一种井下随钻地应力测量系统

本技术涉及岩土勘探测量，尤其涉及一种井下随钻地应力测量系统。

背景技术：

1、地应力是矿井采掘生产活动中的常用地质参数，地应力的测量与分布反演对矿山开采、地下空间建设、地质灾害预测均具有十分重要的意义。传统的地应力测量方法包括：套芯应力解除法、水压致裂法、应变恢复法、钻孔崩落法、声发射法，还有少数预埋传感器的测试方法（如光纤应力法）十分依赖封孔技术，测试结果的可重复性差。

2、绝大多数地应力测量方法仅适合在坚硬岩层中应用，煤层是地层中的薄弱层，比大多数地层的强度更低，强度最低的糜棱构造煤层性质与土相似，因此目前煤矿开采所采用的煤层地应力数据大多来源于顶底板岩层的测量结果，尚缺乏适用于软岩的地应力测试表征方法。因此亟需一种适用于软岩的地应力测量系统。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种井下随钻地应力测量系统，结合打钻过程中的钻机输出能量、钻屑量与钻屑粒度分布，计算软岩的原位地应力大小，其结果可用于指导煤矿安全生产，用于地质信息表征与灾害预测，尤其是井下煤岩动力灾害危险性预测。

2、本实用新型的目的是这样实现的：

3、一种井下随钻地应力测量系统，它包括钻进能量计算单元和破碎能量计算单元；所述钻进能量计算单元包括设置在钻机上的钻机扭矩与转速监测装置，钻机设置在巷道内，钻机的钻杆向上穿入被测煤岩层，在巷道内施工直径为φ（单位m）的上向穿层钻孔；

4、所述破碎能量计算单元包括筛分系统、称重系统和破碎装置，筛分系统收集钻进能量计算单元中的钻屑，称重系统连接筛分系统，用于筛分系统的钻屑的质量；所述破碎装置包括气体密封装置、落锤和落锤保护筒，粒径大于d1的钻屑置于落锤保护筒的底部，所述落锤保护筒内部设置可升降的落锤，所述落锤保护筒的顶面设有气体密封装置，所述落锤保护筒的顶部连接瓦斯气源。

5、进一步地，所述筛分系统可采用多级筛分装置，称重系统可采用电子天平，电子天平用于称重多级筛分装置的每级筛网上钻屑的质量。

6、进一步地，所述落锤保护筒还分别连接气体压力表和真空泵。

7、进一步地，它还包括地应力能量计算单元，所述地应力能量计算单元根据岩石破碎能量消耗=地应力能量+钻机钻进能量，得出地应力能量=破碎能量消耗-钻机钻进能量，钻机钻进能量由钻进能量计算单元得出，破碎能量消耗由破碎能量计算单元得出，由此可测算出地应力能量。

8、进一步地，钻进能量计算单元利用传感器实时收集钻杆的扭矩t（单位n∙m）与转速nr（单位r/min），则钻机打钻过程中的有效功率为p = tnr/9.549（单位w），计算钻机在被测岩层中的输入能量w1（单位j），，其中t为钻机在被测岩层中打钻的时间。

9、进一步地，多级筛分装置将被测岩层钻屑筛分完毕后，用电子天平依次获取每个筛网上钻屑的质量，记第n个筛网的筛孔直径为dn，筛上的钻屑质量为mn（单位kg），则第n个筛网上钻屑的外表面积为sn= 12mn/(ρdn+ρdn-1)，为钻屑的视密度（单位kg/m3），当n为1时，dn-1=2d1；

10、计算所有筛网上的钻屑外表面积，并累加获得钻屑的总外表面积；

11、令重2.4kg的落锤从0.6m的高度自由落体，冲击底座内的钻屑，重复落锤3~5次，并记落锤次数为a；计算落锤输入的总能量e = 14.1a（单位j），将底座内的钻屑碎片放入筛分装置中，重复上述筛分和计算钻屑的总外表面积s，落锤破碎后的钻屑外表面积s'；

12、计算获得被测软岩层的在落锤条件下的破碎表面能耗γ=e/s'（单位j/m2），钻进条件下的破碎表面能耗与落锤条件下的表面能耗呈线性关系，记该比例为ξ，则钻进条件下的破碎表面能耗为γ=ξe/s'，为提高测试结果精度，对于不同被测岩层，ξ最好单独开展实验测试验证；

