用于研究煤矿巷道的逆断层地应力的实验方法与流程

本发明涉及一种逆断层地应力测试技术，特别涉及一种用于研究煤矿巷道的逆断层地应力的实验方法。

背景技术

逆断层是地质构造中断层的一种，为上盘上升，下盘相对下降的断层，主要由水平挤压与重力作用而形成。目前，在煤矿巷道的掘进中，也会遇到逆断层的情况。由于逆断层带附近的应力相对集中和围岩破碎给巷道布设和维护带来巨大的安全隐患，因此急需测试逆断层附近的地应力赋存情况，以便于为煤矿巷道的布设提供有效的依据。目前还没有一套完善实验方法，对逆断层地应力进行相关研究测试。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于研究煤矿巷道的逆断层地应力的实验方法，该实验方法能够保证得出逆断层地应力数据的精确性，为煤矿巷道的布设提供有效合理的依据。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，包括以下步骤：

s1、煤矿巷道现场钻取岩芯，现场钻取岩芯的步骤为，

1)、确定岩芯的钻取位置：

a、根据逆断层所在的位置，将巷道分割成逆断层上盘、逆断层下盘两部分，逆断层的坡面倾斜朝上的一侧为逆断层上盘，逆断层的坡面倾斜向下的一侧为逆断层下盘；

b、在逆断层上盘、逆断层下盘的巷道壁上分别标记两个取芯钻孔，其中位于逆断层上盘的两个钻孔标记分别为1-1、1-2，位于所述逆断层下盘的两个钻孔标记分别为2-1、2-2；

2)、根据所需的岩芯直径选取合适的取芯钻杆，并将钻机摆放到位；

3)、依次在1-1、1-2、2-1、2-2标记处进行岩芯钻取，并分别将各个标记点钻取出的岩芯标记封存，

在钻取岩芯时，通过水平定向系统将岩芯进行水平标记；

4)、将取芯后的钻孔进行回填处理；

s2、在实验室中，分别在1-1、1-2、2-1、2-2钻取的岩芯中钻取所需的岩芯试块；

s3、通过mts试验机结合声发射测试装置，分别将二次钻取的岩芯试块分别进行单轴压缩试验，获得各个试块的kaiser效应点以及在kaiser效应点时所对应的正应力；

s4、进行声发射地应力的计算，得出主应力的大小；

s5、根据kaiser效应点以及主应力，分析逆断层地应力对于煤矿巷道布设的影响。

优选的，在步骤s1中，位于上盘的两个钻孔标记1-1、1-2位于同一水平面上，位于上盘的两个钻孔标记2-1、2-2位于同一水平面上，且钻孔标记1-1、1-2位于靠近巷道顶部的巷道壁上，钻孔标记2-1、2-2位于巷道中部的巷道壁上。

优选的，所述钻孔标记1-1、1-2与逆断层之间的距离为5.1m，误差范围±0.8m，钻孔标记2-1、2-2与逆断层的距离为4.5m，误差范围±0.6m。

优选的，步骤s1中，在选取取芯钻杆之前，首先根据实验需求，确定所需的岩芯直径，然后再根据岩芯直径的大小，选取合适的取芯钻杆。

优选的，岩芯直径的范围值为90mm～137mm。

优选的，在步骤s1中，其取芯过程为，

a、在钻机的输出端上安装取芯钻杆；

b、将钻机摆放在钻孔标记1-1处，使取芯钻杆紧贴钻孔标记1-1处的巷道壁，并保证取芯钻杆的水平仰角为3°～5°，本实施例中，水平仰角为5°，取芯钻杆垂直于巷道的轴线布置；

