快速测定软岩地层地应力的测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，包括施压变形子系统和数据测量子系统，施压变形子系统包括加压泵、压力管路和伸缩胶囊，伸缩胶囊设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔中，加压泵通过压力管路与伸缩胶囊连接；数据测量子系统包括压力传感器、压力表、数据采集仪、信号仓、计算机、圆周向布置于伸缩胶囊内的测距元件以及与伸缩胶囊连接的三维电子罗盘，测距元件和三维电子罗盘通过信号仓与数据采集仪连接，信号仓和压力传感器与数据采集仪的信号接收端连接，数据采集仪的信号输出端与计算机连接。本实用新型专利技术可以快速测定软岩地应力，单次测试即可获得钻孔横截面的二维主应力的量值和方向。

A measuring device for rapid determination of in-situ stress in soft rock formation

【技术实现步骤摘要】
快速测定软岩地层地应力的测量装置
本技术涉及岩土试验领域，具体是一种快速测定软岩地层地应力的测量装置。
技术介绍
地应力信息是地震预测预报和水电、交通、核电、采矿等行业地下工程建筑设计的基础资料，进行原位地应力测试是获取其信息的最准确方法。目前，地应力测试的主要方法有表面应力测量法、套钻孔解除法和水压致裂法，套钻孔解除法又分为孔壁应变法、孔径变形法和孔底应变法，其中孔壁应变法又分为直接贴片式和空心包体式。当前应用最广泛方法为空心包体解除法和水压致裂法。由于软岩具有显著的塑性变形，而上述方法均建立在弹性理论的基础上，因此只适用于硬岩地层的地应力测试。近年来，随着我国工程向大埋深、地质条件复杂地区的挺进，软岩在高应力下的大变形问题给多个调水工程、交通工程的建设带来了巨大经济损失，正在实施的川藏铁路等大型工程建设也亟需软岩地应力测试技术。截至目前，软岩地应力测试方法仅有“基于流变应力恢复理论的压力盒三维应力测试方法”，但其缺点明显，测试周期远远大于100天。总之，现有软岩地应力测试方法远远不能满足工程需要，而其它测试方法不能应用，软岩测量技术亟需突破。
技术实现思路
针对现有软岩地应力测试手段的不足，本技术提供了一种快速测定软岩地层地应力的试验装置。一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，包括施压变形子系统和数据测量子系统，所述施压变形子系统包括加压泵、压力管路和伸缩胶囊，所述伸缩胶囊设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔中，加压泵通过压力管路与伸缩胶囊连接，当伸缩胶囊内充满介质并贴紧孔壁后，继续通过加压泵泵入压力传导介质时伸缩胶囊径向膨胀，使测量钻孔的孔径变形，关闭加压泵介质回流则伸缩胶囊收缩；所述数据测量子系统包括压力传感器、压力表、数据采集仪、信号仓、计算机、圆周向布置于伸缩胶囊内的测距元件以及与伸缩胶囊连接的三维电子罗盘，压力传感器用于采集伸缩胶囊的压力数据，测距元件用于检测伸缩胶囊在加压过程中测距元件所处部位的变形数据，三维电子罗盘用于检测伸缩胶囊的X轴的方位数据β，测距元件和三维电子罗盘通过信号仓与数据采集仪连接，所述信号仓具有数据采集、处理和通讯功能，与数据采集仪的第一信号接收端连接，压力传感器与数据采集仪的第二信号接收端连接，数据采集仪的信号输出端与计算机连接。进一步的，所述信号仓内封装有三维电子罗盘、信号处理电路和通讯电路，测距元件和三维电子罗盘与信号处理电路连接，信号处理电路与通讯电路连接，通讯电路通过信号线与数据采集仪的第一信号接收端连接；三维电子罗盘用于提供测量基准N与伸缩胶囊的X轴的夹角，即方位数据β；信号处理电路将方位数据和变形数据交由通讯电路经由信号线传输至采集仪。