采用連接桿的軟巖多測點地應(yīng)力測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用連接桿的軟巖多測點地應(yīng)力測試方法。工作時，將多組三向壓力盒（每組兩個）用鎖緊螺釘相鄰地固定在連接桿上，多節(jié)連桿形式序貫安裝操作，直至將所有測點三向壓力盒推送至設(shè)計位置；連接桿兼作注漿管，全孔注漿后，測量、解算三向壓力盒所受壓力，得到在鉆孔局部坐標(biāo)系下的每一對三向壓力盒孔內(nèi)位置的地應(yīng)力分量σ′x、σ′y、σ′z、τ′xy、τ′yz、τ′zx，再建立圓柱雙介質(zhì)力學(xué)模型，利用數(shù)值模擬方法，以迭代收斂方式求取鉆孔處原巖應(yīng)力場應(yīng)力分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx。該方法連接桿兼作注漿桿，統(tǒng)一注漿，孔內(nèi)漿液介質(zhì)均勻，計算較為簡便?？芍苯訙y量深部軟巖中多個測試點的地應(yīng)力值并實現(xiàn)地應(yīng)力場的連續(xù)監(jiān)測。
【專利說明】采用連接桿的軟巖多測點地應(yīng)力測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種采用連接桿的軟巖多測點地應(yīng)力測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤礦深井巷道的安全建設(shè)依賴于對地應(yīng)力場的空間分布和時間演化規(guī)律的了解。在煤礦深部破碎軟弱的圍巖中，采用目前常用測試方法進(jìn)行地應(yīng)力的有效測試是非常困難的。硬巖中廣泛采用的水壓致裂法，其鉆孔封隔器需要在高水壓下具備良好的水密封性，對巖體的完整性提出了苛刻的要求，尤其不適用于煤礦深部節(jié)理裂隙發(fā)育的破碎軟弱巖體。另一種常用測試方法為應(yīng)力解除法。由于煤礦深部松軟圍巖中巖芯很難獲取，無法通過單軸壓縮實驗得到力學(xué)參數(shù)，應(yīng)力解除法在破碎軟弱巖體中難以實施。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所提出了一種“基于流變應(yīng)力恢復(fù)原理的深部軟巖地應(yīng)力測試方法和裝置”(專利號201210096644.6)，利用深部軟巖在高地應(yīng)力下流變的特性，實現(xiàn)軟巖地應(yīng)力的實時測量和長期監(jiān)測。
[0003]隨著開采巷道深度的不斷增加，圍巖強度低和地應(yīng)力高的矛盾愈發(fā)突出，從施工期開始就必須進(jìn)行地應(yīng)力的多點測試，并長期監(jiān)測圍巖中地應(yīng)力的演化。在實際工程應(yīng)用中，采用專利201210096644.6方法進(jìn)行多測試點地應(yīng)力監(jiān)測時，需要將多個傳感器組推送至不同深度的孔內(nèi)位置。當(dāng)圍巖質(zhì)量較好，巖體較硬時，基于流變應(yīng)力恢復(fù)原理的深部軟巖地應(yīng)力測試方法要求盡快在鉆孔內(nèi)進(jìn)行全孔注漿，以盡早完成周圍巖石應(yīng)力向傳感器組的傳遞，以避免鉆孔趨于自穩(wěn)后應(yīng)力傳遞量小的問題。多測試點測量需要往孔中安裝多個傳感器組(一個測試點需要包含兩個三向壓力傳感器)，由于鉆孔直徑一般與傳感器尺寸相當(dāng)，空隙小，注漿桿很難在整個孔中穿過去，無法實現(xiàn)全孔段的完全注漿，實現(xiàn)簡單的應(yīng)力解算。綜上所述，圍巖深孔中基于流變應(yīng)力恢復(fù)原理的多測點地應(yīng)力測量需要解決固定方位和注漿的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種采用連接桿的軟巖多測點地應(yīng)力測試方法。通過該方法，在巖性較好的圍巖鉆孔中，可使多組壓力傳感器固定且可測量地安放至鉆孔中多個測試點，實現(xiàn)圍巖體局部應(yīng)力場的的測量和計算。
