[发明专利]一种通过单个钻孔测量地应力的装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于地下岩体工程地应力测试技术领域，尤其涉及通过单个钻孔测量地应力的装置及测量方法。

背景技术

地应力是指地壳中的岩体在天然状态下所具有的内在应力。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、道路和各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。科学准确地掌握其在地壳中的分布规律是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程决策、设计和开挖科学化的必要前提。岩体中存在着的这种天然地应力场目前只能通过实际测试的手段来获取。

声发射法(又称AE法)是利用岩石本身具有的Kaiser效应在实验室内进行地应力测量的一种方法。与测量地应力较为常用的应力解除法和水压致裂法相比，AE法不需要庞大的现场设备，只要将钻取的岩心样品运到实验室内测试声发射信号即可,试验条件稳定，测试成本较低。目前，国内外都试图将AE法测地应力技术推向更深更广的实用化阶段，但一直没有很好地解决岩心定向问题，即传统AE法若想获得地下岩体的真实三维地应力信息(包括大小和方向)，必须以测点处多个成一定角度的定向岩心为试验材料(通常是打一个垂直钻孔、三个夹角成45°水平钻孔)，因此需要花费很大精力使用专用的定向取心工具深入到井下或岩层中钻取定向岩心，高成本、低效率、耗时长的定向取岩心过程致使该方法无法有效推广。而近些年发展起来的古地磁定向法、孔内电视和岩层扫描定向法均因在实际使用中的工程适用性方面问题而无法有效推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便快捷、准确可靠的通过单个钻孔测量地应力的装置。

本发明的另一目的在于提供一种简单易行、经济高效、便于大规模推广应用的通过单个钻孔测量地应力的方法。

本发明的技术方案：

一种通过单个钻孔测量地应力的装置，其特征在于，该装置包括孔内岩心定位拍照装置和岩心地面重定向装置；

其中，所述孔内岩心定位拍照装置包括厚壁铜筒8，所述厚壁铜筒8直径略小于钻孔直径，所述厚壁铜筒8前端盖中心孔上安装有无线高清摄像头9，所述的无线高清摄像头9通过插在电脑6上的无线信号接收器7实现遥控实时视频监控或拍照；所述厚壁铜筒8前端盖上还安装有一个卡托11，所述卡托11上放置有透明刻度盘10，所述透明刻度盘在垂直于0°和180°刻度线位置上有两个水平校准气泡12，用于微调孔内岩心定位拍照装置的位置；

所述岩心地面重定向装置包括万向支架14，所述万向支架14由上部托板15、万向节16和紧固螺栓17组成，所述上部托板15与托管13下部外侧紧密连接，所述托管13的内径与钻孔直径相等，它以万向节16为中心任意旋转调整空间位置，并通过紧固螺栓17限制万向节16的转动来使其稳定保持在某一位置；所述托管13的外侧表面包括倾角仪19，用于确定倾角；所述托管13的下部外表面固定两个对称的吊线锤 18，用于确定方位角；所述万向支架14固定于刻度底座20的中心点位置上，所述刻度底座20上刻绘有360°刻度盘，并标示出东南西北方位。

所述厚壁铜筒8后端盖中心处焊有一个安装杆铰链头5，其与安装杆4牢固铰接，安装杆4可根据钻孔实际深度无限延长。

所述的无线高清摄像头9带有灯光补偿功能，对光线较暗的钻孔底进行清晰拍照。

所述刻度底座20为不锈钢厚板。

一种通过单个钻孔测量地应力的方法，先利用孔内岩心定向拍照装置对处于原岩应力区的未断岩心在钻孔内进行定位拍照，获取岩心在原位上的断面特征点清晰图像，再利用岩心地面重定向装置在地面精确模拟重现钻孔的包括方位角和倾角参数的空间位置。

获得上述空间位置后，通过图形特征点比对还原出岩心在地下原位时的真实空间位置状态，并划出方位标记线，然后按标记线方向进行声发射小试件加工制作，最后通过开展各向岩石试件的声发射信号测试，获取对应Kaiser效应点，并计算出应力值。

上述通过单个钻孔测量地应力的方法，包括以下步骤：

1)利用矿钻机钻孔，测试并记录钻孔方位角和倾角；

2)当钻出岩心长度小于钻进深度，则判断有未断岩心在孔底与围岩体未脱离，未断岩心长度约为钻进深度减去取出岩心长度；

3)将孔内岩心定位拍照装置推向孔底，拍得孔内情况的图像，缓慢推动安装杆使孔内岩心定向拍照装置最前端的透明刻度盘与孔底未断岩心前端刚好接触，转动安装杆，使透明刻度盘的0°刻度竖直向上，拍得未断岩心的断面照片，使断面上的特征点与透明刻度盘上的刻度唯一对应；

4)将孔内岩心定位拍照装置拉出，取出未断岩心；