剪应力作为岩体破坏峰 值剪应力以及最后的参与剪切应力读数

(7)、回缩剪切板。完全卸载施加在剪切头上的法向力与剪切力，并缩回剪切头。

(8)、提升剪切头。

(9)、对剪切头上残留的岩屑进行描述，然后对剪切头进行清理，以备下次试验。

(10)、重复1-8，进行同一深度不同位置或下一深度的钻孔1剪切试验。

在同一钻孔1同一深度作4次不同方向应力的剪切实验，绘制4点τ与σ的散点图，通过最小二乘法或其它数据拟合方法绘制线性摩尔-库仑强度包线，得到这一深度处岩体的c,值。

综上所述，可以得出，本发明能够直接在同一个钻孔1内测出岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比以及抗剪强度。其具体施工及测量流程如下：

岩层力学参数原位测量必须保证测量段岩层10处于原岩应力状态，没有受到巷道及硐室的开挖扰动，以巷道跨度4m为例，原岩应力区在距离2.5倍的巷道跨度之外，即10m之外。

(1)先用φ100的钻头施工13.9m深的钻孔1，施工完成后取出钻头，将孔底磨平。

(2)换做φ50mm的套钻，继续钻进同心岩心2，钻进距离为0.1m。

达到单轴抗压强度测量段20，取出套钻，用一套专用装置将测量探头，如孔径变形计、孔壁应变计11等安装(固定或胶结)到岩心2的外表面中部。

(3)安装完成后将测量岩石单轴抗压强度的装置安装好，进行单轴抗压强度的测量，测量过程中记录应力应变数据。

(4)测量结束后，取出单轴抗压强度测量装置，将长度为1m的外裹细砂层及应变片15的膨胀胶囊12送至孔底，达到弹性模量和泊松比测量段21，进行岩层10的弹性模量与泊松比的测量。

(5)测量结束后取出膨胀胶囊12，将岩石剪切仪送至11m处进行岩层10的剪切强度测量段22抗剪强度的测量。

岩层力学参数还有一个单轴抗拉强度的测量。

岩石的单轴抗压强度是岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏前所能承受的最大拉应力。通常在实验室测量岩石单轴抗拉强度最常用的方法是巴西劈裂法。而在本发明中，进行现场测量时，可以通过水力致裂法测量岩石的单轴抗拉强度。

岩石的单轴抗拉强度等于水力致裂过程中岩石的初次破裂压力减去重张压力。

σ_t＝P_b-P_r

即由水力致裂施工曲线即可求出岩石的单轴抗拉强度σ_t。

本发明还提供了一种岩石物理力学性质快速测量方法，将单轴抗压强度测量装置通过输送固定装置输送进钻孔内；单轴抗压强度测量完毕后，向外拉动输送固定装置，将单轴抗压强度测量装置更换为剪切强度测量装置；剪切强度测量完毕后，向外拉动输送固定装置，将剪切强度测量装置更换为弹性模量与泊松比测量装置；根据测量的所有参数建立全应力应变曲线，得出岩石的物理力学性质。

本发明提出的岩石单轴抗压强度的原位测量方法，测量的岩芯受到的扰动较小，测量的结果更加接近真实值。同时可以测量出岩石的全应力应变曲线，可以计算出岩石的弹性模量，分析岩石的全应力应变过程性质；抗剪强度的测量方法，在进行双面直剪试验前，先进行孔壁掏槽，去掉剪切岩块前的阻挡物，测量的数据更加接近真实值。克服了以往的利用剪切头压入孔壁岩石直接进行拉剪试验的不足。同时对称分布有两个剪切头， 可同时一次测量两点的剪切强度数据，提高了测量效率。利用膨胀胶囊的原理同时测量岩石的弹性模量与泊松比。

