专利名称：一种钻孔内围岩三向变形测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及钻孔内围岩三向变形测量技术领域，具体来说是涉及一种钻孔内围岩三向变形测量装置，其主要功能是能够对钻孔内纵向以及钻孔截面的两个垂直径向进行三向变形监测，并结合时滞性岩爆发生前的变形特征对岩爆风险进行预测评估。
背景技术：
随着我国地下工程的不断进步和发展，水电、交通及采矿工程中有不断向深部发展，大多数重点大型工程项目具有埋深大、地应力高的特点，面临着岩爆的巨大威胁。岩爆的预测工作对工程而言不仅仅能够保护生命财产安全，还能保证工程的顺利开展。从工程实践来看，目前岩爆的预测研究大致集中在以下三个方面(1)在室内试验的基础上建立的各类判据法预测岩爆，也是目前理论研究比较丰富的一个方面，例如陶振宇判据、岩爆冲击性指标、Russenes岩爆判据法等等。(2)基于经验和数学分析基础上的多指标综合判定方法，例如模糊数学以及智能方法在岩爆预测中的应用等。(3)基于地质和现场监测技术对岩爆进行的实时动态反馈预测方法。这类方法往往运用声发射、微震、电磁波等等先进手段对岩体进行监测预报。目前岩爆的预测还处在一种粗放式的研究中，预测的准确性还比较低。一方面，由于岩爆形成的机制复杂，相关因素多；另一方面，工程实际的地质条件千差万别，给确定标准化的岩爆预测手段带来了极大的干扰。岩爆的发生不仅取决于岩石本身的性质，还取决于所赋存的地质环境和工程环境。如何准确的预测岩爆，已经成为了一项刻不容缓的工作。众所周知，岩爆的发生具有明显的时间滞后性，即岩爆的发生往往是滞后于工程岩体的开挖时间。岩爆的滞后性为预测和防治工程灾害赢得了宝贵的时间，通过工程现场观察总结发现，发生岩爆的卸荷岩体往往会发育有丰富的裂隙，一方面由于岩爆的时滞性， 裂隙有充分的时间扩展，另一方面卸荷岩体进行应力的自适应调整，当无法满足岩体的稳定性要求时就有可能以岩爆的方式来释放能量。我国学者提出的板状裂化模型就是对这种现象的简明概括。在室内试验中，通过对岩爆洞段的岩石进行峰前的单轴静态加载，发现岩样在时间的累计作用下，在轴向压力方向也产生了大量的裂纹，这与现场工程情况吻合。通过对现场情况的总结和对室内试验的分析发现，岩爆岩体在最大主应力方向的应变一般小于卸荷方向，体现在单轴静加载试验的岩样上，即环向应变一般要大于轴向应变。而在常规的单轴压缩试验中，岩样的轴向应变一般是大于其环向应变的。利用这个性质，我们设计了钻孔内围岩三向变形测量装置，该装置不仅能够抓住岩爆岩体的本质变形特点对岩爆进行预测，还能够对围岩的安全起到一定的预警作用。
发明内容本实用新型的目的是在于提供了一种钻孔内围岩三向变形测量装置，结构简单， 使用方便，能够准确测量钻孔内围岩的三向变形，并结合现场地质特征以及岩爆的变形孕育特征来预测岩爆的发生。该装置对工程岩体的适应性广泛，不受岩体种类的限制。[0008]为了实现上述的目的，本实用新型采用以下技术措施一种钻孔内围岩三向变形测量装置，它由横向测试装置、第一竖向测试钢片、第二竖向测试钢片、第一电阻应变片、支撑导向杆、支撑杆平衡定位托组成，其中横向测试装置包括强力支撑装置、横向测试装置探头、第二电阻应变片以及横向测试装置钢片，其特征在于横向测试装置与贴有第一电阻应变片的第一竖向测试钢片和第二竖向测试钢片相连， 支撑导向杆端部与横向测试装置卡槽相连接，横向测试装置通过横向测试装置卡槽固定在支撑导向杆上，支撑导向杆上装有支撑杆平衡定位托，第一竖向测试钢片、第二竖向测试钢片支撑在横向测试装置中的弹簧外套管上，强力支撑装置起到固定整个横向测试装置的作用，横向测试装置探头与横向测试装置钢片相连，且在横向测试钢片两面均贴有第二电阻应变片。所述的横向测试装置包括强力支撑装置、横向测试装置探头、第二电阻应变片和横向测试装置钢片，强力支撑装置起到支撑固定整个横向测试装置的作用，横向测试装置探头一端接触钻孔壁，另一端连接横向测试装置钢片的中点，第二电阻应变片布置在横向测试装置钢片的两面。