地应力测量设备及方法
【专利摘要】本发明涉及岩土工程【技术领域】，提出了一种地应力测量设备及方法。该设备包括：转向钻头、定位装置、采集装置及测算装置；其中，转向钻头为定向钻，定位装置包括位置估算单元和投放单元，采集装置包括传感器、记录单元和传输单元，测算装置包括接收单元、控制单元和计算单元；定位装置控制转向钻头的钻孔深度及位置，并控制投放采集装置；测算装置接收采集装置采集的参数进行分析和计算，确定地应力以及巷道松动圈的状态。本发明通过在任意指定位置布置多种传感器进行综合测量，对地应力和松动圈的状态进行了全面分析，由于测量采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补，有效提高了测量结果可信度。
【专利说明】地应力测量设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程【技术领域】，特别涉及一种地应力测量设备及方法。
【背景技术】
[0002]地应力是地壳岩体形成褶皱、断裂、节理等地质构造，以至于地震的根本作用力，地应力也是引发采矿及其他各种地下工程和破坏的本质作用力，其大小和方向对巷道围岩稳定性具有决定性的影响，随着矿井开采深度的不断加深，地应力的作用表现的越来越重要。深部高地应力巷道的维护、冲击地压、瓦斯突出等地质灾害现象都与地应力密不可分。准确测得地矿区范围内地应力分布规律、大小以及方向，不仅是合理布置巷道的依据，也是巷道支护设计、维护方案的选择以及避免地质灾害的发生的前提，也可以节约大量支护和维修费用，经济效益明显提高。
[0003]在20世纪60年代，地应力测量理论和方法呈现多样化发展趋势，应力解除法和水压致裂法等占主流，也涌现诸如声发射法、应变恢复法、钻孔崩落法、岩芯饼化法、地质构造分析法以及应力反演法等一系列间接测量地应力的方法。20世纪80年代以后，地应力测量受到世界各国的广泛关注。
[0004]国内外测量围岩松动圈的方法主要有地震测法、电阻率法、超声波测法、孔内摄影法等，各种方法均有一定的适应性。目前通常采用的是超声波测法，该方法是利用超声波在岩体中传播速度与岩体所受应力大小和裂隙情况有关的原理。通过绘制“超声波传播时间与测试钻孔深度”的关系曲线，确定出测试巷道各测试钻孔围岩松动点的位置，用一条光华的曲线连接各松动点即为测试巷道围岩松动圈。
[0005]近年来，人们逐渐认识到，由于地壳的高度复杂性和非均质性，现有技术中尚没有哪一种地应力测量方法能够适应和胜任所有目的和环境的测试，测量结果有一定的局限性，很难满足复杂环境下高安全要求的地下工程作业需求。
【发明内容】
[0006](一)本发明所要解决的技术问题:
[0007]针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现灵活可靠的多元化地应力测量。
[0008](二)技术方案
[0009]为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种地应力测量设备，包括:转向钻头、定位装置、采集装置及测算装置；其中，所述转向钻头为定向钻，所述定位装置包括位置估算单元和投放单元，所述采集装置包括传感器、记录单元和传输单元，所述测算装置包括接收单元、控制单元和计算单元；所述定位装置控制所述转向钻头的钻孔深度及位置，并控制投放所述采集装置；所述测算装置接收所述采集装置采集的参数进行分析和计算，确定地应力以及巷道松动圈的状态。
[0010]优选地，所述定向钻包括钻机、钻杆和钻头，其中，所述钻杆在第一方向上钻入指定深度后可向第二方向偏转，并带动所述钻头在第二方向上继续钻孔。
[0011]优选地，所述第二方向与所述第一方向垂直。
[0012]优选地，所述第一方向为水平方向，所述第二方向为竖直方向。
[0013]优选地，所述钻头还可加装扩孔器。
[0014]优选地，所述传感器为多种传感器的组合。
[0015]优选地，所述采集装置还包括液压系统。
[0016]优选地，采集装置还包括可视单元，所述可视单元在所述巷道内移动布置。。
[0017]另一方面，本发明还同时提供了一种采用上述设备的地应力测量方法，包括步骤:
[0018]估算测试位置，转向钻头钻入岩体体内指定深度，并向测试位置进行定向扩孔；
[0019]在所述测试位置投放传感器；
[0020]采集三个方向的地应力值，并获得松动圈卸荷的应力-应变、应变-时间曲线；精确记录采集到的地应力和松动圈的相关参数并实施传输给测算装置；
[0021]接收参数并进行分析和计算，确定地应力的分布、大小和方向，以及巷道的松动圈的扩散速度、扩散规律。