[0005]一種采用連接桿的軟巖多測點地應(yīng)力測試方法，包括以下步驟:
[0006](I)在軟巖巷道壁上鉆孔，鉆孔包含多個測點；
[0007](2)準(zhǔn)備和測點數(shù)量相同的三相壓力盒組，每組包括兩個三相壓力盒；準(zhǔn)備連接桿，所述連接桿為中空的，且由多節(jié)短桿在向鉆孔推進(jìn)過程中，通過螺紋在孔口組裝而成；
[0008](3)將一組兩個三向壓力盒用鎖緊螺釘相鄰地固定在連接桿上，兩個三向壓力盒任意兩個工作面法線不重合；將連接桿向鉆孔推進(jìn)，同時組裝連接桿，按照深度設(shè)計將下一組三向壓力盒通過鎖緊螺釘固定在連接桿上，連接桿逐段向里推進(jìn)，直到所有壓力盒安裝完畢，并推進(jìn)到設(shè)計孔深位置；推進(jìn)過程中記錄下每組兩個三向壓力盒所有工作面與連接桿軸線方向之間的方向余弦= 和每個三向壓力盒在連接桿上的位置；
[0009](4)根據(jù)三向壓力盒所有工作面與連接桿軸線方向之間的方向余弦叫」，」=1，...，6，計算孔中所有三向壓力盒的角度和位置，獲取所有三向壓力盒在鉆孔局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與方位；
[0010](5)三向壓力盒的數(shù)據(jù)線和鉆孔外的讀數(shù)儀連接，封閉鉆孔，通過中空的連接桿在壓力盒附近的注漿孔進(jìn)行全孔注漿；
[0011](6)漿液凝固后，從讀數(shù)儀上讀取壓力值，根據(jù)專利201210096644.6方法，求得每一對三向壓力盒中間點所在孔內(nèi)位置的地應(yīng)力分量ο ' χ、σ ' y、σ ' ζ、τ ' xy、τ ' yz>
[0012](7)建立圓柱雙介質(zhì)力學(xué)模型，以圍巖和注漿材料的楊氏模量、泊松比，巷道位置尺寸以及鉆孔長度為模型參數(shù)，基于每一組三向壓力盒在鉆孔局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和孔內(nèi)位置的地應(yīng)力分量σ' χ、O ' y、σ ' z、τ ' xy、τ ' yz、τ ' zx，利用有限元數(shù)值模擬，以迭代收斂方式求取鉆孔處原巖應(yīng)力場應(yīng)力分量σχ、oy、oz、Txy、Tyz、τζχ。
[0013]所述三向壓力盒為正方體的形式，三個工作面相互垂直。
[0014]通過連接桿對鉆孔實施注漿，注漿材料采用水泥砂漿。
[0015]作為一種優(yōu)選，連接桿采用中空的普通鋼管制作，一次性使用。
[0016]本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和有益效果:①可直接測量深部軟巖中多個測試點的地應(yīng)力值并實現(xiàn)地應(yīng)力場的連續(xù)監(jiān)測，適合于較硬的圍巖中實施應(yīng)力測試；②連接桿固定所有三向壓力盒傳感器，相對位置都是固定的，統(tǒng)一在一個鉆孔局部坐標(biāo)系下，有利于圍巖應(yīng)力場的反演，不需要另外的定位裝置，方便現(xiàn)場實施連接桿兼作注漿桿，實施統(tǒng)一注漿，孔內(nèi)的漿液介質(zhì)均勻，計算較為簡便穩(wěn)定。④三向壓力盒傳感器的引線沿著連接桿外分布，自由度較大，便于現(xiàn)場在孔口的安裝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為多連桿式軟巖地應(yīng)力多點測量位置示意圖。