c、启动钻机，在钻孔标记1-1处钻取出3m长的破碎岩芯，然后再将取芯钻杆从该钻孔中抽出，并将该破碎岩芯从取芯钻杆中取出丢弃；

d、确定岩芯的三位坐标系：沿3m钻孔的轴向为y方向，垂直于该钻孔的断面为x0z面，向上为z方向，水平向为x方向；

e、使用水平定向系统在钻孔内标记出水平方向，即x0y面，然后再从钻孔中拿出水平定向系统；

f、将取芯钻杆放入钻孔内，并按标定的水平方向，沿y方向推进取芯钻杆，直至钻取出1m的岩芯，然后再抽出取芯钻杆，取出该岩芯；

g、重复e、f的取芯步骤，直至取出总计6块岩芯，并将6块岩芯按照钻取深度，依次标记为1-1a、1-1b、1-1c、1-1d、1-1e、1-1f；

h、重复步骤a～g，在每个钻孔标记处分别钻取出6块长度为1m的岩芯，总计24块岩芯，并安装步骤g的标记方法，将各个钻孔标记处的岩芯，分别标记成相应的标记号。

优选的，在步骤s2中，通过二次定角度取样装置对岩芯进行钻取。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的实验方法，在钻取岩芯时，通过水平定向系统对取芯钻杆进行水平标定，保证了取芯钻杆在每次钻取岩芯时都能够保持相同的钻进角度，从而保证了钻取的岩芯两端受到的地应力分布方向保持一致，保证了对于逆断层地应力研究测试的精确性，从而保证了在为煤矿巷道提供布设依据时，降低了巷道的危险系数；

2、本发明在进行深孔取芯时，在逆断层的上盘、下盘分别钻取两个取芯孔，并分别在每个取芯孔内钻取六段岩芯，方便了在实验室阶段，对岩芯进行二次钻取，同时，避免了同一个岩芯的长度过场，便于运输；

3、本发明在同一个钻孔标记的取芯孔内钻取六段岩芯时，每次钻取岩芯，都进行一次岩芯水平方向标定，保证了在钻取岩芯时能够沿相同的轴线进行钻取，保证了同一个取芯孔内的六段岩芯的同心度，解决了传统的深孔取芯时无法直接标定岩芯水平方向的困扰；

4、本发明的实验方法，在煤矿巷道现场只需要钻取岩芯即可，余下少量的测量和计算工作均在实验室内完成，加快了原岩应力测量的工序进行，减少了在地下空间的工作时间，大大减少了测量费用，特别适合大面积多点区域内的原理应力测量，而且比较其它原岩应力的测量方法，成功率明显提高，使得测量工作更易控制和操作。

附图说明

图1是本发明的水平定向系统的水准仪与外壳的装配示意图；

图2是本发明的水平定向系统的水准仪的结构示意图；

图3是本发明的水平定向系统的水准仪与水平调节装置、驱动杆的连接示意图；

图4是本发明的水平定向系统的卡接件的结构示意图；

图5是本发明的水平定向系统的第一支架的结构示意图；

图6是本发明的水平定向系统的驱动杆与连接杆的连接示意图；

图7是图6的水平定向系统的a-a剖视图；

图8是本发明的水平定向系统的驱动杆的端面结构示意图；

图9是本发明的实验流程图；

图10是本发明的水平标定示意图；

图11是本发明在计算主应力时的微应力坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种用于研究煤矿巷道的逆断层地应力的实验方法，包括以下步骤：

s1、煤矿巷道现场钻取岩芯，现场钻取岩芯的步骤为，

1)、确定岩芯的钻取位置：

a、根据逆断层所在的位置，将巷道分割成逆断层上盘、逆断层下盘两部分，逆断层的坡面倾斜朝上的一侧为逆断层上盘，逆断层的坡面倾斜向下的一侧为逆断层下盘；

b、在逆断层上盘、逆断层下盘的巷道壁上分别标记两个取芯钻孔，其中位于逆断层上盘的两个钻孔标记分别为1-1、1-2，位于所述逆断层下盘的两个钻孔标记分别为2-1、2-2；

