[实用新型]岩芯内应力场测试仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种岩芯内应力场测试仪，可以测量煤体、岩体内应力的大小和空间分布，组建应力场，从而可以实时监测煤体、岩体地应力变化，内应力大小，随采动和顶板活动、围岩活动的变化规律。属于工程监测技术领域。 

背景技术

地应力作用是导致地壳变形、褶皱、断裂乃至地震发生的根本原因，地应力测量及应力状态研究已广泛应用于大陆动力学研究、地震预报监测、地质灾害预警、活动断裂以及矿山、大坝、电站、隧道工程设计及构造应力场研究等领域。地应力研究的核心内容是地应力状态、空间分布规律及其随时间的变化规律。地应力状态通常运用地应力测量手段获得，地应力测量分为绝对应力测量和相对应力测量两种。绝对应力测量主要是确定地壳应力背景值，包括主应力大小和方向。相对应力测量是观测应力随时间的动态变化规律，通常采用地应力监测技术。绝对应力测量方法主要包括压磁应力解除法、空心包体应力解除法、水压致裂法等。相对应力测量方法主要包括压磁法、体应变法、分量应变法及差应变法等（吴满路，廖椿庭等，2004）。在地应力测量与监测的基础上，进行地应力状态空间分布规律及其随时间的变化规律分析，从力学机制上探讨地质作用过程及其作用结果具有重要的科学意义和理论意义。目前，国内外绝对应力测量主要利用水压致裂法和应力解除法。水压致裂法是目前可进行深孔直接应力测量的唯一方法，国外水压致裂应力测量深度已经达到数千米，国内水压致裂应力测量深度还主要在1000米之内，这一领域国内外差距比较明显，主要体现在设备自动化水平、材料性能等诸多方面；压磁法是广泛采用的应力解除方法，国外测量深度已达数百米，国内测量深度仅限于孔深数十米以内，深孔压磁、应力解除测量仍面临深孔元件防水密封、自动化安装及定向、深部小孔成孔及井下数据采集存储等诸多技术难题。由于地壳浅表层地形风化作用等引起的非构造应力的存在，能够代表区域性构造应力的深度往往大于100m，甚至更深，尤其是深切河谷地区（吴满路，2004）。因此，迫切需要开展深孔地应力测量技术方法试验研究，发展深孔地应力测量技术，为深部应力探测提供技术和人才储备，提升我国相关领域研究水平，具有重要的科学意义。 

可采用套钻孔应力解除法，来取代岩体表面应力测量方法。根据测量元件安装和测量的物理量不同，套钻孔应力解除测量法可分为钻孔孔壁应变测量法、钻孔孔底应变测量法和钻孔孔径变形测量法三种。瑞典哈斯特研制的压磁式应力计和美国矿务局欧贝特（Obert,L.）等人研制的USBM钻孔变形计，都是测量钻孔直径变化的应力计；南非黎曼（Leeman,E.R.）研制的“CSIR门塞器”是测量钻孔孔底应变的应力计；70年代南非科学及工业委员会CSIRO钻孔三轴应变计则是测量钻孔孔壁应变的测量元件。葡萄牙国家土木研究所罗哈研制的钻孔三向应力张量计，经过70年代改进和完善而成为空心包体式三轴应力计，也是测量钻孔孔壁应变的测量元件。 

工程实践中，岩体、煤体内相对应力状态测试方法或装置主要有孔底应变法、钻孔变形计、小孔径水压致裂地应力测试（专利申请号：03257022），和深孔大地应力检测装置的伸缩式贴片头（专利申请号：200420111711.8），钻孔应力计：煤岩体地应力连续测试装置及方法（专利申请号：200910029898.4），它们的缺点有的是不能与岩体紧密耦合，使用需要锚固剂或耦合剂，而且不可重复实用，测量效果差，仅仅测量钻孔内孔底或孔壁，或孔径的变形，不能测量岩体内部的空间应力场。 

经专利和文献检索，煤岩体地应力连续测试装置及方法（专利申请号：200910029898.4）专利，采用了测试胶囊管内的油液压力方法来测试岩体地应力，通过连接在胶囊管上的电力压力表得到一个胶囊管内的液体压力值，这个专利方法不能测量岩壁内上的各点处压力，不能给出岩壁内矢量应力或应变，不能构建出应力场，而且采用的测试传感器和分析系统是电子数显压力传感器与后续电路分析，干扰严重，信息量少，不便于组网和远距离传输。