采用傳感柱的軟巖多測點地應力測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用傳感柱的適用于深部軟巖多測點的地應力測試方法。本發(fā)明使用一個傳感柱固定一對三向壓力傳感器的相對位置，一個測點對應一個傳感柱。在推送過程中不會出現(xiàn)這兩個三向壓力傳感器之間的相對位移，由于應力傳感柱的直徑只是略小于鉆孔，只要少量的注漿就可以使軟巖體的應力傳遞到傳感器上。本方法的每個傳感器的深度位置和旋轉(zhuǎn)角度可以準確獲得，通過鉆孔分段力學模型數(shù)值計算得到測試點地應力值，進一步反演得到區(qū)域地應力場。該方法可以監(jiān)測圍巖內(nèi)部多測點的應力演化過程，有利于煤礦等深部軟巖地應力和圍巖穩(wěn)定性研究。
【專利說明】采用傳感柱的軟巖多測點地應力測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種采用傳感柱的適用于深部軟巖多測點的地應力測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著開采深度的增加，煤礦巷道的安全施工越來越離不開對巷道圍巖地應力的有效監(jiān)測。在煤礦深部破碎軟弱的圍巖中，采用目前常用測試方法進行地應力的有效測試是非常困難的。以硬巖中廣泛采用的水壓致裂法為例，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。另一種硬巖中常用測試方法為應力解除法。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參數(shù)，因此應力解除法難以實施。中國科學院武漢巖土力學研究所提出了一種“基于流變應力恢復原理的深部軟巖地應力測試方法和裝置”(專利號201210096644.6 )，利用深部軟巖在高地應力下流變的特性，實現(xiàn)軟巖地應力的實時和長期監(jiān)測。
[0003]一般深部大斷面巷道的穩(wěn)定性評價需要沿著較深鉆孔(如30?50米)進行地應力測量。在實際工程應用中，要了解地應力場的空間分布和時間演化規(guī)律，就必須進行多測試點、長期實時的圍巖地應力監(jiān)測。采用專利201210096644.6方法進行多測試點地應力監(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。由于基于流變應力恢復原理的深部軟巖地應力測試方法需要在鉆孔內(nèi)進行全孔注漿，以完成周圍巖石應力各向分量的傳遞，尤其是鉆孔軸線方向的應力的傳遞。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)，它們之間可能形成遮擋，無法實現(xiàn)全孔段的完全注漿。

【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傳感柱的軟巖多測點地應力測試方法。通過該方法，使得多組壓力傳感器可以相對固定且可測量地安放至鉆孔中多個測試點，實現(xiàn)圍巖體局部應力場的的計算和測量。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種采用傳感柱的軟巖多測點地應力測試方法，包括以下步驟:
[0007](I)在軟巖巷道圍巖體內(nèi)鉆孔，鉆孔包含多個測點；
