一种新型地应力测试装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种新型地应力测试装置，包括用于在隧道岩壁上打孔和套取岩芯的钻孔组件、地应力测试传感器和推送装置，所述钻孔组件，包括岩芯管，所述岩芯管的一端与钻机钻杆相连接，另一端与钻头相连接，所述钻头前端固定安装有绕钻头中心轴均匀分布的多个镶嵌有金刚石的螺旋刀片，所述推送装置上还连接有摄像头。本发明的有益效果是：采用有多个镶嵌有金刚石的螺旋刀片制成的钻头可以避免传统钻头在打传感器小孔过程中的来回摆动，能够更好的在打小孔时对准圆心，从而提高实验的成功率；摄像头起到内窥观测作用，进而便于地应力测试传感器准确的插入到小孔之中并便于观测隧道围岩的破碎情况。
【专利说明】
一种新型地应力测试装置
技术领域
[0001] 本发明涉及机械设备领域，具体地说，涉及一种新型地应力测试装置。
【背景技术】
[0002] 对岩土工程和采矿工程而言，地应力是引起隧道围岩变形和破坏、支护失效和产 生动力现象的根本动力源，在诸多影响隧道围岩稳定性的因素中，高地应力是最主要和最 根本的因素之一。准确的原岩应力数据是研究工程岩体力学属性，是岩土工程中安全高效 的隧道开拓设计和布置，隧道加固维修的前提，也是采矿工程中合理进行煤炭开采设计，巷 道支护优化的基础，为工程设计和决策科学化的提供数据保障。
[0003] 地应力测试是目前取得各种工程需要的不同深度原岩应力数据的重要方法。美 国、澳大利亚、加拿大等矿业较发达的国家，对一些重要工程都普遍开展了原岩应力的实测 工作，例如澳大利亚一些主要煤矿在进行大量地应力测量的基础上，绘制了矿区地应力分 布图，用于指导井下巷道的支护，有利于对矿区的长远规划和生产布置。
[0004]地应力是天然状态下岩体内某一点各个方向上应力分量总体的度量，一般情况 下，六个应力分量处于相对平衡状态。地应力测试则是通过在岩体内施工扰动钻孔，打破其 原有的平衡状态，测量岩体因应力释放而产生的应变，通过其应力应变效应，间接测定地应 力。现有的地应力实测方法很多，但比较常用的方法可以归纳为三类，主要包括应力解除 法、水压致裂法、应力恢复法。目前应用较广的方法为套芯应力解除法。
[0005] 应力解除法的基本原理是，当一块岩石从受力作用的岩体中取出后，由于其岩石 的弹性会发生膨胀变形，测量出应力解除后的此块岩石的三维膨胀变形，并通过现场弹模 率定确定其弹性模量，由弹性理论即可计算出应力解除前岩体中应力的大小和方向。具体 讲这一方法就是在岩石中先打一个测量钻孔，将应力传感器安装在测孔中并观测读数，然 后在测量孔外同心套取岩芯，使岩芯与围岩脱离，岩芯上的应力因解除而恢复，根据应力解 除前后仪器所测得的差值，即可计算出应力的大小和方向。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种地应力测试装置，所要解决的技术问题是现有的地应力测试装置 在打小孔时定心效果不好，在将地应力测试传感器推送入小孔时定向效果不好，从而实验 失败率高的问题。
[0007] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0008] 本发明提供一种新型地应力测试装置，包括用于在岩壁上打孔的钻孔组件、地应 力测试传感器和和用于推进地应力测试传感器的推送装置;其中所述钻孔组件用于在岩壁 上打孔，所述推动装置用于将地应力测试传感器推送入打孔组件打好的孔中。
[0009]所述钻孔组件，包括岩芯管，所述岩芯管的一端与钻杆相连接，另一端与钻头相连 接，所述钻头的前端固定设置有绕钻头中心轴均匀分布的多个螺旋刀片，所述钻头应为至 少两个可交替使用的钻头，以满足测试过程中需要先打大孔，再在大孔的基础上打出同心 小孔的要求。
[0010]本发明的有益效果是:采用有多个螺旋刀片制成的钻头避免了传统钻头在打孔过 程中的来回摆动，能够更好的在打小孔时对准圆心，从而提高实验的成功率。
[0011]优选的，所述螺旋刀片的刀刃上镶嵌有金刚石
[0012] 优选的，所述螺旋刀片为3-6个。
[0013] 上述优选方案的有益效果在于：均匀分布的3-6个螺旋刀片，尤其是均匀分布的3 个螺旋刀片，由于其更符合力学的原理，从而能够有着更好的定位作用，进而提高实验的成 功率。
