[发明专利]快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法

权利要求书

1.一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，其特征在于：包括施压变形子系统和数据测量子系统，所述施压变形子系统用于对钻孔进行全断面、特殊加载方式的内加压使孔径扩展变形，所述数据测量子系统用于采集所述施压变形子系统在孔径扩展变形中的变形数据、方位数据、压力数据，以及利用地应力、施加应力和岩体的变形特性来确定地应力状态，根据所述变形数据进行孔径变形的椭圆化模拟，结合所述压力数据和所述方位数据计算变形椭圆长轴方向和短轴方向的压力与变形关系，并确定钻孔截面的主应力方向和主应力量值，所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔的变形数据的椭圆化模拟和方位数据获得，变形最小的方向为截面最大主应力方向；主应力量值由特殊加载方式中获取的变形椭圆长轴方向和短轴方向的弹性恢复变形、弹性模量和施加应力确定。

2.如权利要求1所述的快速测定软岩地层地应力的测量装置，其特征在于：

所述施压变形子系统包括加压泵(1-5)、压力管路(2-1)和伸缩胶囊(3-1)，所述伸缩胶囊(3-1)设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔(4)中，加压泵(1-5)通过压力管路(2-1)与伸缩胶囊(3-1)连接，当伸缩胶囊(3-1)内充满介质并贴紧孔壁后，继续通过加压泵(1-5)泵入压力传导介质时伸缩胶囊(3-1)径向膨胀，使测量钻孔(4)的孔径变形，关闭加压泵(1-5)介质回流则伸缩胶囊(3-1)收缩；

所述数据测量子系统包括压力传感器(1-4)、压力表(1-3)、数据采集仪(1-2)、信号仓(3-3)、计算机(1-1)、圆周向布置于伸缩胶囊(3-1)内的测距元件(3-2)以及与伸缩胶囊(3-1)连接的三维电子罗盘，压力传感器(1-4)用于采集伸缩胶囊(3-1)的压力数据，测距元件(3-2)用于检测伸缩胶囊(3-1)在加压过程中测距元件所处部位的变形数据，三维电子罗盘用于检测伸缩胶囊(3-1)的X轴的方位数据β，测距元件(3-2)和三维电子罗盘通过信号仓(3-3)与数据采集仪(1-2)连接，数据采集仪(1-2)的信号输出端与计算机(1-1)连接，所述信号仓(3-3)具有数据采集、处理和通讯功能，与数据采集仪(1-2)的第一信号接收端连接，压力传感器(1-4)与数据采集仪(1-2)的第二信号接收端连接，数据采集仪(1-2)的信号输出端与计算机(1-1)连接。

3.如权利要求2所述的快速测定软岩地层地应力的测量装置，其特征在于：所述信号仓(3-3)内封装有三维电子罗盘、信号处理电路和通讯电路，测距元件(3-2)和三维电子罗盘与信号处理电路连接，信号处理电路与通讯电路连接，通讯电路通过信号线(2-2)与数据采集仪(1-2)的第一信号接收端连接；三维电子罗盘用于提供测量基准N与伸缩胶囊(3-1)的X轴的夹角，即方位数据β；信号处理电路将方位数据和变形数据交由通讯电路经由信号线(2-2)传输至采集仪(1-2)。

4.如权利要求3所述的快速测定软岩地层地应力的测量方法，其特征在于：所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔变形数据的椭圆化模拟和方位数据获得，设孔径变形椭圆化结果的长轴方向与X轴夹角为α，令θ＝α+β，可知截面最大主应力方向垂直于长轴方向，角度为θ±90°。

5.如权利要求1所述的快速测定软岩地层地应力的测量方法，其特征在于：所述特殊加载方式为加压和释压在相同压力区间的方式，分离出弹性变形进行主应力量值计算。