[0008](2)根據(jù)測點數(shù)量，制作相同數(shù)量的應力傳感柱，所述傳感柱為含有一對立方體形狀三向壓力盒的混凝土圓柱體，兩個三向壓力盒任意兩個工作面法線不重合，相鄰地放置在圓柱狀混凝土中，且立方體中心均在圓柱狀混凝土中軸線上；傳感柱底面中心處設(shè)置一凹槽，內(nèi)裝有連接橫桿；應力傳感柱側(cè)面有平行軸線的凹槽為線孔，用于放置三向壓力盒的數(shù)據(jù)線；
[0009]準備推桿，推桿由多節(jié)短桿通過螺紋連接形成，靠近應力傳感柱的短桿前端有與連接橫桿嵌套連接的連接卡槽，并且該短桿上裝有測量旋轉(zhuǎn)角度的測角裝置；
[0010](3)將一個應力傳感柱放入鉆孔，推桿前端的連接卡槽與應力傳感柱的連接橫桿嵌套，在孔口處記錄推桿初始角度；然后按照設(shè)計深度推送至測試點處，數(shù)據(jù)線引出孔口外；記錄傳感柱在孔內(nèi)深度位置；
[0011](4)插入注漿桿在應力傳感柱與鉆孔壁之間進行注漿，或者采用擠壓機構(gòu)在應力傳感柱與鉆孔壁之間填充粘結(jié)劑，使得應力傳感柱與鉆孔壁相連接，然后記錄傳感柱推桿旋轉(zhuǎn)角度，并退出推桿和注漿桿；
[0012](5)重復步驟(3)~(4)，在其余每個測點安裝傳感柱，并記錄每個傳感柱在孔內(nèi)的深度位置和旋轉(zhuǎn)角度；
[0013](6)計算每個傳感柱中三向壓力盒的角度和位置，獲取每個三向壓力盒在局部坐標系下的坐標與傳感面方位；
[0014](7)圍巖流變恢復后，基于三向壓力盒的讀數(shù)，按照專利201210096644.6方法，求得每個傳感柱內(nèi)的應力分量σ " χ、? " y、σ " ζ、τ " xy、τ " yz、τ " ζχ ；
[0015](8)基于每個三向壓力盒在局部坐標系下的坐標與方位，和分段鉆孔力學模型，根據(jù)傳感柱內(nèi)應力分量σ " χ、σ " y、σ " ζ、τ " xy、τ " yz> τ " zx，傳感柱尺寸、材料楊氏模量E和泊松比u，以及三向壓力盒的幾何、材料參數(shù)，利用有限元數(shù)值模擬，以迭代收斂方式求取鉆孔次生應力ο ' χ、σ ' y、ο ' ζ、τ ' xy、τ ' yz、τ ' ζχ ；
[0016](9)根據(jù)多個測點計算得到的鉆孔后形成之次生應力ο ' χ、σ ' gamma、ο ' ζ、τ ' xy、飛1 yz、τ ' zx,反演未開挖巷道前的原巖應力場σχ、oy、σζ、τ xy、τ yz、τ ζχ。
[0017]安裝傳感柱過程中，除第一個傳感柱外，后推入的傳感柱均需將前面多個三向壓力盒的數(shù)據(jù)線納入傳感柱側(cè)面的線孔內(nèi)，平順地往孔內(nèi)推進。
[0018]作為一種優(yōu)選，使用水泥砂漿混凝土澆筑制作含有一對三向壓力盒的圓柱體，形成傳感柱,兩個壓力盒立方體中心均在圓柱體中軸線上，中心距離為立方體邊長的2~3倍，圓柱體長度為立方體邊長的5~6倍。
[0019]所述的測角裝置可以為測量與重力方向夾角的測角裝置。
[0020]本發(fā)明使用一個傳感柱固定一對三向壓力傳感器的相對位置，在推送過程中不會出現(xiàn)這兩個三向壓力傳感器之間的相對位移，由于應力傳感柱的直徑只是略小于鉆孔，只要少量的注漿就可以使軟巖體的應力傳遞到傳感器上，注漿凝固時間短，能更好地使軟巖巖體內(nèi)部壓應力的測量得以實現(xiàn)。對鉆孔實施分段的少量注漿，注漿材料采用水泥砂漿或者水泥漿。
[0021]如果采用含有多個傳感器組的傳感柱，在深孔推送過程中，可能會發(fā)生傳感柱整體的扭轉(zhuǎn)。而基于流變應力恢復原理的深部軟巖地應力測試方法在實施時，對兩個傳感器(三向壓力盒)的絕對位置和相對角度的測量精度要求很高，需要對多個壓力傳感器在鉆孔中的實際位置和角度進行精確地測量。
