矿用水力压裂法原岩应力测试装置及其测试方法与流程

本发明属于地应力测试技术领域，具体地讲，特别涉及一种矿用水力压裂法原岩应力测试装置及其测试方法。

背景技术：

在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应，这种应力称为地应力，是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。在采矿领域，由于矿井巷道的开掘、矿产资源开采造成采场应力分布不均，引发冲击地压、煤与瓦斯突出、底鼓、冒顶等矿山灾害，对安全生产造成极大的威胁。因此，需要对煤岩体的力学性质、瓦斯渗流规律进行实验室研究。地应力是引起岩体开挖工程变形和破坏的根本作用力，是进行围岩稳定性分析的必要前提条件，是控制煤与瓦斯突出的主要因素之一，煤层地应力参数是实验室内研究煤岩体力学性质及渗透规律的基础参数之一，对于瓦斯增透方法研究及及防治煤与瓦斯突出具有实际意义。因此，研究建立一种方便快捷可靠的地应力测试方法，对于采矿领域煤岩体稳定性及渗流规律试验研究是非常必要的。

目前，地应力的测量方法主要包括：扁千斤顶法、水力压裂法、刚性包体应力计法、声发射法、全应力解除法、局部应力解除法、中心钻孔法、松弛应变测量法、孔壁崩落测量法、空心包体应变法、实心包体应变法、孔壁应变法、孔底应变法等。其中应用最为广泛的是水力压裂法，利用水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。

水力压裂法地应力测试需要先在岩体中钻孔，然后通过两个封隔器封隔出一段钻孔，再泵入液体对该段钻孔施压，直至岩体产生破裂，并继续施加水压扩张裂隙，直到裂隙扩张至3倍直径深度，再卸压使裂隙闭合后重新注入高压水，使裂隙重新打开，这样重复2-3次，以提高准确性；整个过程需要记录压力-时间曲线和流量-时间曲线。国内针对水力压裂地应力测试的设备各式各样，但是均存在以下不足：

(1)均采用电动高压水泵进行产生并驱动高压水，容易产生电火花，对于煤矿井下的瓦斯环境，存在瓦斯爆炸的安全隐患，因此该类设备在使用过程中必须取得煤安认证，且在现场应用过程中，如果对机电设备使用不当也会引起瓦斯爆炸事故；

(2)封隔器主要采用在橡胶套内注入高压水或高压气体膨胀的方式，而岩体一般存在原生裂隙，膨胀的橡胶套仅能使封隔器与钻孔孔壁密封，不能实现岩体裂隙的封闭，引起高压水由岩体裂隙渗漏，达不到有效压裂，不利于测量的准确；

(3)必须通过印模器、钻孔电视等确定裂隙的方位，深入钻孔内的结构复杂，使用不方便、成本高；

(4)传统方法无法识别岩层裂隙扩展半径，很难判断水力压裂裂隙扩张是否达到3倍直径深度，测量误差大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种安全、准确、使用方便的水力压裂法原岩应力测试装置。

本发明解决技术问题之一的技术方案如下：一种矿用水力压裂法原岩应力测试装置，包括高压水管和高压水供给系统，所述高压水供给系统的输出管与高压水管的一端连接，所述高压水管的另一端与外封隔器连接，所述外封隔器包括内端封闭的第一外管，在所述第一外管内穿设有内管，所述内管的外端与高压水管固定密封连接，内管的内端穿过第一外管的封闭端并固定连接有压裂管，在所述内管与第一外管之间留有容置腔，在所述容置腔内插装有外活塞，所述外活塞呈与容置腔相匹配的管状，外活塞的内端插入容置腔内，并且在所述第一外管的外端沿半径方向插装有至少一个一次性挡销，所述一次性挡销的内端穿过外活塞，在所述第一外管的管壁开有多个外出胶孔；在所述压裂管上开有多个出水孔，所述压裂管的内端封闭，在所述压裂管的内端固定连接有内封隔器，所述内封隔器包括内端封闭的第二外管，在所述第二外管的内腔内插装有活塞杆，所述活塞杆的外端与压裂管的内端固定，活塞杆与第二外管的内腔相匹配，并且在所述第二外管的外端沿半径方向插装有至少一个一次性挡杆，所述一次性挡杆贯穿活塞杆的内端，在所述第二外管的管壁开有多个内出胶孔；还包括地质雷达。