[0022]优选地，所述方法还包括步骤:采用液压系统根据预设的卸载量程进行卸压速率控制，模拟不同岩体类型在巷道开挖过程中的卸荷作用所造成的影响并采集对应参数。
[0023](三)技术效果
[0024]相对于现有技术，本发明提供了一种地应力测量设备及方法，通过在任意指定位置布置多种传感器进行综合测量，对地应力和松动圈的状态进行了全面分析，由于测量采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补，有效提高了测量结果可信度。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的一个实施例中定向钻进行钻孔扩孔的效果示意图；
[0026]图2是本发明的一个实施例中应力环采集参数的效果示意图；
[0027]图3是本发明的一个实施例中液压系统进行加压量和卸压量测装的效果示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
[0029]地应力是岩体力学特性的组成成分，它具有双重性，一方面是岩体赋存条件，另一方面它又赋存岩体之内，和岩体组成成分一样，左右着岩体的性质。岩体内应力有两种成分:构造残余应力即岩石弹性变形应力；冻结应力即封闭在矿物内的应力。因此，岩体本构特征与岩体赋存的地应力状态密不可分。表现在三个方面:影响着岩体的承载能力；影响着岩体变形和破坏机制；影响着岩体中应力传播规律。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产均起着至关重要的作用。
[0030]我国地应力测量实验和研究开始于20世纪50年代后期，由李四光先生和陈宗基教授率先组织实施的。在过去的几十年间，我国原地应力测试即使得到了迅速发展，根据测量原理可分为三大类:(1)以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、压磁应力解除法及水压致裂法等；(2)是以测量岩体中、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；(3)是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
[0031]传统的地应力测量方法较为单一，结果只能反映岩体的部分信息，有很强的局限性。为了应对复杂环境下安全施工的需求，本发明的技术方案提供了一种可在任意指定位置进行综合测量的设备及方法，由于测量采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补，有效提高了测量结果可信度。
[0032]在本发明的一个实施例中，地应力测量设备包括:转向钻头、定位装置、采集装置及测算装置；所述转向钻头为定向钻，所述定位装置包括位置估算单元和投放单元，所述采集装置包括传感器、记录单元和传输单元，所述测算装置包括接收单元、控制单元和计算单元；其中，所述定位装置控制所述转向钻头的钻孔深度及位置，并控制投放所述采集装置；所述测算装置接收所述采集装置采集的参数进行分析和计算，确定地应力以及巷道松动圈的状态。
[0033]其中，所述定向钻包括钻机、钻杆和钻头，其中，所述钻杆在第一方向上钻入指定深度后可向第二方向偏转，并带动所述钻头在第二方向上继续钻孔。优选地，第二方向与第一方向垂直。更优选地，如图1所不，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向。此外，所述钻头还可加装扩孔器，用于在钻出导向孔后，向指定的测试位置进行定向扩孔。
[0034]所述定位装置的位置估算单元对测试位置进行预估并在钻孔过程中计算实际位置，当达到指定测试位置时停止钻孔；而投放单元则在扩孔的同时或扩孔后将采集装置投放到指定测试位置。
[0035]采集装置中包括多种传感器，优选如压力传感器、超声波传感器、电磁传感器等。如图2所示，在钻好的主孔或支孔的多个位置安放有应变环对多种应变参数进行采集，应变环与外部记录单元相耦接，实时记录采集到的信息。采集装置中还可包括监测单元和报警仪，根据采集信息实时监测作业环境，并针对不同情况进行相应的警示。更优选地采集装置还包括液压系统，如图3所示，液压系统用于根据预设的卸载量程进行卸压速率控制，模拟不同岩体类型在巷道开挖过程中的卸荷作用所造成的影响并采集对应参数；其中，卸载量程的设置和卸压速率的控制由测算单元完成。