2)、根据所需的岩芯直径选取合适的取芯钻杆，并将钻机摆放到位；

3)、依次在1-1、1-2、2-1、2-2标记处进行岩芯钻取，并分别将各个标记点钻取出的岩芯标记封存，

在钻取岩芯时，通过水平定向系统将岩芯进行水平标记；

4)、将取芯后的钻孔进行回填处理；

s2、在实验室中，分别在1-1、1-2、2-1、2-2钻取的岩芯中钻取所需的岩芯试块；

s3、通过mts试验机结合声发射测试装置，分别将二次钻取的岩芯试块分别进行单轴压缩试验，获得各个试块的kaiser效应点以及在kaiser效应点时所对应的正应力；

s4、进行声发射地应力的计算，得出主应力的大小；

s5、根据kaiser效应点以及主应力，分析逆断层地应力对于煤矿巷道布设的影响。

在步骤s1中，位于上盘的两个钻孔标记1-1、1-2位于同一水平面上，位于上盘的两个钻孔标记2-1、2-2位于同一水平面上，且钻孔标记1-1、1-2位于靠近巷道顶部的巷道壁上，钻孔标记2-1、2-2位于巷道中部的巷道壁上。

钻孔标记1-1、1-2与逆断层之间的距离为5.1m，误差范围±0.8m，钻孔标记2-1、2-2与逆断层的距离为4.5m，误差范围±0.6m。

步骤s1中，在选取取芯钻杆之前，首先根据实验需求，确定所需的岩芯直径，然后再根据岩芯直径的大小，选取合适的取芯钻杆。

岩芯直径的范围值为90mm～137mm。

在步骤s1中，其取芯过程为，

a、在钻机的输出端上安装取芯钻杆；

b、将钻机摆放在钻孔标记1-1处，使取芯钻杆紧贴钻孔标记1-1处的巷道壁，并保证取芯钻杆的水平仰角为3°～5°，取芯钻杆垂直于巷道的轴线布置；

c、启动钻机，在钻孔标记1-1处钻取出3m长的破碎岩芯，然后再将取芯钻杆从该钻孔中抽出，并将该破碎岩芯从取芯钻杆中取出丢弃；

d、确定岩芯的三位坐标系：沿3m钻孔的轴向为y方向，垂直于该钻孔的断面为x0z面，向上为z方向，水平向为x方向；

e、使用水平定向系统在钻孔内标记出水平方向，即x0y面，然后再从钻孔中拿出水平定向系统；

f、将取芯钻杆放入钻孔内，并按标定的水平方向，沿y方向推进取芯钻杆，直至钻取出1m的岩芯，然后再抽出取芯钻杆，取出该岩芯；

g、重复e、f的取芯步骤，直至取出总计6块岩芯，并将6块岩芯按照钻取深度，依次标记为1-1a、1-1b、1-1c、1-1d、1-1e、1-1f；

h、重复步骤a～g，在每个钻孔标记处分别钻取出6块长度为1m的岩芯，总计24块岩芯，并安装步骤g的标记方法，将各个钻孔标记处的岩芯，分别标记成相应的标记号。

在步骤s2中，通过二次定角度取样装置对岩芯进行钻取，在1-1钻孔标记的六块岩芯中，分别钻取出x、y、z、x45°y、x45°z、y45°z六个方向的二次岩芯试块，1-2、2-1、2-2也分别按照以上方法分别钻取出x、y、z、x45°y、x45°z、y45°z六个方向的二次岩芯试块，钻出的二次岩芯试块的尺寸如下表1所示。

表1

上表中，d代表直径，h代表长度。

本发明在使用mts压力机压头进行单轴加载时，mts压力机处理器设置加载过程为位移控制，加载速度为0.005mm/s，为了消除岩芯3端部与mts压力机压头之间因摩擦而产生的噪声，实验中要在岩芯试块两端加压力垫块隔噪声减小摩擦，声信号传感器连接声信号放大器、信号处理器，放大器增益为40db，频率范围5khz-1500khz，采样频率2500khz，参数间隔200μs，声信号传感器拾取的声发射信号经前置放大和主放后由计算机分析仪进一步处理成声发射参数(事件累计、事件速率、振铃计数、能量累计等)。