采用上述结构，将内封隔器和外封隔器均设置成带有腔体的结构，并通过一次性挡销和一次性挡杆在内封隔器和外封隔器的腔体内固定活塞结构，既方便了整个测试装置的安装，又可以利用胶体对测试孔孔壁进行封闭，克服了橡胶套不能封闭测试孔孔壁裂隙的难题，显著地提高了地应力测试的准确性；同时，采用地质雷达对裂隙进行探测，可以准确、及时地获知裂隙方位和裂隙扩展深度，进一步显著地提高了测试的准确性。

在所述第二外管的内端固定连接有支撑装置，所述支撑装置包括与第二外管同轴固定的安装管，在所述安装管上安装有至少一组支撑轮组，每一支撑轮组包括周向均布的四个支撑轮。这样设置支撑装置对伸入测试孔内的管件进行支撑，有利于确保各个管件与测试孔的同轴度，进一步有利于测试准确性的提高。

在所述高压水管的外端套装有支撑套，所述支撑套呈圆筒状，支撑套的外端周向延展形成环状的限位部。支撑套的设置，可以在测试孔孔口对高压水管进行支撑，进一步有利于提高各个管件与钻孔的同轴度。

所述高压水供给系统包括供水水箱、气动液压泵和缓冲水箱，在所述供水水箱上开有注水口和出水口，所述气动液压泵上设有进气口、第一进液口和第一出液口，所述缓冲水箱上设有第二进液口和第二出液口，所述供水水箱的出水口通过管路与气动液压泵的第一进液口连通，所述气动液压泵的第一出液口通过管路与缓冲水箱的第二进液口连通，所述缓冲水箱的第二出液口通过管路与高压水管连通，在所述缓冲水箱的第二出液口上还安装有流量传感器和压力传感器；所述气动液压泵的进气口与煤矿井下压风连接。高压供水系统的结构简单，采用井下压风作为高压水的动力源，不仅成本更低，而且避免了采用电机带来的电火花隐患，显著地提高了装置的安全性。由于气动液压泵输出流量与气动活塞冲程有关，为了获得持续的高压水流，设置缓冲水箱确保向高压水管压入持续的高压水。

在所述缓冲水箱内设有回形缓冲管路。进一步有利于对气动液压泵输出的高压水进行缓冲。

还包括转运小车，所述供水水箱、气动液压泵和缓冲水箱均固定在转运小车上。使用更加方便。

本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种安全、准确的水力压裂法原岩应力测试方法。

本发明解决技术问题之二的技术方案如下：包括解决技术问题之一所述的矿用水力压裂法原岩应力测试装置，还包括以下步骤：

步骤一、测试孔施工，用钻机钻孔施工出测试孔，测试孔的深度h与巷道宽度d之间满足h≥3d；

步骤二、设备安装，将环氧树脂和固化剂按配比混合均匀制成胶体，将胶体灌入外封隔器的容器腔和内封隔器的内腔，并利用一次性挡销和一次性挡杆安装外活塞和活塞杆，然后将内封隔器、压裂管、外封隔器和高压水管装入测试孔内；

步骤三、压裂段封隔，对高压水管施力，将内封隔器的一次性挡杆破坏，使活塞杆推入第二外管内，将内封隔器内腔里的胶体挤出；然后利用配套的推杆对外活塞施力，将外封隔器的一次性挡销破坏，使外活塞推入第一外管内，将外封隔器容置腔里的胶体挤出，24小时后胶体完全固化；