[0018]1-三向壓力盒，2-三向壓力盒，3-連接桿，4-數(shù)據(jù)線，5-讀數(shù)儀，6_鎖緊螺釘。
[0019]圖2為連接桿兼注漿桿與應(yīng)力傳感器固定關(guān)系示意圖。
[0020]3-連接桿，6-鎖緊螺釘，7-注漿孔。
[0021]圖3為均勻注漿計算力學(xué)模型二維界面示意圖。
[0022]8_鉆孔圍巖,9_鉆孔。
[0023]圖4為全孔均勻注漿應(yīng)力測量模擬計算Y分量結(jié)果。
[0024]圖5為全孔均勻注漿應(yīng)力測量的區(qū)域地應(yīng)力場反演Y分量結(jié)果。
[0025]圖6為全孔均勻注漿應(yīng)力測量的區(qū)域地應(yīng)力場反演Z分量結(jié)果。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027]本發(fā)明實際上還公開了一種地應(yīng)力測量輔助裝置，包括連接桿3，鎖緊螺釘6，注衆(zhòng)孔7，如圖2所示。[0028]應(yīng)用上述輔助裝置進(jìn)行軟巖鉆孔中的多測點地應(yīng)力測試方法，包括以下步驟:
[0029](I)在軟巖巷道壁上往圍巖體內(nèi)鉆孔，包含了多個測試點的位置。并以鉆孔孔口中心為原點，巷道軸線方向為X軸，孔口所在圓周切向為Y軸，鉆孔軸向為Z軸，建立坐標(biāo)系(如圖1所示)。
[0030](2)將兩個三向壓力盒I和2用鎖緊螺釘6相鄰地固定在連接桿3上，如圖2所示，兩個三向壓力盒I和2任意兩個工作面法線不重合；記錄下兩個三向壓力盒I和2所有工作面與連接桿3軸線方向之間的方向余弦Iiiui = 1...，N，j = 1...，6, i表示第幾個三向壓力盒，j表示三向壓力盒的6個面。
[0031](3)連接桿3以多節(jié)連接的形式在孔口安裝，根據(jù)連接桿3的節(jié)數(shù)和鎖緊螺釘6在該節(jié)連接桿3的位置，記錄每個三向壓力盒I或2在連接桿3上的位置。
[0032](4)按照深度設(shè)計將下一對三向壓力盒固定在連接桿3上，連接桿3逐段向里推進(jìn)，直到所有三向壓力盒安裝完畢，并推進(jìn)到設(shè)計深度位置。推進(jìn)過程中記錄下每組兩個三向壓力盒所有工作面與連接桿軸線方向之間的方向余弦Hlu j = ，6和每個三向壓力盒在連接桿上的位置；
[0033](5)根據(jù)三向壓力盒所有工作面與連接桿軸線方向之間的方向余弦Hiijii = UJ= ，計算孔中所有三向壓力盒的角度和位置，獲取所有三向壓力盒在鉆孔局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與方位。
[0034](6)數(shù)據(jù)線4和鉆孔外的讀數(shù)儀5連接，封閉鉆孔9孔口。
[0035](7)通過中空的連接桿3在三向壓力盒I和2附近的注漿孔7進(jìn)行全孔注漿，如圖2所示。
[0036](8)漿液凝固后，從讀數(shù)儀5上不斷讀取壓力值，根據(jù)單測點雙壓力盒應(yīng)力方程求解法(參見“基于流變應(yīng)力恢復(fù)原理的深部軟巖地應(yīng)力測試方法和裝置”，專利號201210096644.6)，求得每一對三向壓力盒所在孔內(nèi)位置的地應(yīng)力分量ο' χ> σ / y、ο ' ζ、τ ' xy、τ ' yz、τ ' zx，表征的是兩個三向壓力盒中點位置的應(yīng)力值。
[0037](9)建立圓柱雙介質(zhì)力學(xué)模型(含圍巖和注漿材料的楊氏模量E1、E2和泊松比u ”U2，如圖3所示)，考慮巷道與鉆孔位置尺寸，基于每一對三向壓力盒在鉆孔局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和孔內(nèi)位置的地應(yīng)力分量σ ' χ、σ' y、o' ζ、τ' xy、T' yz、T' zx，利用數(shù)值模擬方法，以最大似然或者最小方差迭代收斂方式求取鉆孔處原巖應(yīng)力場應(yīng)力分量σχ、oy、
