基于經(jīng)緯應(yīng)變線的地應(yīng)力方向測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地應(yīng)力方向測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于經(jīng)瑋應(yīng)變線的地應(yīng)力方向測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地應(yīng)力，又稱原巖應(yīng)力、巖體初始應(yīng)力或絕對(duì)應(yīng)力，是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因產(chǎn)生的。地應(yīng)力對(duì)礦山開(kāi)采、地下工程和能源開(kāi)發(fā)等生產(chǎn)實(shí)踐均起著至關(guān)重要的作用，地應(yīng)力的測(cè)量是確定工程巖體力學(xué)屬性、進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析、實(shí)現(xiàn)巖土工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的前提，所以，選擇合理有效的地應(yīng)力測(cè)量方法，具有重要意義。
[0003]地應(yīng)力測(cè)量包括地應(yīng)力大小測(cè)量以及地應(yīng)力方向測(cè)量。而對(duì)于地應(yīng)力方向測(cè)量，目前主要采用水壓致裂法和鉆孔崩落法。
[0004]具體的，水壓致裂法識(shí)別主應(yīng)力方向是指:(I)采用水壓致裂法在鉆孔孔壁壓裂出一條垂直或近垂直的裂縫；(2)然后，將印模器送入到井下的水壓致裂部位，再將印模加壓膨脹，以使鉆孔壁的裂隙印在印模器上；(3)將印有裂縫印痕的印模器取出至地面，通過(guò)對(duì)印模器外表面的印痕進(jìn)行分析，可識(shí)別主應(yīng)力方向。該種方法存在的主要問(wèn)題為:(I)由于需要用水壓致裂法在鉆孔孔壁壓裂出一條近垂直的裂縫，而這個(gè)過(guò)程僅能在少數(shù)的完整性好的花崗巖或大理巖等硬脆性巖石中實(shí)現(xiàn)，對(duì)于大量的抗壓強(qiáng)度低、地層破碎的鉆孔，無(wú)法壓裂出裂縫或只能得到紊亂無(wú)章的裂縫，從而無(wú)法采用印模法識(shí)別主應(yīng)力方向。(2)在將印有裂縫印痕的印模器取出至地面的過(guò)程中，印模器外表面極易受到孔壁的摩擦，從而將印模器表面的裂縫印痕磨損，因此，當(dāng)印模器取出至地面時(shí)，難以通過(guò)印模器表面的裂縫的分析，從而識(shí)別主應(yīng)力方向。尤其在進(jìn)行深孔地應(yīng)力方向識(shí)別中，上述現(xiàn)象更為明顯。
[0005]鉆孔崩落法識(shí)別主應(yīng)力方向是指:將井下電視放置于鉆孔中，成像觀察鉆孔中孔壁巖石的崩落現(xiàn)象，根據(jù)崩落方向識(shí)別最大主應(yīng)力方向。該種方法存在的主要問(wèn)題為:(I)由于崩落現(xiàn)象在一個(gè)比較大的方向區(qū)間內(nèi)發(fā)生，這個(gè)區(qū)間往往有20°?50°角度，崩落位置分布范圍太廣，甚至偶爾有0°?360°角度范圍內(nèi)全部都發(fā)生崩落現(xiàn)象的情況，因此，井下電視難以準(zhǔn)確識(shí)別確切的崩落方向，所以，具有主應(yīng)力方向的識(shí)別準(zhǔn)確度非常低的不足，無(wú)法適用于精度要求較高的測(cè)量。(2)鉆孔孔壁巖石崩落現(xiàn)象僅在少數(shù)的完整性好硬度高的巖石地層中才能發(fā)生，例如，花崗巖、大理巖等，而無(wú)法發(fā)生在大量的巖石抗壓強(qiáng)度低、地層破碎的鉆孔中，可見(jiàn)，本方法的使用范圍較窄。
[0006]綜上所述，傳統(tǒng)的地應(yīng)力方向測(cè)量方法，具有地應(yīng)力方向識(shí)別精度低以及適用范圍小的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于經(jīng)瑋應(yīng)變線的地應(yīng)力方向測(cè)量系統(tǒng)及方法，可有效解決上述問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]本發(fā)明提供一種基于經(jīng)瑋應(yīng)變線的地應(yīng)力方向測(cè)量系統(tǒng)，所述地應(yīng)力方向測(cè)量系統(tǒng)為完全軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括:橡膠囊(I)、第I應(yīng)變線層、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡以及高壓注水鉆桿(3)；
[0010]所述橡膠囊(I)為軸對(duì)稱中空結(jié)構(gòu)，在所述橡膠囊(I)的橡膠本體內(nèi)部鋪設(shè)有第I應(yīng)變線層，所述第I應(yīng)變線層由多根第I種應(yīng)變線按預(yù)設(shè)規(guī)則排列，并且，每根所述第I種應(yīng)變線的兩端均伸入到所述橡膠囊(I)的腔體中；
[0011]在所述橡膠囊(I)的腔體內(nèi)部，固定安裝所述應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡，并且，所述應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡的輸入端與各根所述第I種應(yīng)變線的兩端連接；
[0012]另外，所述橡膠囊(I)配置有高壓注水口(4)，所述高壓注水口(4)的一端與所述橡膠囊(I)的腔體連通;所述高壓注水口(4)的另一端與置于所述橡膠囊(I)外部的高壓注水鉆桿(3)連通。
[0013]優(yōu)選的，所述橡膠囊(I)為圓形形狀或橢圓形形狀。
