[发明专利]基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法和装置

说明书

 技术领域

本发明属于岩土测量技术领域，具体地涉及一种适用于深部软岩的地应力测试方法，同时还涉及一种用于该测试方法的观测装置。

 

背景技术

煤矿深部围岩大多破碎软弱，力学强度低。在这样的松软围岩中采用目前常用的测试方法进行地应力的有效测试是非常困难的，存在很大的局限性和测量误差。以水利水电和交通隧道工程中广泛采用的水压致裂法为例，其钻孔封隔器需要在高水压下具备良好的水密封性，对岩体的完整性提出了苛刻的要求，不适用于煤矿深部节理裂隙发育的破碎软弱岩体。而且该方法只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力，本质上为二维应力测量方法，难以获得测点的三向应力状态。

另一种常用测试方法为应力解除法。为了计算应力值，首先必须确定岩体的力学性质参数（如弹性模量E和泊松比μ等）以及所测物理量（应变）和应力的相互关系。对含有大量裂隙的松软岩体而言，其弹性模量E、泊松比μ等力学性质参数与岩体所受的应力状态、岩体试件大小及形状密切相关，不同的应力状态、不同大小的岩体试件，试验得出的弹性模量E和泊松比μ的数值可相差数倍甚至十倍以上。这就要求采用应力解除法测试地应力时，必须取得超过传感器长度（至少大于30cm）的完整岩芯，和厚壁圆筒外壁均匀受压的应力状态下获取岩芯的弹性模量。煤矿深部松软岩体多为泥质胶结，经受了高地应力的作用，取芯过程中受水流冲刷和应力强卸荷作用，多数情况下连长度达到10cm的短岩芯也难以获取，因而很难通过单轴压缩实验得到力学参数。因此，在煤矿深部松软围岩中应力解除法难以实施。其他的岩体地应力测试方法，比如声发射法等，不仅无法胜任松软围岩的地应力测试，而且从原理上讲无法测得原岩应力。

目前尚未见到公开的能在煤矿深部松散围岩中进行有效测试的观测方法与装置。已有的直接测量设备主要是应用在土体中的压力盒，比如中国实用新型专利（申请号03212896）公开的一种电阻应变压轴式土压力盒，利用环形弹性膜片敷有的电阻应变片记录弹性膜片的受压变形，达到测量垂直于膜片方向压力的目的。中国实用新型专利（申请号201120082368.9）公开的一种冲气式双膜防水压力盒，在压力的传力膜与受力膜之间设置防水密封圈，达到防水、稳定测试压力的目的。这些观测装置和方法仅仅可以测量单方向的压力，因此均不能有效测试某一测点的地应力。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种适用于软岩的地应力测量方法。通过该方法，可以直接测量获取围岩内部的应力值，并可长期获取观测数据，用于煤矿深部软岩地应力分布和围岩稳定性的研究。 

 

   一种基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法，包括以下步骤： 

（1）在软岩巷道围岩体内钻孔至测试点处；

(2)将两个三向压力盒相邻地固定在连接杆上，送到测试点处；所述三向压力盒具有互相垂直的三个工作面，记录下两个三向压力盒之间任意两个工作面法线方向之间的方向余弦，并且该值都不得为1；两个三向压力盒每个工作面上安装有测量法向压应力的装置，该装置通过数据线和钻孔外的读数仪连接； 

（3）对钻孔实施注浆，填满后将钻孔封口；

（4）浆液凝固后，从读数仪上不断读取压力值，待数据稳定后，把两个三向压力盒所测六个压力数据代入地应力测试原理公式中，得出该测试点处的地应力。

采过上述方法长时间内实施多次测量，就可以得到该测试点的地应力演化数据。

上面所述的两个三向压力盒之间任两个工作面的方向余弦都不得为1，是指两个三向压力盒之间任两个工作面的法线方向都不重合，或者说不平行。

本发明实质上还提供了一种地应力测量装置，包括连接杆，两个三向压力盒相邻地固定在连接杆上；所述三向压力盒具有互相垂直的三个工作面，两个三向压力盒之间任意两个工作面的方向余弦都不为1；两个三向压力盒每个工作面上安装有测量法向压应力的装置，该装置通过数据线和钻孔外的读数仪连接。

两个三向压力盒每个工作面上安装的测量法向压应力的装置，可以采用任何一种本领域已知的设备，比如背景技术所提供的，还可以为测量仪器领域中共知的振弦式结构，包括位于工作面的钢制弹性膜片，弹性膜片下面固定有两个钢制柱体，两个柱体之间固定有钢弦，钢弦上套有线圈，线圈连接数据线。

还可以为电阻应变式结构。包括位于工作面的弹性膜片，弹性膜片下面中央固定有电阻应变片，电阻应变片通过数据线与读数仪相连。