0Z、Txy、Tyz、T zx°
[0038]實施例1
[0039]針對深度800~1000米的強度較大質(zhì)地較硬的砂巖煤系地層，首先制作分節(jié)形式的連接桿3，使用中空的普通鋼管制作，每節(jié)連接桿為120cm長，每一節(jié)連接桿3都可以與其他連接桿3螺紋連接，內(nèi)外都是平順的。在一部分連接桿3的中部安置有可與三向壓力盒1、2上螺孔對接的鎖緊螺釘6兩個，連接桿3在兩個鎖緊螺釘6的外側(cè)和中間位置加工出三個注漿孔7。
[0040]在煤礦800~1000米深部軟巖巷道應(yīng)用時，巷道直徑大約4米，鉆孔深度20~30米，孔徑130mm。選擇帶有鎖緊螺釘6的連接桿3，將三向壓力盒1、2與之固定連接，保證兩個三向壓力盒I和2任意兩個工作面法線不重合；記錄下兩個三向壓力盒I和2所有工作面與連接桿3軸線方向之間的方向余弦π^? = 1，..υ_ = 1，...，6。每一節(jié)連接桿3均于鉆孔口處連接，推桿整體不斷加長、推進(jìn)，保證數(shù)據(jù)線纜4微微緊繃地延伸到孔口外，直至按照設(shè)計需要連接下一組三向壓力盒，重復(fù)上述步驟，直至所有三向壓力盒都安裝完畢。計算孔中所有三向壓力盒的角度和位置，獲取所有三向壓力盒在鉆孔局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與方位。連接數(shù)據(jù)線纜4和讀數(shù)儀5，讀數(shù)儀5采用可讀取振弦式傳感部件的DataTakerSOG。封住孔口，通過中空的連接桿3往鉆孔內(nèi)注漿，注漿材料使用細(xì)沙水泥配置的標(biāo)號5以下的水泥砂漿，注漿壓力約0.5MPa。
[0041]計算區(qū)域地應(yīng)力場按下述步驟進(jìn)行:
[0042](I)待鉆孔逐漸收縮施加壓力在所有三向壓力盒后，基于傳感器讀數(shù)，根據(jù)單測點雙壓力盒應(yīng)力方程求解法(參見“基于流變應(yīng)力恢復(fù)原理的深部軟巖地應(yīng)力測試方法和裝置”，專利號201210096644.6)，求得鉆孔內(nèi)每組三向壓力盒中心處應(yīng)力分量o' χ、σ ' y、
σ 'τ ' xy> τ 'τ ' ZX °
[0043](2)建立圓柱雙介質(zhì)力學(xué)模型,設(shè)定原巖應(yīng)力場σ χ、σ y、σ z、τ xy、τ yz、τ zx初始值，以圍巖和注漿材料的楊氏模量Ep E2、泊松比U2，巷道位置尺寸以及鉆孔長度為模型參數(shù)，利用數(shù)值模擬方法，計算每組三向壓力盒中心處應(yīng)力分量σ' χ、σ ' y、σ ' z、τ' xy、T' yz、τ ' zx，與步驟(1)得到的相應(yīng)應(yīng)力分量值進(jìn)行對比，用最大似然或者最小方差判據(jù)，以最小方差迭代收斂方式求取鉆孔處原巖應(yīng)力場應(yīng)力分量σχ、0y、oz、Txy、
τyz,τzx
[0044]800米深部軟巖巷道應(yīng)用區(qū)域應(yīng)力場的反演結(jié)果如圖4所示，應(yīng)力的測量和反演可以基于數(shù)值模擬完成。雙介質(zhì)力學(xué)模型數(shù)值模擬得到的空間應(yīng)力分布除了孔底外沒有出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，如圖4所示。反演得到巷道開挖后但未鉆測試孔時的應(yīng)力分布，巖體表面到內(nèi)部Y方向(重力方向)應(yīng)力呈減小趨勢，數(shù)值大小為20~35MPa，如圖5所示；Z方向(鉆孔軸向)應(yīng)力呈增大趨勢，數(shù)值大小為11~15MPa，構(gòu)造應(yīng)力較小，如圖6所示。