本技术结合水压致裂法和孔径变形法特点，依据岩体地应力、施加应力和岩体的变形特性来测定软岩地应力，测量采用特殊加载方式使得孔径变形，通过对孔径变形进行椭圆化模拟获取最大主应力方向，分离出弹性变形进行地应力量值计算，单次测试即可获得钻孔横截面的二维应力量值和方向，测量过程不需要进行套钻孔解除操作，测量时间较水压致裂法和孔径变形法可节省50％以上，利用三孔及以上交汇孔系可以获得三维应力结果。附图说明图1是本技术快速测定软岩地层地应力测量装置的结构示意图；图2是本技术中伸缩胶囊的结构示意图；图3是本技术测量加压过程胶囊及孔径截面的变化示意图，图中0状态为胶囊未扩张状态的截面形状，I和E分别为加压贴紧孔壁时和最大加压状态的钻孔截面形状；o-xy为钻孔和伸缩胶囊的坐标系，x轴为三维电子罗盘的测量目标，N为三维电子罗盘的测量基准，垂直孔一般取为正北向，水平钻孔取为水平向；图4是本技术测量过程各状态关系示意图，图中I和E分别为加压贴紧孔壁状态和极限加压状态的钻孔截面形状，C1、C2和C3分别为测量计算使用过程的初始状态、最大加压状态和恢复到压力p1时的钻孔截面形状；图5是本技术胶囊压力与长轴和短轴方向孔径变形的关系曲线。图中：1-1—计算机，1-2—数据采集仪，1-3—压力表，1-4—压力传感器，1-5—加压泵；2-1—压力管路、2-2—信号线；3-1—伸缩胶囊、3-2—测距元件、3-3—信号仓、3-4—骨架，4—测量钻孔。具体实施方式下面将结合本技术中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。请参阅图1及图2，本技术快速测定软岩地层地应力的测量装置由封闭的水压致裂法管路系统和孔径变形测量系统组成，具体为施压变形子系统和数据测量子系统，其中施压变形子系统包括加压泵1-5、压力管路2-1和伸缩胶囊3-1，所述伸缩胶囊3-1设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔4中，测量钻孔4的直径与伸缩胶囊3-1直径相匹配；加压泵1-5通过压力管路2-1与伸缩胶囊3-1连接。当伸缩胶囊3-1内充满介质，液体或气体，继续通过加压泵1-5泵入介质时伸缩胶囊3-1径向膨胀，迫使测量钻孔孔径变形，关闭加压泵1-5介质回流，伸缩胶囊3-1收缩。所述数据测量子系统包括压力传感器1-4、压力表1-3、数据采集仪1-2、计算机1-1、设于伸缩胶囊3-1内的测距元件3-2以及与伸缩胶囊3-1连接的信号仓3-3，所述信号仓3-3内封装有三维电子罗盘、信号处理电路和通讯电路等。测距元件3-2和三维电子罗盘与信号仓内的信号处理电路连接，信号处理电路与通讯电路连接，通讯电路通过信号线2-2与数据采集仪1-2的第一信号接收端连接；压力传感器1-4、压力表1-3设于压力管路2-1上，压力传感器1-4与数据采集仪1-2的第二信号接收端连接，数据采集仪1-2的信号输出端与计算机1-1连接。三维电子罗盘可给出伸缩胶囊的空间位置，利用其钻孔截面内的测量基准N可给出伸缩胶囊3-1的X轴的方位数据。测距元件3-2可以采用直线位移计、激光测距仪等多种原理的测量方式，圆周向布置于伸缩胶囊3-1内，数量越多越好，测距元件3-2用于检测伸缩胶囊3-1在加压过程中测距元件3-2所处部位的变形数据，利用全部测距元件3-2的变形数据和周向布置数据对孔径变形进行椭圆化处理，可以获取伸缩胶囊3-1相对于X轴的变形数据，并将其等效于孔径变形数据。压力传感器1-4用于采集伸缩胶囊3-1的压力数据。所述信号仓3-3具有对伸缩胶囊3-1方位和变形信号等信息进行采集、处理和与地面计算机1-1进行通信等功能。