[0022]軟巖在鉆孔后，容易出現(xiàn)自崩塌現(xiàn)象，且孔壁較軟，容易在受到外力切削時崩塌。本發(fā)明提出使用應力傳感柱前端和側(cè)面沒有像鋼制傳感器棱角一樣較硬的尖銳突起，在推送過程中不易造成孔壁崩塌。
[0023]本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和有益效果:①適應流變應力恢復原理的深部軟巖地應力測試方法的多個應力傳感組可平順通過軟巖鉆孔到達多個測試點，進行監(jiān)測；②每個傳感器的深度位置和旋轉(zhuǎn)角度可以準確獲得，易于解算測試點地應力值；③傳感器組以傳感柱形式安裝，不需要全孔注漿，更易于鉆孔中實施，通過計算得到沿著鉆孔多個空間點的應力值，有利于局部應力場的反演和圍巖穩(wěn)定性分析。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為軟巖地應力測量中應力傳感柱的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0025]1-應力傳感柱，2-三向壓力盒，3-三向壓力盒。
[0026]圖2為應力傳感柱結(jié)構(gòu)截面示意圖。
[0027]1-應力傳感柱，4-數(shù)據(jù)線，5-線孔。
[0028]圖3為多點應力測試施工步驟示意圖。
[0029]1-應力傳感柱，4-數(shù)據(jù)線，6-應力傳感柱，7-推桿，8-注漿桿，9_鉆孔，12-測角儀。
[0030]圖4為傳感柱分段力學計算模型示意圖。
[0031]1-應力傳感柱,9-鉆孔。
[0032]圖5為推桿與傳感柱連接示意圖。
[0033]1-應力傳感柱，7-推桿，10-連接橫桿，11-連接卡槽。
[0034]圖6為分段傳感柱應力測試與區(qū)域地應力場反演結(jié)果。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0036]本發(fā)明公開了一種深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝和地應力計算方法，包括以下步驟:
[0037](I)在軟巖巷道圍巖體內(nèi)鉆孔，包含了多個測試點的位置。
[0038](2)制作含有一對三向壓力盒的水泥砂漿圓柱體，圓柱體直徑比測量鉆孔直徑小0.5?1cm，兩個立方體形狀的三向壓力傳感器相鄰地放置在圓柱狀水泥砂漿中，立方體中心均在水泥砂漿圓柱體中軸線上，形成傳感柱I (如圖1所示);應力傳感柱I側(cè)部外表有一條圓柱狀的線孔5，用于放置已經(jīng)安裝在鉆孔更深處傳感器使用的通過本應力傳感柱的數(shù)據(jù)線4。推桿7的前端(靠近應力傳感柱I)有與應力傳感柱I的連接卡槽11 (應力傳感柱I后端中軸線處有相應的連接橫桿10)，并且推桿7上裝有測量旋轉(zhuǎn)角度的測角儀12 ；
[0039](3)將應力傳感柱I放入鉆孔，推桿7前端的連接件10與應力傳感柱I的連接件相連，在孔口處記錄推桿7初始角度；除第一個應力傳感柱外，后推入的應力傳感柱均需將前面多個傳感器的數(shù)據(jù)線納入應力傳感柱I側(cè)部的線孔5內(nèi)，平順地往孔內(nèi)推進。
[0040](4)將應力傳感柱I沿鉆孔按照設(shè)計深度推送至測試點處，數(shù)據(jù)線4引出孔口外；推送完成后，根據(jù)孔內(nèi)推桿7根數(shù)和最后一根的出露長度，計算得到當前傳感柱體I在孔內(nèi)深度位置，記錄。