[0014] 优选的，所述螺旋刀片顶部在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片 外侧端的刀刃与钻头中心轴夹角α为10°到80°。
[0015]优选的，所述螺旋刀片外侧端的刀刃与钻头中心轴夹角α为30°到60°。
[0016]上述优选方案的有益效果在于：当所述螺旋刀片顶部的刀刃与钻头中心轴夹角α 为30°到60°时，由于这一角度形成的钻头符合力学的原理，更易在岩壁上打孔，从而能够有 着更好的定位作用，进而提高实验的成功率。
[0017]优选的，所述岩芯管两端通过变径接头分别与所述钻杆和钻头相连接。
[0018] 优选的，所述推送装置的一端与所述地应力测试传感器可拆卸的连接，所述推送 装置上还连接有摄像头，所述摄像头与所述地应力测试传感器连接在所述推送装置的同一 端。
[0019] 上述优选方案的有益效果在于:所述摄像头与地应力测试传感器同侧设置，一方 面能够在地应力测试传感器的推进过程中起到内窥观测作用，进而便于地应力测试传感器 准确的插入到小孔之中，提高实验的成功率，另一方面便于观测隧道围岩的破碎情况，起到 地应力测试和围岩破碎观察一体化的目的;并且能够避免因为在推送过程中地应力测试传 感器发生旋转而影响测试准确性的问题。
[0020] 优选的，所述摄像头为360度旋转的内窥式摄像头。
[0021]优选的，还包括视频监测装置，所述视频监测装置与所述摄像头有线或无线连接。 [0022]此外，所述钻孔组件还包括用于打大孔的大孔钻头和用于磨平大孔底部的平钻 头，上述三种钻头均与钻杆可拆卸的连接，并可交替使用。所述设备可通过常用的电动设备 为钻孔组件或者推进装置提供动力。
[0023] 通过上述地应力测试装置进行应力解除法地应力测试包括下述步骤：
[0024] (1)打大孔:使用钻孔组件中直径为130_150mm的钻头向隧道岩壁打大孔，孔深为 隧道跨度的2.5倍以上，保证测点位于未受岩体开挖扰动的原岩地应力区。
[0025] (2)打小孔:将大孔底磨平，并用钻孔组件中的带有螺旋刀片的钻头在大孔孔底打 一个和大孔同心的小孔，直径约为36mm，孔深约20-40cm。将丙酮浸泡过的擦拭头送入小孔 中来回擦洗，以彻底清除小孔中的油污和其他脏物。
[0026] (3)安装传感器:在地应力测试传感器的空腔内装满胶结剂，在摄像头的辅助观测 下，通过推送装置将地应力测试传感器送入小孔中预定位置，用力推安装杆，以切断插销， 通过胶结剂将地应力测试传感器固定在小孔中。胶结剂固化后，地应力测试传感器和小孔 紧密胶结在一起。
[0027] (4)应力解除:待20小时左右的胶结剂固化后，用薄壁钻头继续延深大孔，每进尺 2-4cm记录一次应变数据，直至传感器与围岩脱离。
[0028] (5)数据分析:应力解除完成后，通过计算机绘制各应变片的应变值随应力解除深 度变化的曲线，求出小孔周围的原岩应力状态，即地应力。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的钻孔组件的结构示意图；
[0030] 图2为本发明的钻头的俯视图；
[0031]图3为本发明的钻头的侧视图；
[0032] 图4为本发明的推送装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0034] 实施例1
[0035] 如图1-4所述，本发明涉及一种新型地应力测试装置，包括用于在岩壁上打孔的钻 孔组件1、地应力测试传感器2和用于推进地应力测试传感器的推送装置3,所述钻孔组件1， 包括岩芯管11，所述岩芯管11的一端与钻杆13相连接，另一端与钻头12相连接，所述钻头12 的前端固定设置有沿钻头中心轴均匀分布的3个螺旋刀片121，所述钻头组件还包括用于打 大孔的大孔钻头和用于磨平大孔底部的平钻头，上述三种钻头均与钻杆可拆卸的连接，并 可交替使用。
[0036] 所述螺旋刀片121顶部在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片121外 侧端的刀刃与钻头中心轴122夹角α为10°。
[0037] 所述岩芯管11两端通过变径接头14分别与所述钻杆13和钻头13相连接。