[0036]测算装置通常布置在巷道外，通过有线或无线方式与采集装置通信，接收采集装置传输来的参数信息进行分析计算，确定地应力和松动圈的状态。典型的测算包括根据测试位置采集的三个方向的地应力测试值，计算出该测试位置的最大、最小和中间应力值，从而确定地应力的分布、大小和方向；根据松动圈的数据和曲线，确定巷道的松动圈的扩散速度、扩散规律等。优选地，还可根据卸荷作用下的应力-应变曲线、应变-时间曲线，测得松动圈径向、法向的应力-应变曲线和时间-位移曲线，确定可能产生的松动圈扩展情况和扩展速度。此外，测算装置还对采集装置的工作状态进行分析和控制，综合测试结果来确定采集装置的量程和精度，进行反复调试，得到各种岩体在相应地应力条件下的各项综合参数。在必要时测算装置还控制采集装置完成工作环境的监测和报警。
[0037]优选地，采集装置还包括可视单元，可视单元在孔内可适当移动布置，除采集孔内影像参数进行测算外，还可以在钻孔和测试时实时监测各装置的工作状况。待放置于另一深度处时，再继续进行下一轮测试和监测，从而准确、快速、可靠完成不同深度岩体地应力和松动圈的测试实验。
[0038]基于上述设备，本发明还同时提供一种地应力测量方法，包括步骤:
[0039]估算测试位置，转向钻头钻入岩体体内指定深度，并向测试位置进行定向扩孔；
[0040]在所述测试位置投放传感器；
[0041]采集三个方向的地应力值，并获得松动圈卸荷的应力-应变、应变-时间曲线；精确记录采集到的地应力和松动圈的相关参数并实施传输给测算装置；
[0042]接收参数并进行分析和计算，确定地应力的分布、大小和方向，以及巷道的松动圈的扩散速度、扩散规律。
[0043]相对于现有技术，本发明提供了一种地应力测量设备及方法，通过在任意指定位置布置多种传感器进行综合测量，对地应力和松动圈的状态进行了全面分析，由于测量采用多种方法联合观测，实现不同观测方法之间的优势互补，有效提高了测量结果可信度。
[0044]虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于【具体实施方式】中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。
【权利要求】
1.一种地应力测量设备，其特征在于，所述设备包括:转向钻头、定位装置、采集装置及测算装置；其中， 所述转向钻头为定向钻，所述定位装置包括位置估算单元和投放单元，所述采集装置包括传感器、记录单元和传输单元，所述测算装置包括接收单元、控制单元和计算单元； 所述定位装置控制所述转向钻头的钻孔深度及位置，并控制投放所述采集装置；所述测算装置接收所述采集装置采集的参数进行分析和计算，确定地应力以及巷道松动圈的状态。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述定向钻包括钻机、钻杆和钻头，其中，所述钻杆在第一方向上钻入指定深度后可向第二方向偏转，并带动所述钻头在第二方向上继续钻孔。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第二方向与所述第一方向垂直。
4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述第一方向为水平方向，所述第二方向为竖直方向。
5.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述钻头还可加装扩孔器。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器为多种传感器的组合。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述采集装置还包括液压系统。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，采集装置还包括可视单元，所述可视单元在所述巷道内移动布置。
9.一种地应力测量方法，其特征在于，所述方法包括步骤: 估算测试位置，转向钻头钻入岩体体内指定深度，并向测试位置进行定向扩孔； 在所述测试位置投放传感器； 采集三个方向的地应力值，并获得松动圈卸荷的应力-应变、应变-时间曲线；精确记录采集到的地应力和松动圈的相关参数并实施传输给测算装置； 接收参数并进行分析和计算，确定地应力的分布、大小和方向，以及巷道的松动圈的扩散速度、扩散规律。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤:采用液压系统根据预设的卸载量程进行卸压速率控制，模拟不同岩体类型在巷道开挖过程中的卸荷作用所造成的影响并采集对应参数。
【文档编号】E21B47/12GK103790582SQ201410036347
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】郑梦雨, 孟达, 代成钢, 孟祥冲, 易瑞祥 申请人:北京雷雨达科技有限公司