反演得到的地應(yīng)力場可作為分析巷道開挖和鄰近巷道來壓的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0045]巷道開挖后圍巖應(yīng)力釋放，巷道壁附近的巖體內(nèi)部一般會出現(xiàn)破碎的松動圈，加之原生的節(jié)理裂隙的存在，巖體中的應(yīng)力場通常是不均勻的，結(jié)合鉆孔攝像或者地球物理的探測方法獲取圍巖中裂隙和破碎程度的空間分布信息，是建立合理的應(yīng)力場初始力學(xué)模型的重要信息來源。接近實際情況的空間模型是上述地應(yīng)力場反演計算過程穩(wěn)定準(zhǔn)確的保證。
【權(quán)利要求】
1. 一種采用連接桿的軟巖多測點地應(yīng)力測試方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在軟巖巷道壁上鉆孔，鉆孔包含多個測點； (2)準(zhǔn)備和測點數(shù)量相同的三相壓力盒組，每組包括兩個三相壓力盒；準(zhǔn)備連接桿，所述連接桿為中空的，且由多節(jié)短桿在向鉆孔推進(jìn)過程中，通過螺紋在孔口組裝而成； (3)將一組兩個三向壓力盒用鎖緊螺釘相鄰地固定在連接桿上，兩個三向壓力盒任意兩個工作面法線不重合；將連接桿向鉆孔推進(jìn)，同時組裝連接桿，按照深度設(shè)計將下一組三向壓力盒通過鎖緊螺釘固定在連接桿上，連接桿逐段向里推進(jìn)，直到所有壓力盒安裝完畢，并推進(jìn)到設(shè)計孔深位置；推進(jìn)過程中記錄下每組兩個三向壓力盒所有工作面與連接桿軸線方向之間的方向余弦和每個三向壓力盒在連接桿上的位置； (4)根據(jù)三向壓力盒所有工作面與連接桿軸線方向之間的方向余弦，計算孔中所有三向壓力盒的角度和位置，獲取所有三向壓力盒在鉆孔局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與方位； (5)三向壓力盒的數(shù)據(jù)線和鉆孔外的讀數(shù)儀連接，封閉鉆孔，通過中空的連接桿在壓力盒附近的注漿孔進(jìn)行全孔注漿； (6)漿液凝固后，從讀數(shù)儀上讀取壓力值，根據(jù)專利201210096644.6方法，求得每一對三向壓力盒中間點所在孔內(nèi)位置的地應(yīng)力分量σ ' χ、σ ' y、σ ' ζ、τ ' xy、τ ' yz>τ ! ；
ZX 9 (7)建立圓柱雙介質(zhì)力學(xué)模型，以圍巖和注漿材料的楊氏模量EpE2，泊松比U2，巷道位置尺寸以及鉆孔長度為模型參數(shù)，基于每一組三向壓力盒在鉆孔局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和孔內(nèi)位置的地應(yīng)力分量σ ' χ、σ' y、o ' ζ、τ' xy、T' yz、T' zx，利用有限元數(shù)值模擬，以迭代收斂方式求取鉆孔處原巖應(yīng)力場應(yīng)力分量ox、oy、oz、Txy、Tyz、τζχ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地應(yīng)力測試方法，其特征在于，所述三向壓力盒為正方體的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地應(yīng)力測試方法，其特征在于，通過連接桿對鉆孔實施注漿，注漿材料采用水泥砂漿。
【文檔編號】G01L1/10GK103528718SQ201310496900
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】劉泉聲, 劉小燕, 蔣景東, 張程遠(yuǎn) 申請人:武漢大學(xué)