横向测试装置与竖向测试钢片的重复排列，其作用是对钻孔内任意小段进行三向变形监测。五个或者五个以上横向测试装置与相匹配的第一竖向测试钢片与第二竖向测试钢片以及钢片上的第一电阻应变片作为测试主体，其中横向测试装置测量围岩的平行于钻孔截面的平面上任意两个方向的变形，第一竖向测试钢片与第二竖向测试钢片以及贴在钢片上的第一电阻应变片测量钻孔中某一小段沿钻孔方向的变形。安装时，竖向测试钢片和竖向测试钢片以及钢片上贴的电阻应变片固定在一个横向测试装置上，放入钻孔后顶在前一个横向测试装置上，当该小段的洞径方向的变形使得第一竖向测试钢片和第二竖向测试钢片产生变形，第一电阻应变片阻值的改变将标定这一变形。横向测试装置是由强力支撑装置和由横向测试装置探头、第二电阻应变片、横向测试装置钢片组成的，其作用是固定测点的位置和测量该段的沿孔径向的变形。强力支撑装置包括四个强力支撑弹簧、四个支撑小钢球、四个弹簧外套管和横向测试装置卡槽，支撑小钢球在强力支撑弹簧在作用下支撑在孔壁上，在强力支撑弹簧的弹簧外套管上安装着横向测试装置钢片，横向测试装置钢片的中点处连接横向测试装置探头。其中，四个支撑小钢球通过四个强力支撑弹簧作用支撑在孔壁上，起到固定整个横向测试装置的作用。当横向测试装置送入钻孔后，强力支撑弹簧压缩的反力将作为支撑力牢牢支撑在钻孔壁上，起到固定的作用。在四个强力支撑弹簧的弹簧外套管上安装着四个长为8cm的横向测试装置钢片，横向测试装置钢片的中点处连接横向测试装置探头，横向测试装置探头直接顶在钻孔壁上，其作用是监测孔壁沿孔径方向的变形，孔径方向变形的改变将使得横向测试装置钢片两面电阻应变片的电阻值发生改变从而获得该方向上的变形值。第一竖向测试钢片与第二竖向测试钢片都分别与弹簧外套管通过螺丝相连接，起到固定竖向测试钢片的作用，且固定在该横向测试装置上的竖向测试钢片与竖向测试钢片的另一端顶在下一个横向测试装置的弹簧外套管上，能够获得较好的弹性以便监测。支撑导向杆的端头尺寸与横向测试装置卡槽的尺寸互相匹配，其连接方式如图1 所示，支撑导向杆放置与平衡定位托的扇形内弧，外弧与钻孔壁贴合，而平衡定位托置于钻孔中，与孔壁相接触，其作用是平衡定位托与支撑导向杆的相互配合能够使得横向测试装置在安装的过程中始终保持垂直于洞轴线方向。将横向测试装置固定的支撑导向杆和平衡定位托，安装过程中支撑导向杆始终保持在与钻孔的中心线重合的位置。其中导向杆和辅助平衡托是安装竖向和横向测试装置的工具，不直接参与测试工作。支撑导向杆和平衡辅助托共同工作能够确保孔径方向的测量位置是垂直于洞轴线的；竖向测试装置的两个支点分布在前后的两个横向测试装置的弹簧外套管上，对洞轴线方向的变形进行测量；横向测试装置能够支撑在围岩上且对孔径方向的任意两向变形进行监测。支撑导向杆端部为螺纹卡头，与横向测试装置的横向测试装置卡槽的内圈螺纹是互相匹配的。支撑导向杆与横向测试装置的卡槽互相连接，通过平衡辅助托的帮助将横向测试装置送入半径为15cm的钻孔中，将横向测试装置放入既定的位置后，反旋支撑导向杆，支撑导向杆的端部与横向测试装置的卡槽脱离连接即可将支撑导向杆退出。支撑导向杆退出后可进行下一个横向测试装置的安装，此时特别注意在两个横向测试装置之间支撑着两个竖向测试钢片、第一竖向测试钢片，第二竖向测试钢片、钢片的两面装有第一电阻应变片，从而达到测试洞轴线方向变形的目的。该测试装置灵活多变，可根据现场的实际需要来安装横向测试装置的位置和数量。本发明与现有技术相比，具有以下优点1、该发明利用了岩爆的时滞性特点和岩爆明显的变形特点来预测岩爆，不受工程岩体类别的影响以及施工过程的干扰，具有良好的普遍适用性。2、该设备原理简单，功能实用。探头均直接作用于围岩，测量直接准确，且操作简单直观，现场工人就可掌握，推广性强。不仅仅能够预测岩爆，还能顺带监测围岩的变形，为围岩的加固提供必要的数据支持。3、该装置造价低，且不需要灌浆处理，安装灵活激动，安装的数量和位置均可以根据现场的实际情况进行调整，且只要钻孔大致完好就完全可回收使用。4、该装置较目前市面上的一般测量装置有显著的优点，一般测量装置一般只能测量沿钻孔洞轴线方向的变形，而围岩三向测量装置能够很好的测量围岩三向的变形，更好的监测围岩，为工程开展提供更加充分详细的数据支持。