在mts压力机压头加载压力时，需要采集mts压力机压头的轴向力与时间，本实验方法通过外参信号采集线连接mts压力机处理器的信号接收处，并通过外参转换器传输信号给信号处理器，进而通过计算机分析仪获得的相应的压力值与声发射数，确定岩石时间的凯塞效应点及对应的轴向力，其具体的连接方式均为常规连接方式，在此不再赘述。

在单轴压缩实验下，由mts压力机获得的各方向岩芯试块的抗剪强度参数，列在下表2中。

表2

本发明由于岩石kaiser效应只能在变形的弹性阶段才能发现，所以如果岩石的应力-应变曲线和相应的声发射特性曲线，即对振铃计数和能量计数进行适当处理，然后在弹性变形阶段，监测声发射振铃计数和累积能量曲线的突变点，进而可以确定该突变点为kaiser效应点。

在进行试验时，首先，以x方向的逆断层上盘的岩芯试块作为实验对象，两组逆断层上盘x方向岩芯试块的弹性加载时间范围均是0s～750s，当加载时间t＝580s时，能量计数第一次增大到385mv*ms，振铃计数第一次增大到98time/s。随后较长时间段内都没有超过改点处的能量计数和振铃计数，此时震荡阶段对应的应力点，可将其视为kaiser效应点，即逆断层上盘对应的x方向地应力为13.95mpa。

同理，对逆断层下盘x方向的两组岩芯试块进行实验，载荷范围为0s～1200s，对应的加载应力范围为0mpa～19mpa，当负载增加到900s时，监测到的累积能量计数激增很明显，此时能量计数将跳到1240mv*ms，此时对应的振铃计数跳到最大的560/次，但在接下来的情况下，没有发生这样的跳跃，将此时激烈震荡阶段的能量计数和振铃计数所对应的应力点，判断为岩石kaisr效应点，即逆断层下盘对应的x方向地应力为16.73mpa。

上述成组的岩芯试块为，从同一个钻孔标记处钻取的六个岩芯，再分别在这六个岩芯中二次钻取的岩芯试块为一组。

根据上述方法，再分别将其他各个方向的岩芯试块进行实验，得出各个方向上的岩芯试块的地应力如下表3所示。

表3

本发明的实验方法，对于主应力确定，目前常采用弹性力学方法，对声发射测试的特殊方向正压力进行计算得到测点主应力。在地下岩体中取微单元oabc为研究对象，其中oa、ob、oc分别与x，y，z方向重合，微单元的应力状态如下图11所示。面力t在3个方向分量分别为t¹，t²，t³。而面力t在平面abc上正应力分量为σn，剪应力为τn1，τn2，外法线方向余弦为l，m，n，则应力分量t¹，t²，t³可表示为：

受力物体的任意微小平面上，均存在正应力和剪应力，且存在剪应力为零的平面，即为主应力面，其上正应力为主应力。

此时，对应的t¹，t²，t³为

将式(2)带入式(1)可知

其中，σi(i＝1，2，3)为主应力，li，mi，ni为各主应力与直角坐标各坐标轴间夹角的余弦值。

由线性方程组(3)建立行列式为零并展开，可得

σ³-j1σ²+j2σ-j3＝0(5)

其中，

于是，可得测点处3个主应力的大小σi(i＝1，2，3)表达式如下：

其中，

根据上述理论公式推导，利用vb6.0软件的内置编辑代码器，开发可以计算地应力的矩形视窗(rectwin)。将表3中断层上、下盘附近对应的各方向正压力输入到地应力计算视窗，进而获得对应的主应力σi(i＝1，2，3)的大小和与空间坐标系方位。

由于每个测试孔的x，y，z所代表的含义有所不同，应当采用方位角和倾角表示其方向。主应力相较于y、z轴的方向余弦为mi，ni。于是，可知主应力σi的倾角和方位角计算如下：

式中：θi为主应力与xoy平面夹角，即倾角，正为仰角，负为俯角。βi为主应力在xoy平面上投影与x轴夹角，顺时针为正，逆时针为负，计算后根据x轴方位角换算为主应力的方位角。将计算出主应力的方位角和倾角，列在下表4中。