[0014]優(yōu)選的，所述第I種應(yīng)變線為經(jīng)線應(yīng)變線，所述第I應(yīng)變線層為經(jīng)線應(yīng)變線層，SP:各根所述第I種應(yīng)變線按地球經(jīng)線的排列方式，鋪設(shè)于所述橡膠囊(I)的橡膠本體內(nèi)部。
[0015]優(yōu)選的，還包括:瑋線應(yīng)變線層，所述瑋線應(yīng)變線層置于所述經(jīng)線應(yīng)變線層的內(nèi)部或外部，并且，所述瑋線應(yīng)變線層同樣鋪設(shè)于所述橡膠囊(I)的橡膠本體內(nèi)部;所述瑋線應(yīng)變線層由多根瑋線應(yīng)變線按地球瑋線的排列方式排列。
[0016]優(yōu)選的，每根所述經(jīng)線應(yīng)變線均為圓形或半圓形;每根所述瑋線應(yīng)變線均為圓形或半圓形；
[0017]所述應(yīng)變線的本質(zhì)是用于測(cè)量應(yīng)變的元件，作用是將機(jī)械構(gòu)件應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，最終可根據(jù)電阻變化數(shù)據(jù)計(jì)算得到應(yīng)變量。
[0018]優(yōu)選的，還包括:密封金屬圓柱體(5)和固定支架(6);
[0019]所述應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡置于所述密封金屬圓柱體(5)的腔體中，所述密封金屬圓柱體(5)通過(guò)所述固定支架(6)固定安裝于所述橡膠囊(I)的腔體中。
[0020]優(yōu)選的，所述固定支架(6)固定于所述橡膠囊(I)的對(duì)稱軸位置，所述密封金屬圓柱體(5)設(shè)置于所述橡膠囊(I)的軸心位置。
[0021]優(yōu)選的，在所述橡膠囊(I)的底部可拆卸密封安裝有密封堵頭(7)。
[0022 ]本發(fā)明還提供一種基于經(jīng)瑋應(yīng)變線的地應(yīng)力方向測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0023]步驟I，當(dāng)橡膠囊(I)的橡膠本體內(nèi)部?jī)H鋪設(shè)經(jīng)線應(yīng)變線層、未鋪設(shè)瑋線應(yīng)變線層時(shí)，操縱高壓注水鉆桿(3)，將已安裝應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡的橡膠囊(I)下放到鉆孔被測(cè)量位置；
[0024]步驟2，地面采用高壓水栗，通過(guò)高壓注水鉆桿(3)向橡膠囊(I)的空腔中注入高壓水;隨著高壓水的不斷注入，橡膠囊(I)不斷膨脹，膨脹的橡膠囊擠壓鉆孔孔壁，使鉆孔孔壁產(chǎn)生變形；
[0025]而在橡膠囊(I)膨脹和擠壓鉆孔孔壁的過(guò)程中，鋪設(shè)在橡膠囊(I)本體內(nèi)部的各根經(jīng)線應(yīng)變線產(chǎn)生應(yīng)變;因此，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)時(shí)采集到各根經(jīng)線應(yīng)變線的應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0026]步驟3，在測(cè)試結(jié)束后，地面關(guān)閉高壓水栗，使橡膠囊(I)中的壓力降低至正常值，并將橡膠囊(I)取出至地面；
[0027]步驟4，分析應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集到的各根經(jīng)線應(yīng)變線的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到發(fā)生最大應(yīng)變的經(jīng)線應(yīng)變線和發(fā)生最小應(yīng)變的經(jīng)線應(yīng)變線；則:發(fā)生最大應(yīng)變的經(jīng)線應(yīng)變線的方向，即是垂直于鉆孔軸線平面上的孔壁巖石最大應(yīng)變的方向，即:鉆孔位置巖石中垂直于鉆孔軸線平面上的最小主應(yīng)力方向；而發(fā)生最小應(yīng)變的經(jīng)線應(yīng)變線的方向，即是垂直于鉆孔軸線平面上的孔壁巖石最小應(yīng)變的方向，即:鉆孔位置巖石中垂直于鉆孔軸線平面上的最大主應(yīng)力方向。
[0028]優(yōu)選的，當(dāng)橡膠囊(I)的橡膠本體內(nèi)部同時(shí)鋪設(shè)經(jīng)線應(yīng)變線層和瑋線應(yīng)變線層時(shí)，在進(jìn)行地應(yīng)力方向測(cè)量時(shí)，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)時(shí)采集到各根經(jīng)線應(yīng)變線的應(yīng)變數(shù)據(jù)以及各根瑋線應(yīng)變線的應(yīng)變數(shù)據(jù)；
[0029]然后，當(dāng)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，還能夠分析得到發(fā)生最大應(yīng)變的瑋線應(yīng)變線，則:發(fā)生最大應(yīng)變的經(jīng)線應(yīng)變線和發(fā)生最大應(yīng)變的瑋線應(yīng)變線的交叉位置，即為鉆孔孔壁最大應(yīng)變位置點(diǎn)。
[0030]本發(fā)明提供的基于經(jīng)瑋應(yīng)變線的地應(yīng)力方向測(cè)量系統(tǒng)及方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0031](I)通過(guò)對(duì)經(jīng)瑋應(yīng)變線的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可快速準(zhǔn)確的得到地應(yīng)力方向，具有地應(yīng)力方向測(cè)量精度高以及