进一步的，各个参数均在同一个钻孔内测量得出。

进一步的，所述钻孔具有足够的稳定性，能够保证所有的数据测量完成。

利用本发明的方法，还可以对岩体完整性系数、岩层孔隙压力等岩层的力学参数进行测量。

岩体的完整性系数是岩体内原生节理裂隙等的发育程度的一个重要参数，通常用声波法进行测量，采用岩体与岩石的纵波速度之比的平方来表征。

(1)岩体声波纵波传播速度测量

在某一岩层中，打N组声波测井的钻孔，将声波发射器和接收器以一定的间隔l布置在测井钻孔的指定位置，使声波发射器被激发发声，激发器发出的声波沿地层传播，被接收器检测，利用井下信号处理系统提取纵波在发射器和接收器之间的传播时间Δt，经遥控发射器传送到地面。则波速在该钻孔地层中的传播速度v＝l/Δt。在同一钻孔中，将发射器和接收器以不同的间距进行布置，测量多组纵波波速数据，取平均值作为该钻孔处测得的纵波波速。最后将不同钻孔处测得的纵波波速再取平均值，作为该岩层中纵波波速v_m。

(2)岩芯取样与声波测试

在进行声波测量的同一岩层层位进行岩芯取样，取得典型岩样N组，每组X个试件。试件为圆柱体。精确测量试件两端中点之间的长度，精度不低于1％。使用超声波检测分析仪器进行声波测试，测定岩芯的平均纵波波速v_r。

根据岩体完整性系数的定义，岩体的完整性系数K_v是岩体与岩石的纵波速度之比的平方，最终求得岩体完整性系数：

孔隙压力是指岩石孔隙内流体的压力，主要是指孔隙水压力，是岩石中地下水的压力，该压力作用于微粒或孔隙之间。利用孔隙压力传感器进行测量。测量步骤如下。

(1)首先在被测量的岩层中施工测量钻孔，钻孔的孔径须与孔隙水压力传感器配套，钻孔深度等参数根据岩层的孔隙度及渗透性确定；

(2)将孔隙水压力传感器埋设于钻孔中，埋设时孔隙水压力传感器应紧密贴合测点岩层，观测段内回填透水材料并注浆封孔；

(3)在测试孔隙水压力计前，把孔隙水压力传感器的电缆引至方便正常测量时为止，保护传感器的电缆完好不受损坏，确保孔隙水压力准确传递；

(4)埋设好孔隙压力传感器后，定期进行数据的读取和记录。

利用本发明的方法，还可以对岩石的物理参数进行测量，包括岩石的密度及孔隙度、渗透率。

单位体积的岩石的质量称为岩石的密度，岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值称为岩石的孔隙度。密度与孔隙度是岩石最基本的物理性质，一般是在室内测得，而很多的工程设计需要在现场快速测量岩石的天然密度和孔隙度，下面介绍其测量原理。

通过测量伽马源放出并经过岩层散射和吸收而回到探测器的射线强度，用来获取岩层的密度、孔隙度等参数。

伽马(γ)射线与物质作用主要有电子对效应、康普顿效应和光电效应，而其中只有康普顿效应才与岩层的密度成正比关系。因此，对岩层密度的测量主要是利用康普顿效应。康普顿散射γ射线的强度减弱主要和康普顿吸收系数σ有关，而σ与岩石的体积密度有关，所以通过测量散射γ射线的强 度就可以反映出岩石的体积密度。

γ射线又称γ粒子流，是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.01埃的电磁波。γ射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。

伽马射线是频率高于1.5千亿亿赫兹的电磁波光子。伽马射线不具有电荷及静质量，故具有较α粒子及β粒子弱之电离能力。伽马射线具有极强之穿透能力及带有高能量。伽马射线可被高原子数之原子核阻停，例如铅或乏铀。

伽马发射源即能够发射出伽马射线的物体，它通常由人工或天然放射性同位素制成。

而伽马探测器能够探测到伽马发射源发出的伽马射线，进而通过计数器对伽马探测器探测到的伽马射线的数量进行统计。

在使用的时候，将伽马发射源设置在钻孔的孔壁上，伽马发射源发出的伽马射线在岩层中运动，因为散射吸收，强度逐渐减弱，之后，由伽马探测器接收经过岩石散射后的散射伽马射线，并通过计数器进行统计伽马探测器接收到的伽马射线的数量。

伽马放射源采用衰变时每秒会发出5.0×10¹⁰伽马射线(GR/s)。这些伽马射线与地层中原子的电子以几种不同方式发生相互作用，但主要作用方式为康普顿散射。此类相互作用造成大多数伽马射线被地层吸收，但有少数射线会返回到有固定源距的探测器中，地层密度根据从放射源穿行到探测器的伽马射线的数量(伽马射线计数率)进行计算。