表4

本发明在煤矿巷道的掘进中，在逆断层上盘位置的两个钻孔标记处胶带机的走向为x轴wws250°，y轴为nnw340°，逆断层下盘位置的两个钻孔标记处胶带机走向为x轴ees92°，y轴为ssw182°。结合表4可知，逆断层上盘的σ1与xoy水平面夹角12.90°，方位角度为nnw333°与y轴nnw340°方位近似平行；σ2与xoy水平面夹角为65.16°，作用偏向z轴。逆断层下盘的σ1与xoy水平面夹角19.62°，方位角度为sse171°与y轴ssw182°方位近似平行；σ2与xoy水平面夹角为57.37°，作用偏向z轴。

由此可知，各钻孔标记处的地应力以构造应力为主，即最大主应力偏向巷道帮部，中间主应力偏向垂直。该初始主应力分布特征不利于巷道稳定性维护，需在设计巷道布设方式时考虑。

如图1～4所示，本发明在步骤s1中，采用的水平定向系统包括呈圆柱状的水准仪本体1，水准仪本体1为电子水准仪，水准仪本体1的输出端通过数据线与显示器3连接，显示器3设于岩心钻孔外，水准仪本体1安装在一个用于防护水准仪本体1的外壳2内，外壳2呈筒状，外壳2的外径小于岩心钻孔的孔径，水准仪本体1通过第二支架10安装在外壳2内。水准仪本体1的一端固定安装有一个水平标记装置4，水平标记装置4转动连接在水准仪本体1上，并通过调节旋钮5控制，水平标记装置4安装在水准仪本体1的一端，调节旋钮5设于水准仪本体1的另一端，水平标记装置4与水准仪本体1同心安装，调节旋钮5的一端伸进水准仪本体1内，另一端位于水准仪本体1的外部，并且调节旋钮5在位于水准仪本体1内的一端固定安装有一个角度传感器，角度传感器与水准仪本体1的控制系统连接，水准仪本体1在调节旋钮5的位置处还设有用于驱动调节旋钮5的驱动杆6，驱动杆6的一端与调节旋钮5配合，另一端穿出外壳2，驱动杆6穿出外壳2的端部设有第一支架8，如图5所示，第一支架8为具有四脚的圆形支架，第一支架8的四脚所围成的圆周与岩心钻孔的直径相适应。驱动杆6与第一支架8转动连接，驱动杆6在远离调节旋钮5的一端端部固定安装有与调节旋钮5配合的卡接件9，卡接件9朝向调节旋钮5的一端设有十字凹槽，调节旋钮5上设有与十字凹槽匹配的十字卡块。调节旋钮5、驱动杆6、水平标记装置4均与水准仪本体1同心。

如图6～8所示，本发明的驱动杆6在远离卡接件9的一端连接有连接杆11，连接杆11的一端与驱动杆6固定，另一端伸出岩心钻孔，连接杆11在靠近驱动杆6的一端沿轴向对称的开设有两条第一连接槽，第一连接槽内分别铰接有一个连接块12，连接块12靠近驱动杆6的一端与第一连接槽的槽底铰接，另一端通过弹簧14与第一连接槽的槽底连接，弹簧14处于压缩状态，驱动杆6靠近连接杆11的一端设有与连接杆11配合的第二连接槽13，第二连接槽13的两侧设有与连接块12配合的限位槽。本发明在进行深孔岩芯标定时，通过第二连接槽13将连接杆11以及连接块12卡住，由于连接块12一端与第一连接槽铰接，另一端与第一连接槽采用弹簧14连接，因而在弹簧14的作用下，连接块12被顶出第一连接槽，从而使得连接块12与限位槽配合，这时，不仅能够通过转动连接杆11实现对水平标记装置4进行调节，还能够通过连接杆11，将水准仪本体1拉出岩心钻孔，方便快捷。本发明为了便于在拉出水准仪本体1后，能够将连接杆11从驱动杆6上拆下，在连接块12的端部固定连接有一根压杆16，压杆16呈l型，压杆16的一端与连接块12连为一体，另一端穿出连接杆，并安装压头15，当按压压头15时，连接块12能够缩进第二连接槽13内，从而实现快速解除限位。