三维电子罗盘提供的伸缩胶囊3-1X轴的方位数据、测距元件3-2采集的变形数据经由信号仓3-3的信号处理电路进行处理，然后经由信号线2-2传输至采集仪1-2，再传送至计算机1-1存储、处理和显示，压力传感器1-4采集的压力数据也传送至计算机1-1。所述计算机1-1用于存储上述测量数据，所述计算机1-1内安装有应用软件根据所述压力数据、变形数据和方位数据进行孔径变形椭圆化模拟、计算椭圆的长轴和短轴方向的压力与变形关系，以及计算主应力方向和主应力量值。本技术采用主动加压和释压的方式引起钻孔岩体变形，通过测量钻孔变形数据和测试压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，其特征在于：包括施压变形子系统和数据测量子系统，/n所述施压变形子系统包括加压泵(1-5)、压力管路(2-1)和伸缩胶囊(3-1)，所述伸缩胶囊(3-1)设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔(4)中，加压泵(1-5)通过压力管路(2-1)与伸缩胶囊(3-1)连接，当伸缩胶囊(3-1)内充满介质并贴紧孔壁后，继续通过加压泵(1-5)泵入压力传导介质时伸缩胶囊(3-1)径向膨胀，使测量钻孔(4)的孔径变形，关闭加压泵(1-5)介质回流则伸缩胶囊(3-1)收缩；/n所述数据测量子系统包括压力传感器(1-4)、压力表(1-3)、数据采集仪(1-2)、信号仓(3-3)、计算机(1-1)、圆周向布置于伸缩胶囊(3-1)内的测距元件(3-2)以及与伸缩胶囊(3-1)连接的三维电子罗盘，压力传感器(1-4)用于采集伸缩胶囊(3-1)的压力数据，测距元件(3-2)用于检测伸缩胶囊(3-1)在加压过程中测距元件所处部位的变形数据，三维电子罗盘用于检测伸缩胶囊(3-1)的X轴的方位数据β，测距元件(3-2)和三维电子罗盘通过信号仓(3-3)与数据采集仪(1-2)连接，所述信号仓(3-3)具有数据采集、处理和通讯功能，与数据采集仪(1-2)的第一信号接收端连接，压力传感器(1-4)与数据采集仪(1-2)的第二信号接收端连接，数据采集仪(1-2)的信号输出端与计算机(1-1)连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，其特征在于：包括施压变形子系统和数据测量子系统，
所述施压变形子系统包括加压泵(1-5)、压力管路(2-1)和伸缩胶囊(3-1)，所述伸缩胶囊(3-1)设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔(4)中，加压泵(1-5)通过压力管路(2-1)与伸缩胶囊(3-1)连接，当伸缩胶囊(3-1)内充满介质并贴紧孔壁后，继续通过加压泵(1-5)泵入压力传导介质时伸缩胶囊(3-1)径向膨胀，使测量钻孔(4)的孔径变形，关闭加压泵(1-5)介质回流则伸缩胶囊(3-1)收缩；
所述数据测量子系统包括压力传感器(1-4)、压力表(1-3)、数据采集仪(1-2)、信号仓(3-3)、计算机(1-1)、圆周向布置于伸缩胶囊(3-1)内的测距元件(3-2)以及与伸缩胶囊(3-1)连接的三维电子罗盘，压力传感器(1-4)用于采集伸缩胶囊(3-1)的压力数据，测距元件(3-2)用于检测伸缩胶囊(3-1)在加压过程中测距元...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓玉，付平，邬爱清，丁秀丽，周春华，艾凯，刘元坤，尹健民，朱杰兵，蒋昱州，张新辉，卢波，黄书岭，周朝，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：新型
国别省市：湖北;42