一种全环境钻孔原岩应力测试装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种全环境钻孔原岩应力测试装置及测量方法，包括主控工作部，工作部包括中心部和设置在中心部两端的顶升降部和底升降部；顶升降部内安装有控制单元；控制单元通过外联接口与外控系统连接；顶升降部和底升降部内均还安装有支撑装置；顶升降部和底升降部均通过升降装置的丝杆与中心部相连接；中心部内固定安装有回转装置，光学应变测量装置和制斑装置。本发明专利技术结合先进光学设备，实现了设备适用性更强目标的同时，提高了测量的精度，实现了一次架机完成多测点自动测量，解决了传统地应力测量装置水下测量效果差的问题，可直接确定测点的三维地应力，无需大型设备配合，便于携带和现场测量。于携带和现场测量。于携带和现场测量。

【技术实现步骤摘要】
一种全环境钻孔原岩应力测试装置及测量方法


[0001]本专利技术属于岩土力学测量
，尤其涉及一种全环境钻孔原岩应力测试装置及测量方法。

技术介绍

[0002]岩体所处环境的地应力是引起工程围岩变形的作用力，也是诱发围岩体岩爆、失稳、冲击地压、突水突泥等重大工程地质灾害的直接根源。地下空间开挖会引起围岩应力场重新分布，进而致使岩损伤，严重时甚至导致失稳、垮塌和破坏，并引发严重的工程事故。岩体工程中的开挖“荷载”都是由于初始地应力卸荷或扰动引起的，初始原岩地应力是形成开挖“荷载”的根本原因。因此，采取有效、合理的方法获取工程围岩体所处环境的原岩应力就成为工程围岩稳定分析和结构设计优化的前提和基础。经过几十年的发展，众多三维地应力测试方法中以钻孔应力解除法理论最为完善、应用最广。
[0003]经过现有技术文献的检索发现，现有方法均采用应变片进行变形测量，需采用封隔器进行封水，以保证工作仓内围岩干燥，其在全环境钻孔地应力测试中存在以下问题：(1)工作舱抽水后的应力解除过程中，水压作为外荷载作用于孔壁，测试结果不能反映地层的真实地应力值，存在一定的误差，且误差随着水压的增大而增大，其尤其不适用于深孔高水压地应力测试；(2)在全环境深孔高水压作用下，传统的机械或气囊封隔器无法确保有效密封，且面临渗水无法粘贴应变片的问题；(3)对于孔隙率大、渗透性强的岩层，工作舱抽水后地下水仍会经围岩渗至工作舱，传统应变片变形测量方法无法完成粘贴应变片、测试；(4)测试过程中单次架机仅能完成一个测点的测试，多个测点(至少3个)的位置必须沿钻孔纵深保证一定间隔，以避免上一钻孔壁面解除引起的应力扰动，测试效率低，且不同纵向测点间围岩物理力学参数存在一定的变异性，测试结果易于引入测试误差；(5)测试装置直径尺寸固定，仅适用于与其适配直径钻孔的地应力测试，不适用其它直径的钻孔测试，尤其对于深孔测量时无法利用地质钻孔时测试成本较高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种全环境钻孔原岩应力测试装置及测量方法，以解决上述问题，可实现全环境作业，一次架机完成多测点自动测量，并根据解除段岩体本构关系即可确定测点的三维地应力。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种全环境钻孔原岩应力测试装置，包括：主控工作部，所述工作部包括中心部和设置在所述中心部两端的顶升降部和底升降部；所述顶升降部内安装有控制单元；所述控制单元通过外联接口与外控系统连接；
[0007]所述顶升降部和底升降部内均还安装有液压支撑装置；所述顶升降部和底升降部均通过升降装置的连接丝杆与中心部相连接；所述中心部内固定安装有回转装置，光学应变测量装置和制斑装置；所述制斑装置用于在工作面上预留标记；所述回转装置用于实现
所述中心部的旋转，所述光学应变测量装置用于测量标记。
[0008]所述支撑装置包括限位环，限位环周侧等间距设置的液压推杆；所述液压推杆伸出所述顶升降部或底升降部外壁，且固定连接有支撑器；每一所述液压推杆上均还开设有一进油口。
[0009]所述升降装置包括升降电机，所述升降电机的输出端传动连接有升降轴箱；所述升降轴箱固定连接有所述连接丝杆的一端；所述连接丝杆的另一端通过限位器限定于所述中心部的端面中心；所述升降轴箱上还安装有位移监测器；所述位移监测器监测所述中心部的位移间距。
[0010]所述回转装置包括回转电机；所述回转电机固定安装于所述中心部端部；所述回转电机的主轴传动连接有回转轴箱；所述回转轴箱的一侧固定安装有回转监测器；所述回转监测器用于监测所述中心部的旋转角度。
[0011]所述制斑装置包括制斑电机；所述制斑电机的主轴传动连接有给进轴箱；所述给进轴箱上固定连接有给进丝杆的一端，所述给进丝杆的另一端水平伸出所述中心部且固定连接有制斑针头；所述给进丝杆上还安装有力传感器，所述力传感器用于测定所述制斑针头是否制斑作业完成。
[0012]所述中心部内还安装有应力解除装置；所述应力解除装置包括钻孔电机；所述钻孔电机的主轴传动连接有钻孔轴箱；所述钻孔轴箱上转动连接有伞齿轮一侧；所述伞齿轮的端部安装有钻头；所述钻头通过所述钻孔轴箱实现周向旋转；
[0013]所述应力解除装置还包括给进电机，所述给进电机的输出轴传动连接有给进轴箱；所述给进轴箱通过伸出丝杆与所述伞齿轮另一侧传动连接，用于实现所述伞齿轮的水平给进。
[0014]所述钻孔轴箱一侧还固定安装有监测相机，所述监测相机用于监测钻头钻进情况。
[0015]所述光学应变测量装置贴近所述回转装置设置，所述光学应变测量装置包括抽排水组件，摄像机，反射镜和外侧的液压推杆；所述纵置摄像机通过所述反射镜进行测量工作；所述反射镜与前部镜头组成光学通道；所述光学通道与所述中心部外壁连接处固定安装有密封圈；所述液压推杆用于压紧所述密封圈；所述光学通道内还固定安装有补光灯；