水平标记装置4包括标记杆401以及标记头402，标记杆401的一端插进水准仪本体1内，另一端朝远离调节旋钮5的一端延伸，标记杆401插进水准仪本体1的端部转动连接在水准仪本体1的壳体内，调节旋钮5通过连接件固定连接在标记杆401位于水准仪本体1内的端部，标记头402设于标记杆401位于水准仪本体1外部的端部。标记头402包括一根横杆以及两个椎体，两个椎体对称的安装在横杆的两端，并且横杆的中部固定安装在标记杆401的端部，横杆的长度与岩心钻孔的直径相适应。

第二支架10包括一对夹持件，夹持件为弹性钢棒，夹持件包括第一弧形部1001以及第二弧形部1002，第一弧形部1001以及第二弧形部1002分别夹持在水准仪本体1的两端，第一弧形部1001与第二弧形部1002之间通过连接棒1003连接在一起。连接棒1003为z型棒，连接棒1003的两端均沿水准仪本体1的轴线方向分布，连接棒1003的中间部分沿水准仪本体1的周向分布，并贴合在水准仪本体1的外壁，连接棒1003的中间部分的圆心角为90°，第一弧形部1001与第二弧形部1002分别固定在连接棒1003的两端，第一弧形部1001与第二弧形部1002平行。

水准仪本体1的外壁上设有与第二支架10契合的卡槽7，卡槽7的深度为弹性钢棒的直径的1/3。第一弧形部1001与第二弧形部1002的弧度均为150°，且第一弧形部1001、第二弧形部1002、连接棒1003为一体化设置。

水平定向系统在使用时，首先将水准仪本体1组装到外壳2内，本发明为了便于对水准仪本体1进行组装，可以在外壳2的内壁上沿轴线方向开设两条滑槽，然后在第二支架10的连接棒1003上固定安装于滑槽匹配的滑块，这样，在安装水准仪本体1时，先将第二支架10上的两个滑块分别卡到对应的滑槽内，并保证第二支架10的部分露在外壳2外，然后掰开第二支架10，并将水准仪本体1卡进第二支架10中，由于连接棒1003呈z型，而且水准仪本体1的外壁上设有与连接棒1003以及第一弧形部1001、第二弧形部1002相匹配的卡槽7，因此，当第二支架10卡进卡槽7内之后，水准仪本体1在轴向的转动被第二支架10限制，无法转动，从而可以保证后续在调节水平标记装置4时的有效性。在将水准仪本体1卡进第二支架10内后，再将第二支架10沿着外壳2的滑槽推进外壳2内，实现水准仪本体1的组装。需要指出的是，本发明的水平标记装置4以及调节旋钮5的安装是在组装水准仪本体1之前完成，本发明由于水准仪本体1是圆柱形，因而可以沿水准仪本体1的轴线开一条贯穿孔，然后将水平调节装置4插进贯穿孔内，调节旋钮5以及标记杆401在贯穿孔内通过连接件以及轴承连接在一起，以保证调节旋钮5能够驱动标记杆401转动起来，而水准仪本体1的控制系统的电子元件则安装在贯穿孔的周边。调节旋钮5的远离标记杆401的端部通过卡接件9再与驱动杆6进行配合，通过驱动杆6驱动调节旋钮5转动，进而实现标记杆401的转动，调节旋钮5的转动角度，通过角度传感器检测，再通过显示器3显示出来。本发明通过卡接件9将驱动杆6与调节旋钮5进行卡接，能够实现驱动杆6与调节旋钮5的拆分，在收起本发明时，减小空间占用。

本发明在步骤s5中，二次角度取样装置采用专利号为201320718709.6的取样装置，在此不再赘述。

本发明的岩芯钻取方法，能够保证在深孔钻取岩芯时，取芯钻杆能够保持同向钻进，进而保证钻取的岩芯的合格，以便于保证逆断层地应力测试实验的顺利进行，提高了对逆断层岩芯测试的精确性。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。