图1为一种钻孔内围岩三向变形测量装置整体结构示意图图2为一种围岩横向测量装置结构示意图图3为一种支撑于围岩的强力弹簧示意图图4为一种横向测试装置卡槽示意图图5为一种支撑导向杆示意图图6为一种支撑杆平衡定位托平面图其中钻孔壁1、横向测试装置2、第一竖向测试钢片3 (长为12cm的钢片)、第二竖向测试钢片4 (长为12cm的钢片)、第一电阻应变片5、横向测试装置探头6 (5cm长小钢柱)、第二电阻应变片7、横向测试装置钢片8 (长为8cm的钢片)、弹簧外套管9、强力支撑装置10、支撑小钢球11、强力支撑弹簧12(强烈压缩时长度约为IOcm)、横向测试装置卡槽13 (最小内径为5cm，最大内径为7cm的卡槽，口径大的方向朝向钻孔口)、支撑导向杆14(为轻合金材料，端头前端半径为5cm，端头末端半径为7cm)、支撑杆平衡定位托15 (采用轻合金材料，扇形前端为半径为5cm的60°圆弧，末端为半径为15cm的60°圆弧)。
具体实施方式
—种钻孔内围岩三向变形测量装置，它由横向测试装置2、第一竖向测试钢片3、 第二竖向测试钢片4、第一电阻应变片5、支撑导向杆14、支撑杆平衡定位托15组成，其中横向测试装置2包括强力支撑装置10、横向测试装置探头6、第二电阻应变片7以及横向测试装置钢片8，其连接关系是横向测试装置2与第一竖向测试钢3、第二竖向测试钢片4相连，其作用是通过这两部分的重复排列，可以对钻孔内任意小段进行三向变形监测。横向测试装置2分别与相匹配的第一竖向测试钢3、第二竖向测试钢片4以及钢片上的第一电阻应变片5相连，五个或者五个以上横向测试装置2与相匹配的第一竖向测试钢A与第二竖向测试钢片4以及钢片上的第一电阻应变片5作为测试主体，横向测试装置2上有横向测试装置卡槽13，支撑导向杆14端部有与横向测试装置卡槽13匹配的螺纹接口，支撑导向杆 14上的一端通过横向测试装置卡槽13与横向测试装置2相连，支撑导向杆14上装有支撑杆平衡定位托15，其中横向测试装置2测量围岩的平行于钻孔截面的平面上任意两个方向的变形，第一竖向测试钢片3与竖向第二测试钢片4以及贴在钢片上的电阻应变片测量钻孔中某一小段沿钻孔方向的变形。安装时，第一竖向测试钢片3、第二竖向测试钢片4及钢片上贴的电阻应变片5固定在一个横向测试装置2上，放入钻孔后顶在前一个横向测试装置2上，当该小段的洞泾方向的变形使得第一竖向测试钢片3和第二竖向测试钢片4产生变形，电阻应变片5阻值的改变将标定这一变形。横向测试装置2由强力支撑装置10、横向测试装置探头6、第二电阻应变片7、横向测试装置钢片8组成，其连接关系是强力支撑装置10上套有四个弹簧外套管9，横向测试装置探头6与横向测试装置钢片8相连，在横向测试装置探头6的一端装有第二电阻应变片7，与其作用是固定测点的位置和测量该段的沿孔径向的变形。强力支撑装置10包括四个强力支撑弹簧12、横向测试装置卡槽13、四个支撑小钢球11和和四个弹簧外套管9组成。所述的强力支撑装置10包括四个强力支撑弹簧12、横向测试装置卡槽13、支撑小钢球 11和和弹簧外套管9，支撑小钢球11通过强力支撑弹簧12支撑在孔壁1上，在强力支撑弹簧12的弹簧外套管9上安装着横向测试装置钢片8，横向测试装置钢片8的中点处连接横向测试装置探头6。其中，四个支撑小钢球11通过四个强力支撑弹簧12支撑在孔壁1上， 起到固定整个横向测试装置2的作用。在四个强力支撑弹簧12的弹簧外套管9上安装着四个长为8cm的横向测试装置钢片8，横向测试装置钢片8的中点处连接横向测试装置探头 6，横向测试装置探头6直接顶在钻孔壁1上，其作用是监测孔壁沿孔径方向的变形，孔径方向变形的改变将使得横向测试装置钢片8两面电阻应变片7的电阻值发生改变从而获得该方向上的变形值。