[发明专利]一种测量软岩地应力的装置和方法

摘要

本发明提供一种测量软岩地应力的装置和方法，属于地应力测量技术领域。该装置包括导线、杆体、注浆结石体、钻孔、空腔、数据采集器、防水膜和传感器，导线位于杆体内部中心，杆体内部除导线外，其余部分为空腔，杆体放入钻孔内，杆体周围注浆，形成注浆结石体，导线与数据采集器相连，传感器位于杆体端部，传感器外部包裹防水膜。本方法通过在巷道一个竖直面(M)内布置水平孔和斜向孔，在另一个斜面(N)内布置水平孔和斜向孔，向孔内放入测量装置并注浆，经测量注浆结石体内的应力状态达到测量地应力的目的。本发明提供一种新的地应力测量方法，能够准确测量三维地应力，测量杆结构简单，并且在理论上也不受测量深度的限制，测量精度高。

主权项

1.一种测量软岩地应力的方法，其特征在于：在竖直面M内，施作水平孔和斜向孔，两个孔在同一竖直面M内，两孔夹角30°～90°；在斜面N内，施作水平孔和斜向孔，两个孔在同一斜面N内，两孔夹角30°～90°，面M与面N斜交且交线不为竖直线或水平线；放入测量软岩地应力的装置，并向钻孔(4)内注浆；在地应力作用下钻孔(4)变形，应力通过注浆结石体(3)传递到传感器(8)上，应力稳定后，水平孔测得竖直应力σz和水平应力σx，斜向孔测得应力σθ；另一水平应力σy由应力σθ和竖直应力σz计算求得，由两组钻孔，能够得到两个坐标系下的六个应力数据，即每个坐标系下得到水平应力σx、水平应力σy和竖直应力σz，代入地应力的计算公式中，得出测试点地应力；所述地应力的计算公式具体包括如下：装置上的传感器直接测量上下、左右方向的应力，即竖直应力σz和水平应力σx，另一个水平方向应力σy，需由角度为θ的斜向孔测量得出的应力σθ，经岩石力学公式：求出σy，在竖直面M内，以水平钻孔轴向为y方向，钻孔所在面法向方向为x方向，垂直xy面向上为z方向建立空间直角坐标系oxyz；在斜面N内，以水平钻孔轴向为y’方向，钻孔所在面法向方向为x’方向，垂直x’y’面向上为z’方向建立空间直角坐标系ox’y’z’，由两组钻孔即可得到两个坐标系下的σx、σy、σz和σ’x、σ’y、σ’z，并设j1、j2、j3分别为x’、y’、z’与x轴之间的方向余弦，k1、k2、k3分别为x’、y’、z’与y轴之间的方向余弦，l1、l2、l3分别为x’、y’、z’与z轴之间的方向余弦，将上述已知量代入下式，建立方程组，求解得到测试点在oxyz 坐标系下的地应力状态(σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx)和ox’y’z’坐标系下的地应力状态(σ’x、σ’y、σ’z、τ’xy、τ’yz、τ’zx)；其中，τxy、τyz、τzx为oxyz坐标系下的剪切应力分量，τ’xy、τ’yz、τ’zx为ox’y’z’坐标系下的剪切应力分量；σ'x＝σxj12+σyk12+σzl12+2τxyj1k1+2τyzk1l1+2τzxl1j1σ'y＝σxj22+σyk22+σzl22+2τxyj2k2+2τyzk2l2+2τzxl2j2σ'z＝σxj32+σyk32+σzl32+2τxyj3k3+2τyzk3l3+2τzxl3j3τ'xy＝σxj1j2+σyk1k2+σzl1l2+τxy(j1k2+j2k1)+τyz(k1l2+k2l1)+τzx(l1j2+l2j1)τ'yz＝σxj2j3+σyk2k3+σzl2l3+τxy(j2k3+j3k2)+τyz(k2l3+k3l2)+τzx(l2j3+l3j2)τ'zx＝σxj1j3+σyk1k3+σzl1l3+τxy(j3k1+j1k3)+τyz(k3l1+k1l3)+τzx(l3j1+l1j3)将上述所得的oxyz坐标系下的应力状态(σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx)代入下式：I1＝σx+σy+σzI2＝σxσy+σyσz+σzσx‑τxy2‑τyz2‑τzx2I3＝σxσyσz+2τxyτyzτzx‑σxτyz2‑σyτzx2‑σzτxy2σ3‑I1σ2+I2σ‑I3＝0即可得到测试点地应力σ1、σ2、σ3；该方法采用的测量软岩地应力的装置，包括导线(1)、杆体(2)、空腔(5)、数据采集器(6)、防水膜(7)和传感器(8)，导线(1)位于杆体(2)内部，杆体(2)内部除导线(1)外为空腔(5)，导线(1)一端与数据采集器(6)相连，导线(1)另一端与传感器(8)相连，传感器(8)位于杆体(2)外侧端部，传感器(8)外部包裹防水膜(7)；杆体(2)放入钻孔(4)中，杆体(2)周围注浆形成注浆结石体(3)；所述传感器(8)为两个或两个以上，杆体(2)同一方向上安装两个传感器(8)，两个传感器(8)中心连线与杆体(2)中心线正交；所述杆体(2)为刚性材料制成，杆体(2)上具有刻度。