[发明专利]快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法

说明书

本发明提供一种快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法，其结合水压致裂法和孔径变形法特点，由封闭的水压致裂法管路系统和孔径变形测量系统组成，本发明依据岩体地应力、施加应力和岩体的变形特性来测定岩体地应力，测量采用特定加载方式使得孔径变形，通过对孔径变形进行椭圆化模拟获取最大水平主应力方向，分离出弹性变形进行地应力量值计算。本发明可以快速测定软岩地应力，单次测试即可获得钻孔横截面的二维主应力的量值和方向，测量过程不需要进行套钻孔解除操作，测量时间较水压致裂法和孔径变形法节省50％以上，利用三孔及以上交汇孔系可以获得三维应力结果。

技术领域

本发明涉及岩土试验领域，具体是一种快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法。

背景技术

地应力信息是地震预测预报和水电、交通、核电、采矿等行业地下工程建筑设计的基础资料，进行原位地应力测试是获取其信息的最准确方法。目前，地应力测试的主要方法有表面应力测量法、套钻孔解除法和水压致裂法，套钻孔解除法又分为孔壁应变法、孔径变形法和孔底应变法，其中孔壁应变法又分为直接贴片式和空心包体式。当前应用最广泛方法为空心包体解除法和水压致裂法。由于软岩具有显著的塑性变形，而上述方法均建立在弹性理论的基础上，因此只适用于硬岩地层的地应力测试。

近年来，随着我国工程向大埋深、地质条件复杂地区的挺进，软岩在高应力下的大变形问题给多个调水工程、交通工程的建设带来了巨大经济损失，正在实施的川藏铁路等大型工程建设也亟需软岩地应力测试技术。截至目前，软岩地应力测试方法仅有“基于流变应力恢复理论的压力盒三维应力测试方法”，但其缺点明显，测试周期远远大于100天。总之，现有软岩地应力测试方法远远不能满足工程需要，而其它测试方法不能应用，软岩测量技术亟需突破。

发明内容

针对现有软岩地应力测试手段的不足，本发明提供了一种快速测定软岩地层地应力的试验装置及方法。

一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，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。

进一步的，所述施压变形子系统包括加压泵、压力管路和伸缩胶囊，所述伸缩胶囊设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔中，加压泵通过压力管路与伸缩胶囊连接，当伸缩胶囊内充满介质并贴紧孔壁后，继续通过加压泵泵入压力传导介质时伸缩胶囊径向膨胀，使测量钻孔的孔径变形，关闭加压泵介质回流则伸缩胶囊收缩；

所述数据测量子系统包括压力传感器、压力表、数据采集仪、信号仓、计算机、圆周向布置于伸缩胶囊内的测距元件以及与伸缩胶囊连接的三维电子罗盘，压力传感器用于采集伸缩胶囊的压力数据，测距元件用于检测伸缩胶囊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的X轴的方位数据β，测距元件和三维电子罗盘通过信号仓与数据采集仪连接，数据采集仪的信号输出端与计算机连接，所述信号仓具有数据采集、处理和通讯功能，与数据采集仪的第一信号接收端连接，压力传感器与数据采集仪的第二信号接收端连接，数据采集仪的信号输出端与计算机连接。

进一步的，所述信号仓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与数据采集仪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传输至采集仪。