[0038] 所述推送装置3的一端与所述地应力测试传感器2可拆卸的连接，所述推送装置3 上还连接有摄像头4，所述摄像头4与所示地应力测试传感器2连接在所述推送装置3的同一 端。
[0039]所述摄像头4为360度旋转的内窥式摄像头。
[0040]还包括视频监测装置，所述视频监测装置与所述摄像头4无线连接。
[0041 ] 实施例2
[0042]如图1-4所述，本发明涉及一种新型地应力测试装置，包括用于在岩壁上打孔的钻 孔组件1、地应力测试传感器2和用于推进地应力测试传感器的推送装置3，
[0043]所述钻孔组件1，包括岩芯管11，所述岩芯管11的一端与钻杆13相连接，另一端与 钻头12相连接，所述钻头12的前端固定设置有沿钻头中心轴均匀分布的6个螺旋刀片121。
[0044] 所述螺旋刀片121顶部在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片121外 侧端的刀刃与钻头中心轴122夹角α为80°。
[0045] 所述岩芯管11两端通过变径接头14分别与所述钻杆13和钻头13相连接。
[0046] 所述推送装置3的一端与所述地应力测试传感器2可拆卸的连接，所述推送装置3 上还连接有摄像头4，所述摄像头4与所示地应力测试传感器2连接在所述推送装置3的同一 端。
[0047] 所述摄像头4为360度旋转的内窥式摄像头。
[0048] 还包括视频监测装置，所述视频监测装置与所述摄像头4有线或无线连接。
[0049] 实施例3
[0050] 如图1-4所述，本发明涉及一种新型地应力测试装置，包括用于在岩壁上打孔的钻 孔组件1、地应力测试传感器2和用于推进地应力测试传感器的推送装置3，
[0051] 所述钻孔组件1，包括岩芯管11，所述岩芯管11的一端与钻杆13相连接，另一端与 钻头12相连接，所述钻头12的前端固定设置有沿钻头中心轴均匀分布的4个螺旋刀片121。 [0052]所述螺旋刀片121顶部在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片121外 侧端的刀刃与钻头中心轴122夹角α为45°。
[0053]所述岩芯管11两端通过变径接头14分别与所述钻杆13和钻头13相连接。
[0054]所述推送装置3的一端与所述地应力测试传感器2可拆卸的连接，所述推送装置3 上还连接有摄像头4，所述摄像头4与所示地应力测试传感器2连接在所述推送装置3的同一 端。
[0055] 所述摄像头4为360度旋转的内窥式摄像头。
[0056] 还包括视频监测装置，所述视频监测装置与所述摄像头4通过导线有线连接。
[0057] 实施例4
[0058]如图1-4所述，本发明涉及一种新型地应力测试装置，包括用于在岩壁上打孔的钻 孔组件1、地应力测试传感器2和用于推进地应力测试传感器的推送装置3，
[0059] 所述钻孔组件1，包括岩芯管11，所述岩芯管11的一端与钻杆13相连接，另一端与 钻头12相连接，所述钻头12的前端固定设置有沿钻头中心轴均匀分布的3个螺旋刀片121。
[0060] 所述螺旋刀片121顶部在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片121外 侧端的刀刃与钻头中心轴122夹角α为30°。
[0061] 所述岩芯管11两端通过变径接头14分别与所述钻杆13和钻头13相连接。
[0062] 所述推送装置3的一端与所述地应力测试传感器2可拆卸的连接，所述推送装置3 上还连接有摄像头4，所述摄像头4与所示地应力测试传感器2连接在所述推送装置3的同一 端。
[0063]所述摄像头4为360度旋转的内窥式摄像头。
[0064]还包括视频监测装置，所述视频监测装置与所述摄像头4通过Wi F i无线连接。
[0065] 实施例5
[0066] 如图1-4所述，本发明涉及一种新型地应力测试装置，包括用于在岩壁上打孔的钻 孔组件1、地应力测试传感器2和用于推进地应力测试传感器的推送装置3，
[0067] 所述钻孔组件1，包括岩芯管11，所述岩芯管11的一端与钻杆13相连接，另一端与 钻头12相连接，所述钻头12的前端固定设置有沿钻头中心轴均匀分布的4个螺旋刀片121。