步骤四、水力压裂，胶体完全固化、且设备测试正常后，按照水力压裂地应力测试法的要求对压裂段施加水压，同时利用地质雷达探测裂隙的扩展方向和深度，同时采集数据；

步骤五、数据整理，整理采集的数据绘制水压-时间曲线和流量-时间曲线，计算地应力。

步骤二安装设备之前，先用钢管固定棉纱沾取酒精对钻孔孔壁进行擦洗。

有益效果：本发明通过对装置进行改造，使水力压裂法原岩应力测试装置可以利用胶体对钻孔孔壁进行封闭，采用地质雷达对裂隙进行探测，并采用井下压风作为高压水的压力源，从而显著地提高了水力压裂地应力测试法的准确性和安全性，具有构思巧妙、结构简单、生产容易、使用方便等特点。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图。

图2为图1中钻孔内结构的放大图。

图3为外封隔器的结构示意图。

图4为内封隔器的结构示意图。

图5为实施例二的结构示意图。

图中标记如下：供水水箱1、气动液压泵2、第一进液口2a、第一出液口2b、进气口2c、缓冲水箱3、第二进液口3a、第二出液口3b、转运小车4、高压水管5、外封隔器6、外活塞601、第一外管602、内管603、一次性挡销604、外出胶孔605、内封隔器7、活塞杆701、第二外管702、一次性挡杆703、内出胶孔704、支撑装置8、安装管801、支撑轮802、压裂管9、出水孔9a、支撑套10、推杆11。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。

实施例一：

如图1、图2和图3所示，本发明包括高压水管5和高压水供给系统，所述高压水供给系统的输出管与高压水管5的一端连接。所述高压水管5的另一端与外封隔器6连接，所述外封隔器6包括内端封闭的第一外管602。在所述第一外管602内穿设有内管603，所述内管603的外端与高压水管5固定密封连接，内管603的内端穿过第一外管602的封闭端并固定连接有压裂管9。在所述内管603与第一外管602之间留有容置腔，在所述容置腔内插装有外活塞601，所述外活塞601呈与容置腔相匹配的管状，外活塞601的内端插入容置腔内。并且，在所述第一外管602的外端沿半径方向插装有至少一个一次性挡销604，所述一次性挡销604的内端穿过外活塞601并插入内管603，但是，一次性挡销604并不贯穿内管603的内壁。所述一次性挡销604可以由铝丝构成。在所述第一外管602的管壁开有多个外出胶孔605。实际使用时，还需要设置与外封隔器6配套的管状推杆11，从而利用推杆11推动外活塞601向内移动。

如图1、图2和图4所示，在所述压裂管9上开有多个出水孔9a。所述压裂管9的内端封闭，在所述压裂管9的内端固定连接有内封隔器7，所述内封隔器7包括内端封闭的第二外管702，在所述第二外管702的内腔内插装有活塞杆701。所述活塞杆701的外端与压裂管9的内端固定，活塞杆701与第二外管702的内腔相匹配。并且，在所述第二外管702的外端沿半径方向插装有至少一个一次性挡杆703，所述一次性挡杆703贯穿活塞杆701的内端，在所述第二外管702的管壁开有多个内出胶孔704。所述一次性挡杆703可以由铝丝构成。

所述一次性挡销604和一次性挡杆703是为了在进行设备安装的时候，不挤出胶体设置的；当设备安装完成后，需要将一次性挡销604和一次性挡杆703破坏，使胶体挤出。所述一次性挡销604和一次性挡杆703的数量根据所选材料的力学参数确定，在此不做限制，可以是均为一根，也可以是周向均布多根。为了避免胶体进入水力压裂测试段钻孔内，所述内封隔器7第二外管702和外封隔器6第一外管602的外壁与钻孔孔壁应满足间隙配合的条件，或者在内封隔器7的外端和外封隔器6的内端固套有橡胶圈，橡胶圈的外壁与钻孔孔壁接触。

如图1和图2所示，在所述第二外管702的内端固定连接有支撑装置8，所述支撑装置8包括与第二外管702同轴固定的安装管801，在所述安装管801上安装有至少一组支撑轮组，每一支撑轮组包括周向均布的四个支撑轮802。本实施例优选所述支撑轮组沿安装管801的长度方向均布有四个。在所述高压水管5的外端套装有支撑套10，所述支撑套10呈圆筒状，支撑套10的外端周向延展形成位于钻孔外的环状限位部。

