一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置及方法

本发明涉及地应力测试，特别是涉及一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、目前，应力解除法、水压致裂法和声发射法是隧道地应力测量的常用方法，应力解除法记录应力解除前后应力释放产生的应变差值，根据弹性理论计算应力大小和方向，但该方法需要完整性高的岩石、无法测量深部的应力，而且成本较高；水压致裂法是通过在钻孔中封隔一段钻孔，向封隔段内注入高压流体导致孔壁岩体涨裂来确定地应力的方法，但此方法仪器复杂，耗费大量人力物力，所以测量的数据也很少；声发射法需要从原岩中取回定向的岩石试件并在实验室开展测定，无法提供现场的实时测量。

3、针对现有隧道地应力测量方法的不足，提出了基于声波信息和凿岩台车随钻参数的地应力估算方法，此方法基于采集的钻孔声波数据进行波速计算和椭圆回归分析，利用最优拟合波速椭圆和凿岩台车随钻参数进行地应力状态估计。

4、但是，此方法需在钻孔中注满水，将声波发射器与声波接收器置入水中，让水成为声波传播的介质，而在裂隙较多的岩体中，钻孔中的水会迅速流失，导致试验无法顺利开展；同时，此方法即使摆脱对水的依赖，也会受到孔中空气的影响，导致采集的数据不准确。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置及方法，采用牵引装置与气囊的耦合设计，带动声波发射器与声波接收器的移动，并使声波发射器和声波接收器紧贴孔壁，解决声波数据采集时需要用水作为孔中声波传播介质的问题以及减少钻孔中空气对声波传播的影响。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，包括：声波发射组件、声波接收组件和充气组件；所述声波发射组件和声波接收组件设于钻孔内；

4、所述声波发射组件包括第一气囊、设于第一气囊上的声波发射器以及与第一气囊连接的第一牵引装置；第一牵引装置用于带动第一气囊移动至指定位置；

5、所述声波接收组件包括第二气囊、设于第二气囊上的声波接收器以及与第二气囊连接的第二牵引装置；第二牵引装置用于带动第二气囊移动至指定位置；

6、所述第一气囊和第二气囊均与充气组件连接，以使声波发射器与声波接收器与孔壁接触。

7、作为可选择的实施方式，所述钻孔为处于同一水平面上的两个水平钻孔，声波发射组件和声波接收组件分别设于两个水平钻孔内。

8、作为可选择的实施方式，多个声波发射器按一定间距可拆卸设置在第一气囊的一侧，多个声波接收器按一定间距可拆卸设置在第二气囊的一侧。

9、作为可选择的实施方式，所述第一牵引装置和第二牵引装置结构相同，均包括圆环形铁片、设于圆环形铁片上的滑轮以及控制滑轮转动的电机，以带动声波发射器和声波接收器在钻孔内移动。

10、作为可选择的实施方式，所述充气组件设于钻孔外，第一气囊和第二气囊均连接一个充气组件。

11、作为可选择的实施方式，所述充气组件包括气压活塞、气压表、充气泵和橡胶管；所述充气泵通过橡胶管与第一气囊或第二气囊连接，所述橡胶管上设有用于调节气压的气压活塞和用于监测气压值的气压表。

12、作为可选择的实施方式，地应力测试装置还包括控制终端，所述控制终端与声波发射器和声波接收器无线连接，以控制声波发射器和声波接收器的工作状态并接收声波接收器采集的声波信息。

13、作为可选择的实施方式，所述控制终端依次控制每个声波发射器发出声波，并控制所有声波接收器接收声波，以记录不同位置处声波接收器所采集到的声波信息。

14、作为可选择的实施方式，所述控制终端与第一牵引装置和第二牵引装置通过电缆连接，通过控制第一牵引装置和第二牵引装置的启停、移动速度和移动距离，使声波发射器和声波接收器到达指定位置。

15、第二方面，本发明提供一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试方法，采用第一方面所述的地应力测试装置，包括：

16、将声波发射组件和声波接收组件设于同一水平面上的两个水平钻孔内；

17、控制启动牵引装置带动声波发射器和声波接收器移动至钻孔内的指定位置；

18、控制启动充气组件向气囊内充气，使声波发射器和声波接收器与孔壁接触；

19、依次控制每个声波发射器发出声波，并控制所有声波接收器接收声波，以记录不同位置处声波接收器所采集到的声波信息。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、本发明提出一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，将声波发射器与声波接收器设于气囊上，采用牵引装置与气囊的耦合设计来带动声波发射器与声波接收器的移动，使声波发射器和声波接收器可以分布在钻孔的不同位置处，从而可在钻孔中不同位置发射和接收不同方向的声波信息，节省数据采集时间。

22、本发明提出一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，通过气囊使声波发射器和声波接收器紧贴孔壁，解决声波数据采集时需要用水作为孔中声波传播介质的问题，摆脱试验仪器对水的依赖及减少钻孔中空气对声波传播波速的影响。

23、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，包括：声波发射组件、声波接收组件和充气组件；所述声波发射组件和声波接收组件设于钻孔内；

2.如权利要求1所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，所述钻孔为处于同一水平面上的两个水平钻孔，声波发射组件和声波接收组件分别设于两个水平钻孔内。

3.如权利要求1所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，多个声波发射器按一定间距可拆卸设置在第一气囊的一侧，多个声波接收器按一定间距可拆卸设置在第二气囊的一侧。

4.如权利要求1所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，所述第一牵引装置和第二牵引装置结构相同，均包括圆环形铁片、设于圆环形铁片上的滑轮以及控制滑轮转动的电机，以带动声波发射器和声波接收器在钻孔内移动。

5.如权利要求1所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，所述充气组件设于钻孔外，第一气囊和第二气囊均连接一个充气组件。

6.如权利要求1所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，所述充气组件包括气压活塞、气压表、充气泵和橡胶管；所述充气泵通过橡胶管与第一气囊或第二气囊连接，所述橡胶管上设有用于调节气压的气压活塞和用于监测气压值的气压表。

7.如权利要求1所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，地应力测试装置还包括控制终端，所述控制终端与声波发射器和声波接收器无线连接，以控制声波发射器和声波接收器的工作状态并接收声波接收器采集的声波信息。

8.如权利要求7所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，所述控制终端依次控制每个声波发射器发出声波，并控制所有声波接收器接收声波，以记录不同位置处声波接收器所采集到的声波信息。

9.如权利要求7所述的一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置，其特征在于，所述控制终端与第一牵引装置和第二牵引装置通过电缆连接，通过控制第一牵引装置和第二牵引装置的启停、移动速度和移动距离，使声波发射器和声波接收器到达指定位置。

10.一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的地应力测试装置，包括：

技术总结
本发明公开一种用于岩体钻孔声波信息采集的地应力测试装置及方法，包括：声波发射组件、声波接收组件和充气组件；声波发射组件包括第一气囊、设于第一气囊上的声波发射器以及与第一气囊连接的第一牵引装置；声波接收组件包括第二气囊、设于第二气囊上的声波接收器以及与第二气囊连接的第二牵引装置；牵引装置用于带动气囊移动至指定位置；第一气囊和第二气囊均与充气组件连接，以使声波发射器与声波接收器与孔壁接触。采用牵引装置与气囊的耦合设计，带动声波发射器与声波接收器的移动，并使声波发射器和声波接收器紧贴孔壁，解决声波数据采集时需要用水作为孔中声波传播介质的问题以及减少钻孔中空气对声波传播的影响。

技术研发人员：石少帅,杨士杰,赵瑞杰,郭伟东,肖喜
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16