在实验室中把仪器在已知密度的介质中事先刻度好，则可以把散射伽马射线的计数率换算成岩石密度，直接记录各个岩层的体积密度。

由密度测井测得的岩石体积密度，是岩石骨架密度与孔隙流体密度的加权平均值：

ρ＝φρ_w+(1-φ)ρ_m

式中：ρ为岩石的体积密度；φ为岩石的孔隙度；ρ_w为孔隙流体；ρ_m为岩石骨架密度。

所以，岩石的孔隙度为：

$\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m-\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_m-{\mathrm{\ρ}}_w}$

测量孔隙度的装置为：包括伽马发射源、伽马探测器、计数器和仪器框架；伽马发射源、伽马探测器、计数器和单片机均设置在仪器框架上；伽马探测器与伽马发射源之间设置有间距，用于接收伽马发射源放出的伽马射线；计数器与伽马发射源信号连接，用于对伽马探测器接收到的伽马射线进行计数。

还包括单片机；单片机固定设置在仪器框架上，且与计数器信号连接，用于显示计数器所记录的数据。

仪器框架上还设置有液压缸、伸缩臂和滑板；液压缸与伸缩臂的一端固定连接；滑板的一端与伸缩臂的另一端固定连接；伽马发射源、伽马探测器和计数器均固定设置在滑板上。

伽马发射源与伽马探测器之间设置有铅板，能够使伽马发射源发出的伽马射线不能直接到达伽马探测器。

伽马探测器为核子秤。伽马探测器为多个；多个伽马探测器与伽马发射源的间距各不相同。伽马发射源为

渗透系数是岩石的一个重要物理参数，渗透系数测定的工艺流程及使用设备同地应力测量。设备应包括流量计及压力表。

利用地应力测量装备中的一对可膨胀橡胶封隔器在预定的测量深度处上下封隔一段钻孔，对钻孔进行微(积)分方式注水，根据一定时间内注水体积和注水压力的关系，确定出反应岩体渗透性质的单位时间注水量，进而将其转化为岩体的渗透系数。

操作流程为：

(1)连接高压管路、安装杆及封隔器，保证气密性；

(2)将管路通过安装杆送进钻孔内指定位置处；

(3)输出管路通过换向阀一分为二，一条管路通过高压胶管连接到封隔器两端的膨胀胶囊，用于封孔，另一条管路通过安装杆连接到封隔器中间的测试段，用于岩层注水。注水开始时，注水管路的螺纹截止阀处于关闭状态，封孔管路的截止阀处于连通状态，通过手压泵打压，使封隔器膨胀封孔后，关闭封孔管路的截止阀，打开注水管路的截止阀，开始进行注水；

(4)打开注水管路阀门，对岩层注水，排量按阶梯式增加，观察压力曲线变化情况。当压力P₂稳定后(P₂<P₁，此时注入量等于漏失量)，维持注水排量注入一定时间，可测得单位时间的漏失量；

(5)打开封隔器管路卸压阀门，排出测试段积水；

(6)关闭注水管路阀门，读取管路静水压力，获得测试段的高度(用于校正孔斜)。

数据处理：

(1)注水压力的获取：压力表压力为孔口压力，包括注水压力、静水压力及管路的摩阻，因此注水压力＝孔口压力-静水压力-管路摩阻；

(2)管路摩阻的计算：管路摩阻包括沿程摩阻和局部摩阻，沿程摩阻系数及局部摩阻系数通过实验室实测获得；

(3)煤岩层渗透系数的计算：

$k=\frac{A*Q}{L*P}$

式中：k—为渗透系数，m/d；

Q—为注水量，L/min；

L—为注水段长度，m；

P—为注水压力，以水柱高表示，m；

A—为流量系数，取1.3～1.9。

本发明提供的岩石物理力学性质快速测量装置与方法，通过可拆卸的设置单轴抗压强度测量装置、剪切强度测量装置或弹性模量与泊松比测量装置，进而能够实现在同一个钻孔1内进行多个参数的测量，使得测得的参数为同一地点的岩石参数，更具有参考价值。本发明可以提高测量效率，提高钻孔1的利用率，减小测量成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。