[0016]所述抽排水组件包括循环泵；所述循环泵通过抽水管伸入所述密封圈侧壁；所述密封圈内还固定安装有滤芯。
[0017]一种全环境钻孔原岩应力测试装置及测量方法，包括以下步骤：
[0018]S1钻孔：在地应力测量区域钻出直径大于90mm的深孔；
[0019]S2固定：将全环境钻孔原岩应力测试装置放入孔中并启动液压电机，使支撑推杆与岩壁紧密接触，使得装置固定在孔中，不会产生上下错动和相对位移；
[0020]S3定位：启动升降装置和回转装置，对岩壁进行观察和识别，并选择进行应力解除的平面；
[0021]S4制斑：启动制斑系统在待测平面上制斑；
[0022]S5初始数据记录：启动光学应变测量系统至工作窗口，在液压推杆作用下使密封圈与岩壁接触紧密，启动抽排水组件过密封圈内浑浊水体，对制斑斑点进行记录，获得初始特征线段和特征线段夹角；
[0023]S6应力解除：启动钻孔地应力解除系统至工作窗口，开始钻孔，对待测平面进行应力解除作业；
[0024]S7变形测量：启动光学应变测量系统至工作窗口，在液压推杆的作用下使密封圈与岩壁接触紧密，启动抽排水装置，对应力释放结束后的制斑斑点进行记录，获得解除后特征线段和特征线段夹角；
[0025]S8多点测量：重复S3～S7对至少三个测点进行测量，这些测点应处于同一地层，以避免地层差异引起的地应力误差；
[0026]S9数据处理：根据初始应变数据和最终应变数据，利用最小二乘法计算得出地应力分量数值。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：本专利技术结合先进光学设备，实现了设备适用性更强目标的同时，提高了测量的精度，实现了一次架机完成多测点自动测量，解决了传统地应力测量装置水下测量效果差的问题，可直接确定测点的三维地应力，无需大型设备配合，便于携带和现场测量。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全环境钻孔原岩应力测试装置，其特征在于，包括：主控工作部，所述工作部包括中心部和设置在所述中心部两端的顶升降部和底升降部；所述顶升降部内安装有控制单元(2)；所述控制单元(2)通过外联接口(1)与外控系统连接；所述顶升降部和底升降部内均还安装有支撑装置(4)；所述顶升降部和底升降部均通过升降装置(3)的连接丝杆(304)与中心部相连接；所述中心部内固定安装有回转装置(5)，光学应变测量装置(6)和制斑装置(7)；所述回转装置(5)用于实现所述中心部的旋转，所述光学应变测量装置(6)用于测量标记；所述制斑装置(7)用于在工作面上预留标记。2.根据权利要求1所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置，其特征在于：所述升降装置(3)包括升降电机(301)，所述升降电机(301)的输出端传动连接有升降轴箱(302)；所述升降轴箱(302)固定连接有所述连接丝杆(304)的一端；所述连接丝杆(304)的另一端通过限位器(305)限定于所述中心部的端面中心；所述升降轴箱(302)上还安装有位移监测器(303)；所述位移监测器(303)监测所述中心部的位移间距；所述限位器(305)用于限制回转装置(5)和升降装置(3)的工作干扰。3.根据权利要求2所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置，其特征在于：所述支撑装置(4)包括限位环，限位环周侧等间距设置的液压活动杆(402)；所述液压活动杆伸出所述顶升降部或底升降部外壁，且固定连接有支撑器(403)；每一所述液压活动杆(402)上均还开设有一进油口(401)。4.根据权利要求1所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置，其特征在于：所述回转装置(5)包括回转电机(503)；所述回转电机(503)固定安装于所述中心部端部；所述回转电机(503)的主轴传动连接有回转轴箱(502)；所述回转轴箱(502)的一侧固定安装有回转监测器(501)；所述回转监测器(501)用于监测所述中心部的旋转角度。5.根据权利要求1所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置，其特征在于：所述制斑装置(7)包括制斑电机(704)；所述制斑电机(704)的主轴传动连接有给进轴箱(701)；所述给进轴箱(701)上固定连接有给进丝杆(705)的一端，所述给进丝杆(705)的另一端水平伸出所述中心部且固定连接有制斑针头(703)；所述给进丝杆(705)上还安装有力传感器(702)，所述力传感器(702)用于测定所述制斑针头(703)是否制斑作业完成。6.根据权利要求1所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置，其特征在于：所述中心部内还安装有应力解除装置(8)；所述应力解除装置(8)包括钻孔电机(806)；所述钻孔电机(806)的主轴传动连接有钻孔轴箱(804)；所述钻孔轴箱(80...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，代万里，叶思哲，王红英，李元海，李树忱，尹乾，吴疆宇，李涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：