[发明专利]一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量地应力技术领域，特别是涉及一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置。

背景技术

地应力是引起采矿工程围岩变形、诱发冲击地压现象的根本作用力,准确的地应力测量数据是实现科学决策和设计采矿工程必要的前提条件。随着采矿不断向深部发展,地应力的影响就越加严重,忽略地应力影响而盲目施工采掘,矿井安全生产将受到严重的威胁。只有掌握矿井所处的地应力状态,才能采取合理有效的预防措施,阻止围岩变形、冲击地压等灾害现象，对巷道稳定和安全生产具有十分重要意义。

一般获取地应力比较成熟的方法有钻孔应力解除法、水压致裂法基于三向实心基体和澳大利亚CSIR0空心包体应力计基本原理展开，这方面的技术的发明有：CNIO3556992A一种光纤光栅地应力的获取方法、CNIO4390734A一种空心包体应力计，以及CNIO4280417A岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置等。综合分析和比较以上专利得到以下结论：①包体与钻孔轴心不重合，即不同轴；②胶体过厚，例CNIO4280417A使用水泥进行耦合钻孔孔壁，在高应力作用下，过厚的胶体开裂将直接影响测量精度；③包体壁与孔壁的间隙都是通过胶体耦合在一起，其胶体的弹模变化也会给测量的精度带来影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其目的是为了更准确获取三维地应力。树脂壳体瓣径向移动紧贴孔壁实现强耦合、同步同轴的作用效果，为工程支护方案的设计和灾害预防提供精确数据。

本发明所采用的技术方案是：一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，所述装置由刚性连接直套管、刚性连接杆、树脂壳体瓣、应变片、尾锥、孔口推进阀、反弧底V型钢片槽、变径刚性套管、条带状合成橡胶块、条带状胶体胶囊、反弧底V型钢片槽组成；其特征在于，所述刚性连接杆，为空心管体，其一端固连有尾锥，紧邻尾锥顺次连接测量部件、刚性连接直套管和一孔口推进阀；所述测量部件设有变径刚性套管，其较粗端与刚性连接直套管连接，较细端外部是周向均布的3个树脂壳体瓣，相邻树脂壳体瓣之间由反弧底V型钢片槽连接，槽体的顶口与刚性连接杆轴向平行，槽底与变径刚性套管外表面法向相切，槽体内由槽底向上顺序嵌装条带状合成橡胶块和条带状胶体胶囊，并且槽体两端粘结橡皮质的弹性封堵；所述变径钢性套管和刚性连接直套管可滑动地套装在刚性连接杆上，孔口推进阀与刚性连接杆螺纹连接并和刚性连接直套管刚性接触；所述尾锥设有能够推入变径刚性套管的锥形腔，锥形腔的周围均布穿线孔；各树脂壳体瓣内嵌装有应变片，所述应变片的缆线经过穿线孔以及刚性连接杆杆腔穿出，与外部数据采集设备连接；当孔口推进阀旋拧推动变径刚性套管沿刚性连接杆向尾锥方向轴向移动时，反弧底V型钢片槽在受到变径刚性套管径向挤压的同时也受到尾锥的轴向限制，伴随反弧底V型钢片槽的两翼向两侧打开，其整体也同步径向移动，同步撕裂条带状胶体胶囊，胶体流出，进而驱使树脂壳体瓣径向移动贴紧钻孔孔壁并由胶体与钻孔壁粘结固定。

所述刚性连接杆为分体式结构，由多节空心杆体螺纹连接组成，各节杆体的长度不超过1.5m。所述刚性连接直套管采用分体式结构，由多段套管首尾刚性连接而成，各段套管的长度为0.5～1.5m。所述刚性连接直套管的两端部设有边耳，边耳上设有螺丝孔，变径刚性套管较粗端的端面上设有螺丝孔，相邻套管之间或套管与变径刚性套管通过螺丝连接。

上述结构的设置并不是唯一选择，可以根据施工现场的情况灵活设置。例如，对于边坡、矿山一些室外作业，且钻孔深度较浅的情况(不超过两米)刚性连接杆也可以采用整体式结构，相应的，刚性连接套管也可以采用整体式结构，组合成一整体式测量装置。

所述变径刚性套管的外壁对应反弧底V型钢片槽的弧形底面设有凸起的导向道。所述反弧底V型钢片槽的反弧底是直径为2.3mm的半圆弧；导向道的截面为2mm的半圆状。所述的反弧底V型钢片槽常态下槽体夹角为10°。导向道的设置对反弧底V型钢片槽起到导向作用，同时推动反弧底V型钢片槽径向移动。

所述树脂壳体瓣的横截面为圆弧形，连接于反弧底V型钢片槽的槽顶边沿。所述树脂壳体瓣的半径与钻孔的半径相同，树脂壳体瓣的所对应的角度小于以壳体瓣的个数为基数将以树脂壳体瓣的半径为半径的圆等分后的角度。所述橡胶块为充炭黑母胶，在反弧底V型钢片槽底部与槽口平行布置。

一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量方法，包括如下步骤:

a.造孔,选大直径金刚石钻头开孔,钻进到预定孔深,再用小直径钻头同心钻进长度约200mm，然后在清理钻孔；