如图1所示，所述高压水供给系统包括供水水箱1、气动液压泵2和缓冲水箱3。在所述供水水箱1上开有注水口和出水口，在所述注水口和出水口均设置有杂质过滤器。所述气动液压泵2上设有进气口2c、第一进液口2a和第一出液口2b，所述缓冲水箱3上设有第二进液口3a和第二出液口3b。所述供水水箱1的出水口通过管路与气动液压泵2的第一进液口2a连通，并且在供水水箱1与气动液压泵2之间的管路上安装有水阀和水压表，分别用于控制供给水量和实时显示供水水箱1的水压。所述气动液压泵2的第一出液口2b通过管路与缓冲水箱3的第二进液口3a连通，并且在气动液压泵2与缓冲水箱3之间的管路上也安装有水压表，用于实时显示气动液压泵2的输出水压。所述缓冲水箱3的第二出液口3b通过管路与高压水管5连通，在所述缓冲水箱3的第二出液口3b上还安装有流量传感器和压力传感器，所述流量传感器和压力传感器均与数据采集仪连接。所述气动液压泵2的进气口2c与煤矿井下压风连接，并且在井下压风与气动液压泵2进气口2c之间的管路上安装有干燥器、压力表和阀门，分别用于干燥气体、实时显示驱动气压压力、以及控制气体流量。所述煤矿井下压风为从煤矿井下压风系统分支出的带有压风风源的压风管，在煤矿生产系统中，压风系统是必备的生产子系统，压风系统利用矿井的压风风源，向井下供风，这是本领域技术人员所熟知的结构，在此不做赘述。

如图1所示，在所述缓冲水箱3内设有回形缓冲管路。还包括转运小车4，所述供水水箱1、气动液压泵2和缓冲水箱3均固定在转运小车4上。还包括地质雷达，所述地质雷达选用市面上的防爆型地质雷达，主要包括雷达主机和接受天线。其中，雷达主机的发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，可根据反射波的旅行时间、幅度和波形判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。这种地质雷达具有高分变形、高效率、无损探测、结果直观的特点，多用于矿产资源勘探、地质缺陷检测、隧道衬砌空洞检测、桩基缺陷检测等。

实施例二：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例包括实施例一所述的结构，还包括以下步骤：

步骤一、测试孔施工，用钻机钻孔施工出测试孔，测试孔的深度h与巷道宽度d之间满足h≥3d。

步骤二、设备安装，将环氧树脂和固化剂按配比混合均匀制成胶体，将胶体灌入外封隔器6的容器腔和内封隔器7的内腔，并利用一次性挡销604和一次性挡杆703安装外活塞601和活塞杆701，然后将内封隔器7、压裂管9、外封隔器6和高压水管5装入测试孔内。所述环氧树脂和固化剂混合后形成的胶体完全固化后可用于岩体黏合，其抗剪强度高达108MPa。环氧树脂和固化剂混合的比例为现有技术，只需要满足混合后形成的胶体在1个小时内初凝、2-3小时后基本固化、24小时后完全固化即可，在此不做赘述。

步骤三、压裂段封隔，对高压水管5施力，使高压水管5向内推动，将内封隔器7的一次性挡杆703破坏，使活塞杆701推入第二外管702内，将内封隔器7内腔里的胶体挤出；然后利用配套的推杆11对外活塞601施力，将外封隔器6的一次性挡销604破坏，使外活塞601推入第一外管602内，将外封隔器6容置腔里的胶体挤出。

步骤四、水力压裂，胶体完全固化、且设备测试正常后，按照水力压裂地应力测试法的要求对压裂段施加水压，同时利用地质雷达探测裂隙的扩展方向和深度，同时采集数据。

步骤五、数据整理，整理采集的数据绘制水压-时间曲线和流量-时间曲线，计算地应力。

在步骤二安装设备之前，先用钢管固定棉纱沾取酒精对钻孔孔壁进行擦洗。