而强力支撑装置10主要是由连接在横向测试装置卡槽13上的四个强力支撑弹簧12及连接在弹簧上的小球11组成，当横向测试装置送入钻孔后，强力支撑弹簧压缩的反力将作为支撑力牢牢支撑在钻孔壁上，起到固定的作用。第一竖向测试钢片3与第二竖向测试钢片4都分别与弹簧外套管9通过螺丝相连接，起到固定的作用，且固定在该横向测试装置2上的第一竖向测试钢片3与第二竖向测试钢片4的另一端顶在下一个横向测试装置3的弹簧外套管9上。支撑导向杆14的端头尺寸与横向测试装置卡槽13的尺寸互相匹配，其连接方式如图1所示，支撑导向杆14放置与平衡定位托15的扇形内弧，外弧与钻孔壁贴合，而平衡定位托置于钻孔中，与孔壁1相接触，其作用是平衡定位托与14与支撑导向杆的相互配合能够使得横向测试装置2在安装的过程中始终保持着垂直洞轴线方向。横向测试装置2固定的支撑导向杆14和平衡定位托15，安装过程中支撑导向杆 14始终保持在与钻孔的中心线重合的位置。其中支撑导向杆14和辅助定位托15是安装竖向和横向测试装置的工具，不直接参与测试工作。支撑导向杆14和平衡辅助托15共同工作能够确保孔径方向的测量位置是垂直于洞轴线从而保证测量效果；第一竖向测试钢片3 和第二竖向测试钢片4的两个支点分布在前后的两个横向测试装置2上，对洞轴线方向的变形进行测量；横向测试装置能够支撑在围岩上且对孔径方向的任意两向变形进行监测。支撑导向杆14前端为螺纹卡头，与横向测试装置2的横向测试装置卡槽13的内圈螺纹卡槽的螺纹是互相匹配的。支撑导向杆与横向测试装置的卡槽13互相连接，通过平衡辅助托15的帮助将横向测试装置2送入孔半径为15cm的钻孔中，将横向测试装置2放入既定的位置后，反旋支撑导向杆14，支撑导向杆14的端部与横向测试装置的卡槽13脱离连接即可将支撑导向杆14退出。支撑导向杆14退出后可进行下一个横向测试装置2的安装，此时特别注意在两个横向测试装置之间支撑着第一竖向测试钢片3、第二竖向测试钢片 4，第一竖向测试钢片3、第二竖向测试钢片4的两面布置有第一电阻应变片5。该测试装置灵活多变，可根据现场的实际需要来安装横向测试装置的位置和数量。其操作过程是(1) 将横向测量装置2通过横向测试装置卡槽13的螺口与支撑导向杆14连接后大致判断地应力的方向，调整横向测试装置2的放置角度。将其整体放入半径为15cm 的钻孔中，并将平衡定位托15放置在支撑导向杆14的下方，将横向测量装置放入钻孔中的指定位置。其中，支撑导向杆14与平衡定位托15联合工作，横向测试装置2的卡槽与平衡导向杆14的卡头通过螺纹连接在一起，定位托15在定位杆下托住，使得横向测试装置2的整个盘面与钻孔的洞泾方向垂直，从而达到测量要求。(2) 进入钻孔后，横向测试装置2上的强力弹簧12前端的小钢球13由于弹簧的挤压而支撑于孔壁上，由于孔壁一般不能保证绝对的光滑，且钢球13的尺寸较小，故可以提供足够的支撑将整个系统与围岩固定在一起。于此同时，横向测试装置2也是竖向测试装置的第一竖向测试钢片3、第二竖向测试钢片4的支撑点，第一竖向测试钢片3、第二竖向测试钢片4的另外一个支撑点在下一个平衡测试装置2上。(3) 反方向旋转支撑导向杆14，将支撑导向杆14抽出，此时，一个横向测试装置2布置就位。重复第一步骤，此时需注意第二个横向测量装置2上的沿孔径方向的第一竖向测量钢片3、第二竖向测试4与前一个横向测量装置2保持合适的位置，使得钢片弹性良好，一般要求间距为10cm。两个横向测试装置2间的距离合适，则两端支撑在横向测试装置2上的钢片布置就位，以此类推。(4) 根据需要分布横向测量装置2，以获得三向的围岩变形。且在IOcm的距离内，可得到六个相对变形，可分析出该测量段的裂纹走向和张合情况。例如，横向测试装置2的两个测量方向的应变出现差异即可判定出现裂纹，再根据竖向测试装置上的两个测点的变形情况即可锁定裂纹的走向。分时段观测，特别是在洞段进行了大尺度的掘进或者爆破后密集注意装置的读数变化情况，由于在孔的洞泾方向垂直于临空面，可以大致认为该方向卸荷侯是一个主应力