[0041](5)插入注漿桿8抵達應力傳感柱I處,在應力傳感柱I與鉆孔壁之間進行少量注漿，使得應力傳感柱I與鉆孔壁相連接。
[0042](6)記錄推桿7旋轉(zhuǎn)角度，并退出推桿7和注漿桿8。
[0043](7)根據(jù)設(shè)計需要，按照上述步驟進行下一個應力傳感柱的安裝和記錄，直至測試點傳感器組全部完成。
[0044](8)計算所有的應力傳感柱中傳感器角度和位置，獲取所有傳感器在局部坐標系下的坐標與方位。
[0045](9)圍巖流變恢復過程中，鉆孔逐漸收縮，施加壓力在應力傳感柱I上，基于傳感器組的讀數(shù)，根據(jù)單測點雙壓力盒應力方程求解法(參見“基于流變應力恢復原理的深部軟巖地應力測試方法和裝置”，專利號201210096644.6)，求得應力傳感柱內(nèi)的應力分量
0、σ " 、σ " 、τ " 、τ " 、τ " 0
χ 'y 'ζ 'xy 'yz 'ζχ υ
[0046](10)基于分段鉆孔力學模型，根據(jù)傳感柱內(nèi)應力分量σ " χ、σ " y、σ " ζ、τ " xy、τ" yz、T" ζχ，傳感柱尺寸、材料楊氏模量E和泊松比U，以及壓力盒的幾何、材料參數(shù)，利用有限元力學數(shù)值模擬，以迭代收斂方式求取鉆孔次生應力σ' χ、σ ' y、σ ' z、τ丨xy、飛'yz、T' zx。分段鉆孔力學模型沿鉆孔軸的二維截面如圖4所示，應力傳感注I兩端受力為0，軸向力Fz通過鉆孔壁與應力傳感柱I之間的注漿膠結(jié)傳遞到應力傳感柱I上；徑向力Fy直接壓縮或者拉張傳遞到應力傳感柱I上。
[0047](11)根據(jù)多個測點計算得到的鉆孔后形成之次生應力σ ' χ、σ ' y、σ ' z、τ ' xy、τ ' yz、τ ' zx，建立區(qū)域空間力學模型，反演未開挖巷道前的原巖應力場σ χ、σ y、
0Z、Txy、Tyz、T zx° [0048]實施例1
[0049]針對深度800~1000米的煤系地層軟巖，首先制作相應的應力傳感柱1，利用模具，使用C2.5標號水泥砂漿將兩個正方體形狀的三向壓力盒2和3包裹，形成水泥砂漿圓柱體，直徑約120mm，側(cè)部外表有數(shù)據(jù)線孔5。三向壓力傳感器2、3的中心均在應力傳感柱
1(圓柱狀水泥砂漿體)的中軸線上。應力傳感柱I引出三向壓力盒2和3導線的一端的中軸線處，在澆筑時形成一個圓柱狀凹槽，深度8cm，直徑與推桿7外徑相同。凹槽中沿圓柱直徑固定有一根不銹鋼制作的橫桿，成為與推桿7對應的連接件。應力傳感柱I加水養(yǎng)護至標準強度的50%，待用。
[0050]推桿7使用中空的不銹鋼管制作，前端管壁直徑兩端沿軸向切割有U字形的連接件10，長度5cm。推桿7距離前端20cm處安裝有根據(jù)重力測量角度的測角儀11，采用國科艦航的FEC-60型測角儀與推桿7同軸安裝。推桿7為多節(jié)短桿形式，每節(jié)長120cm，除連接應力傳感柱I的第一節(jié)外，每節(jié)兩端均為螺紋相互連接。
[0051]在煤礦800~1000米深部軟巖巷道應用時，巷道直徑大約4米，鉆孔深度30米，孔徑130mm，鉆孔后將第一個應力傳感柱I放入孔中，三向壓力盒2和3的數(shù)據(jù)線4朝后延伸出孔外，推桿7前端第一節(jié)通過連接件10與應力傳感柱I連接，使用測角儀11記錄推桿7初始旋轉(zhuǎn)角度Gcitj往孔中推送后，每一節(jié)推桿7均于鉆孔口處連接，推桿整體不斷加長，直至將應力傳感柱I推送到鉆孔底部測試點處，記錄推桿7最終旋轉(zhuǎn)角度Θ i，根據(jù)推桿7使用的數(shù)量和最后一根的出露長度，計算該應力傳感柱的深度L，以備計算使用。后面推入的應力傳感柱均需將前面多個傳感器的數(shù)據(jù)線4納入應力傳感柱I側(cè)部的線孔5內(nèi)，輕輕拉直，平順地往孔內(nèi)推進。每次推送一個應力傳感柱I到指定位置后，插入注漿桿8抵達應力傳感柱I后沿處，在應力傳感柱I與鉆孔壁之間進行注漿，采用水泥漿，只用少量即可使得應力傳感柱I與鉆孔壁緊密連接。