[0068] 所述螺旋刀片121顶部在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片121外 侧端的刀刃与钻头中心轴122夹角α为60°。
[0069] 所述岩芯管11两端通过变径接头14分别与所述钻杆13和钻头13相连接。
[0070] 所述推送装置3的一端与所述地应力测试传感器2可拆卸的连接，所述推送装置3 上还连接有摄像头4，所述摄像头4与所示地应力测试传感器2连接在所述推送装置3的同一 端。
[0071 ]所述摄像头4为360度旋转的内窥式摄像头。
[0072] 还包括视频监测装置，所述视频监测装置与所述摄像头4通过蓝牙无线连接。
[0073] 实施例6
[0074] 如图1-4所述，本发明涉及一种新型地应力测试装置，包括用于在岩壁上打孔的钻 孔组件1、地应力测试传感器2和用于推进地应力测试传感器的推送装置3，
[0075] 所述钻孔组件1，包括岩芯管11，所述岩芯管11的一端与钻杆13相连接，另一端与 钻头12相连接，所述钻头12的前端固定设置有沿钻头中心轴均匀分布的5个螺旋刀片121。
[0076] 所述螺旋刀片121顶部在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片121外 侧端的刀刃与钻头中心轴122夹角α为50°。
[0077] 所述岩芯管11两端通过变径接头14分别与所述钻杆13和钻头13相连接。
[0078] 所述推送装置3的一端与所述地应力测试传感器2可拆卸的连接，所述推送装置3 上还连接有摄像头4，所述摄像头4与所示地应力测试传感器2连接在所述推送装置3的同一 端。
[0079]所述摄像头4为360度旋转的内窥式摄像头。
[0080]还包括视频监测装置，所述视频监测装置与所述摄像头4通过移动网络无线连接。 [0081]将实施例1-6所得的装置分别命名为装置1-6,并将【背景技术】中所述改进前的装置 作为对比样，按照上述进行应力解除法地应力测试的步骤分别进行多次实验，实验的成功 率如下表所示。
[0082] 表一装置1-6及对比装置的实验成功率对照表
[0084]以上所述仅为本发明的较佳实施例
，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种新型地应力测试装置，包括用于在隧道岩壁上打孔的钻孔组件（1)、地应力测试 传感器(2)和用于推进地应力测试传感器的推送装置(3)，其特征在于： 所述钻孔组件（1)，包括岩芯管（11)，所述岩芯管（11)的一端与钻杆（13)相连接，另一 端与钻头（12)相连接，所述钻头（12)的前端固定连接有绕钻头中心轴均匀分布的多个螺旋 刀片（121)。2. 根据权利要求1所述的新型地应力测试装置，其特征在于:所述螺旋刀片的刀刃上镶 嵌有金刚石。3. 根据权利要求1所述的新型地应力测试装置，其特征在于:所述螺旋刀片（121)为3-6 个。4. 根据权利要求1所述的新型地应力测试装置，其特征在于:所述螺旋刀片（121)顶部 在钻头轴线所在平面的投影为三角形，所述螺旋刀片（121)外侧端的刀刃与钻头中心轴 (122)夹角α为 10° 到80°。5. 根据权利要求4所述的新型地应力测试装置，其特征在于:所述螺旋刀片（121)外侧 端的刀刃与钻头中心轴（122)夹角α为30°到60°。6. 根据权利要求1-5任一所述的新型地应力测试装置，其特征在于:所述岩芯管（11)两 端通过变径接头(14)分别与所述钻杆(13)和钻头(13)相连接。7. 根据权利要求6所述的新型地应力测试装置，其特征在于:所述推送装置(3)的一端 与所述地应力测试传感器(2)可拆卸的连接，所述推送装置(3)上还连接有摄像头(4)，所述 摄像头(4)与所述地应力测试传感器(2)连接在所述推送装置(3)的同一端。8. 根据权利要求6所述的新型地应力测试装置，其特征在于:所述摄像头(4)为360度旋 转的内窥式摄像头。9. 根据权利要求6所述的新型地应力测试装置，其特征在于:还包括视频监测装置，所 述视频监测装置与所述摄像头(4)有线或无线连接。
【文档编号】G01L1/22GK105841855SQ201610299224
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】王宏伟, 姜耀东, 林志男, 邓代新
【申请人】中国矿业大学(北京)