7方向，且该方向的主应力为OMPa，在竖向变形与最大地应力方向即设置的孔径测试方向的变形接近时开始预警岩爆。
权利要求1.一种钻孔内围岩三向变形测量装置，它由横向测试装置(2)、第一竖向测试钢片 (3)、第二竖向测试钢片(4)、第一电阻应变片(5)、支撑导向杆(14)、支撑杆平衡定位托 (15)组成，其中横向测试装置(2)包括强力支撑装置(10)、横向测试装置探头(6)、第二电阻应变片(7)以及横向测试装置钢片(8)，其特征在于横向测试装置(2)与贴有第一电阻应变片(5)的第一竖向测试钢片(3)和第二竖向测试钢片(4)相连，支撑导向杆(14)端部与横向测试装置卡槽(13)相连接，横向测试装置(2)通过横向测试装置卡槽(13)固定在支撑导向杆(14)上，支撑导向杆(14)上装有支撑杆平衡定位托(15)，第一竖向测试钢片(3)、 第二竖向测试钢片(4)支撑在横向测试装置(2)中的弹簧外套管(9)上，横向测试装置探头 (6)与横向测试装置钢片(8)相连，在横向测试钢片两面均贴有第二电阻应变片(7)。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔内围岩三向变形测量装置，其特征在于所述的横向测试装置(2)包括强力支撑装置(10)、横向测试装置探头(6)、第二电阻应变片(7)和横向测试装置钢片(8)，横向测试装置探头(6) —端接触钻孔壁(1)，另一端连接横向测试装置钢片(8)的中点，第二电阻应变片(7)布置在横向测试装置钢片(8)的两面。
3.根据权利要求1所述的一种钻孔内围岩三向变形测量装置，其特征在于所述的强力支撑装置(10)包括四个强力支撑弹簧(12)、横向测试装置卡槽(13)、四个支撑小钢球 (11)和四个弹簧外套管(9)，支撑小钢球(11)通过强力支撑弹簧(12)支撑在孔壁(1)上， 在强力支撑弹簧(12)的弹簧外套管(9)上安装着横向测试装置钢片(8)，横向测试装置钢片(8)的中点处连接横向测试装置探头(6)。
4.根据权利要求1所述的一种钻孔内围岩三向变形测量装置，其特征在于所述的第一竖向测试钢片(3)与第二竖向测试钢片(4)都分别与弹簧外套管(9)通过螺丝连接，横向测试装置(2)上的第一竖向测试钢片(3)与第二竖向测试钢片(4)的另一端顶在下一个横向测试装置(2 )的弹簧外套管(9 )上。
5.根据权利要求1所述的一种钻孔内围岩三向变形测量装置，其特征在于所述的支撑导向杆(14)的端头尺寸与横向测试装置卡槽(13)的尺寸互相匹配，支撑导向杆(14)放置与平衡定位托(15)的扇形内弧，外弧与钻孔壁贴合。
专利摘要本实用新型公开了一种钻孔内围岩三向变形测量装置，该装置由横向测试装置与竖向测试钢片相连，竖向测试钢片上贴有第一电阻应变片。横向测试装置上有横向测试装置卡槽，支撑导向杆上一端有横向测试装置卡槽匹配的螺纹端部，支撑导向杆上的一端与横向测试装置相连，支撑导向杆上配有支撑杆平衡定位托，竖向测试钢片及钢片上贴的第一电阻应变片固定在横向测试装置上，而横向测试装置上的强力支撑装置支撑于孔壁上，横向测试装置探头与横向测试装置钢片相连，在横向测试装置探头的一端装有第二电阻应变片。该装置结构简单，使用方便，能够准确测量钻孔内围岩的三向变形，对工程岩体的适应性广泛，不受岩体种类的限制。
文档编号G01B5/30GK202041167SQ201120030248
公开日2011年11月16日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者周辉, 徐荣超, 徐速超, 李震, 杨艳霜 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所