[0052]具體計算區(qū)域原巖地應力場時，需要分步驟進行:(1)以鉆孔孔口中心為原點，巷道軸線方向為X軸，切向為Y軸，鉆孔軸向為ζ軸，建立坐標系，將多個測點所有傳感器在應力傳感柱局部坐標系下的坐標與方位轉(zhuǎn)換到該坐標系下。其中，使用應力傳感柱I推送前后角度差(最終旋轉(zhuǎn)角度Θ 初始旋轉(zhuǎn)角度Θ 0)以及應力傳感柱I在孔中的深度L，得到應力傳感柱I的幾何姿態(tài)。(2)待鉆孔逐漸收縮施加壓力在應力傳感柱I后，基于傳感器組的讀數(shù)，根據(jù)單測點雙壓力盒應力方程求解法(參見“基于流變應力恢復原理的深部軟巖地應力測試方法和裝置”，專利號201210096644.6)，求得傳感柱內(nèi)應力分量σ " χ、σ " y、σ " z、τ " xy、τ " yz、τ " ζχ。(3)建立分段鉆孔力學模型:應力傳感注I兩端受力設(shè)為0，軸向位移與應力傳感柱I上軸向位移連續(xù)；徑向力在應力傳感柱I于孔壁界面上連續(xù)。利用有限元力學數(shù)值模擬，設(shè)定鉆孔次生應力σ' χ、σ ' y、σ ' z、τ ' xy、τ ' yz、τ ' ζχ的初始值，傳感柱尺寸、材料楊氏模量E和泊松比υ，以及壓力盒的幾何、材料參數(shù)等，計算傳感柱內(nèi)應力分量σ " χ、σ " y、σ " z、τ " xy、τ " yz、τ " zx，根據(jù)差值以最小二乘法等迭代方式不斷修正鉆孔次生應力ο ' χ、σ ' y、σ ' ζ、τ ' xy、τ ' yz、τ ' ζχ的值，直到收斂得解。(4)根據(jù)多個測點計算得到的鉆孔后形成之次生應力ο ' χ、σ ' ' ζ、τ ' xy、飛'yz、τ ' ζχ，建立有開挖巷道時的區(qū)域空間力學模型，設(shè)定原巖應力場σ χ、σ y、σ ζ、τ xy、τ?Ζ、τζχ初始值，使用類似步驟(3)中的迭代方法求得無開挖巷道時的原巖應力場σχ、oy、
σ Λ τ Λ τ Λ τ 0
ζ ' xy ' yz ' ζχ υ
[0053]應力的測量和反演是基于數(shù)值模擬完成的，建立分段鉆孔力學模型后進行力學場的數(shù)值模擬，可得到非均質(zhì)性很強的空間應力分布。如圖6上部所示，傳感柱兩端處有很強的應力集中。進一步反演后顯示，巷道開挖后，從巖體表面到內(nèi)部，Y方向(重力方向)應力呈減小趨勢，符合應力重分布的基本力學概念，如圖6下部所示(為顯示鉆孔位置保留測試孔邊界線)，數(shù)值大小為20~35MPa，此結(jié)果可作為巷道開挖和鄰近巷道來壓的應力監(jiān)測分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0054]由于巷道開挖后圍巖應力釋放，巷道壁附近的巖體內(nèi)部可能會出現(xiàn)巖石破碎的松動圈，加之原生的節(jié)理裂隙的存在，巖體中的應力場是不均勻的，結(jié)合鉆孔攝像或者聲波探測方法獲取圍巖中裂隙和破碎程度的空間分布信息，是建立合理的應力場初始力學模型的重要信息來源。本方法需要在鉆孔中推入應力傳感柱，其力學分段模型顯示人為導致的應力集中非常明顯，因此應力傳感柱的材料性質(zhì)、幾何參數(shù)以及空間位置在本方法實施時必須準確測量，盡量接近實際情況的模型構(gòu)建是上述地應力場反演計算過程穩(wěn)定準確的保證。