13、计算打钻过程中，岩石破碎所消耗的总能量w2=γsn；

14、计算打钻过程中，地应力所提供的岩石破碎能量w3=w2-w1；

15、将地应力所提供的破碎能量分为两部分，即被钻出岩屑在原位条件下具有的变形能w3，2和地层对被钻出岩屑所做的功w3，1，将钻孔假定为平面应变条件，则根据弹性力学理论有：无限大静水压环境地层对钻孔所做的功为w3，1=2π(1+ν)p2φ2l/(3ey)，钻孔内被钻出岩体的原位变形能为w3，2=3π(1-2ν)p2φ2l/(8ey)，其中ey与ν为被测岩层的杨氏模量（单位pa）与泊松比，p为被测岩层的原位地应力（单位pa），l为钻孔在被测岩层中的长度（单位m）。

16、进一步地，根据w3，1+w3，2=w2-w1，联立上述步骤中公式，可获得被测岩层的地应力计算公式，即地应力能量：

17、。

18、与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

19、本实用新型的地应力测量系统对岩石硬度要求更加宽松，适用于软岩，尤其是煤层；非常适用于煤矿生产，可以有效利用瓦斯抽采钻孔，实现一孔多用，促进钻孔信息化，收集的钻屑未来可以被用于矿山精细瓦斯地质结构的进一步分析；同时，本实用新型中提出的地应力测量系统，可被分为钻进能量计算—破碎能量计算—地应力能量计算这三个单元。

20、本实用新型的全自动化井下随钻地应力测量装置，测试方法简单，尤其针对煤矿工程，不需要增加新设备与新工序，降低测试成本，并将煤矿井下的原有钻孔利用得更加充分，有利于推进矿井智能化灾害预警分析的发展。本实用新型将密集的瓦斯抽采钻孔利用起来，可以获得详细的地应力分布数据。

技术特征：

1.一种井下随钻地应力测量系统，其特征在于：它包括钻进能量计算单元和破碎能量计算单元；所述钻进能量计算单元包括设置在钻机（5）上的钻机扭矩与转速监测装置（4），钻机（5）设置在巷道（3）内，钻机（5）的钻杆（2）向上穿入被测煤岩层（1），在巷道内施工上向穿层钻孔；所述破碎能量计算单元包括筛分系统（7）、称重系统（8）和破碎装置，筛分系统（7）收集钻进能量计算单元中的钻屑，称重系统（8）连接筛分系统（7），用于筛分系统（7）的钻屑的质量；所述破碎装置包括气体密封装置（9）、落锤（10）和落锤保护筒（12），所述落锤保护筒（12）内部设置可升降的落锤（10），所述落锤保护筒（12）的顶面设有气体密封装置（9），所述落锤保护筒（12）的顶部连接瓦斯气源（15）。

2.根据权利要求1所述的一种井下随钻地应力测量系统，其特征在于：所述筛分系统（7）采用多级筛分装置，称重系统（8）采用电子天平，电子天平用于称重多级筛分装置的每级筛网上钻屑的质量。

3.根据权利要求1所述的一种井下随钻地应力测量系统，其特征在于：所述落锤保护筒（12）还分别连接气体压力表（13）和真空泵（14）。

技术总结
本技术涉及的一种井下随钻地应力测量系统，它包括钻进能量计算单元、破碎能量计算单元和地应力能量计算单元；所述钻进能量计算单元包括设置在钻机上的钻机扭矩与转速监测装置，钻机设置在巷道内；所述破碎能量计算单元包括筛分系统、称重系统和破碎装置，筛分系统收集钻进能量计算单元中的钻屑，称重系统连接筛分系统，用于筛分系统的钻屑的质量；所述破碎装置包括气体密封装置、落锤和落锤保护筒，所述落锤保护筒内部设置可升降的落锤，所述落锤保护筒的顶面设有气体密封装置，所述落锤保护筒的顶部连接瓦斯气源。本技术非常适用于煤矿生产，可以有效利用瓦斯抽采钻孔，实现一孔多用，促进钻孔信息化。

技术研发人员：蒋静宇,王成浩
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：20230816
技术公布日：2024/4/7