【權(quán)利要求】
1.一種采用傳感柱的軟巖多測點地應力測試方法，包括以下步驟: (1)在軟巖巷道圍巖體內(nèi)鉆孔，鉆孔包含多個測點； (2)根據(jù)測點數(shù)量，制作相同數(shù)量的應力傳感柱，所述傳感柱為含有一對立方體形狀三向壓力盒的混凝土圓柱體，兩個三向壓力盒任意兩個工作面法線不重合，相鄰地放置在圓柱狀混凝土中，且立方體中心均在圓柱狀混凝土中軸線上；傳感柱底面中心處設(shè)置一凹槽，內(nèi)裝有連接橫桿；應力傳感柱側(cè)面有平行軸線的凹槽為線孔，用于放置三向壓力盒的數(shù)據(jù)線.準備推桿，推桿由多節(jié)短桿通過螺紋連接形成，靠近應力傳感柱的短桿前端有與連接橫桿嵌套連接的連接卡槽，并且該短桿上裝有測量旋轉(zhuǎn)角度的測角裝置； (3)將一個應力傳感柱放入鉆孔，推桿前端的連接卡槽與應力傳感柱的連接橫桿嵌套，在孔口處記錄推桿初始角度；然后按照設(shè)計深度推送至測試點處，數(shù)據(jù)線引出孔口外；記錄傳感柱在孔內(nèi)深度位置； (4)插入注漿管在應力傳感柱與鉆孔壁之間進行注漿，或者采用擠壓機構(gòu)在應力傳感柱與鉆孔壁之間填充粘結(jié)劑，使得應力傳感柱與鉆孔壁相連接，然后記錄傳感柱推桿旋轉(zhuǎn)角度，并退出推桿和注漿桿； (5)重復步驟(3)?(4)，在其余每個測點安裝傳感柱，并記錄每個傳感柱在孔內(nèi)的深度位置和旋轉(zhuǎn)角度； (6)計算每個傳感柱中三向壓力盒的角度和位置，獲取每個三向壓力盒在局部坐標系下的坐標與方位； (7)圍巖流變恢復后，基于三向壓力盒的讀數(shù)，按照專利201210096644.6方法，求得每個傳感柱內(nèi)應力分量σ " χ、σ " y、σ " z、τ " xy、τ " yz、τ " ζχ ； (8)基于每個三向壓力盒在局部坐標系下的坐標與方位，和分段鉆孔力學模型，根據(jù)傳感柱內(nèi)應力分量σ " χ、σ " y、σ " z、τ " xy、τ " yz、τ " zx，傳感柱尺寸、材料楊氏模量E和泊松比u，以及三向壓力盒的幾何、材料參數(shù)，利用有限元數(shù)值模擬，以迭代收斂方式求取鉆孔次生應力 ο ' χ、σ ' y、ο ' ζ、τ ' xy、τ ' yz、τ ' ζχ ； (9)根據(jù)多個測點計算得到的鉆孔后形成之次生應力σ' χ、σ ' y、σ ' z、τ ' xy、飛'yz、τ ' zx,反演未開挖巷道前的原巖應力場σχ、oy、σζ、τ xy、τ yz、τ ζχ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地應力測量方法，其特征在于，使用混凝土澆筑制作含有一對三向壓力盒傳感柱；兩個壓力盒中心均在圓柱體中軸線上，中心距離為三向壓力盒邊長的2?3倍，傳感柱的高度為三向壓力盒邊長的5?6倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地應力測量方法，其特征在于，對鉆孔實施分段注漿，注漿材料采用水泥砂漿或者水泥漿。
【文檔編號】G01N33/24GK103513016SQ201310496898
【公開日】2014年1月15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】劉小燕, 劉泉聲, 張程遠, 蔣景東 申請人:武漢大學