深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法
【專利摘要】本發明公開了一種深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法。制作應力傳感柱，其為含有兩個三向壓力盒的水泥混凝土圓柱體，立方體壓力盒的中心在圓柱體中軸線上。推桿前端與應力傳感柱連接，并裝有測角裝置，在從孔口向孔底測試點推送過程中記錄應力傳感柱的旋轉角度和長度，可得到應力解算必要的準確數據。本發明方法的應力傳感柱前端和側面沒有銳利突起，在推送過程中不易造成孔壁崩塌，且應力傳感柱固定了一對三向壓力傳感器的相對位置，在推送過程中也不會出現這兩個三向壓力傳感器之間的相對位移與旋轉，有利于保證測試點地應力計算的準確性。
【專利說明】深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于巖土測量【技術領域】，具體地涉及一種深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法。
【背景技術】
[0002]煤礦巷道的安全建設離不開對圍巖地應力的有效監測。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，其本質上為二維應力測量方法，且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，不適用于煤礦深部節理裂隙發育的破碎軟弱巖體。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難以獲取，很難通過單軸壓縮實驗得到力學參數，因此應力解除法也難以實施。除了上述兩種間接的應力測試方法外，還有一些直接測量設備，例如中國專利(申請號03212896 )公開的一種電阻應變壓軸式土壓力盒和中國專利(申請號201120082368.9)公開的一種沖氣式雙膜防水壓力盒。這些觀測裝置和方法僅僅可以測量單方向的壓力，主要是應用在土體中的壓力測量，均不能有效測試巖體中某一測點的地應力。
[0003]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”(申請號201210096644.6)，利用深部軟巖在高地應力下流變的特性，實現軟巖地應力的實時和長期監測。應用該方法進行工程實踐時，由于軟巖具有與在硬巖中測試不同的一些特點，比如，由于圍巖大多為砂巖、泥巖和碎屑灰巖等較軟的巖石，在往水平鉆孔深部推送傳感器(三向壓力盒)時，立方體形狀的金屬外殼很容易造成對孔壁的破壞，嚴重時會影響傳感器的推送。另一方面，由于推送的距離較長(有時可達上百米)，推送過程中可能會因為掉塊擠壓、推桿的剛度不夠等原因導致傳感器發生扭轉。從計算的角度來看，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，因此需要對壓力盒在鉆孔中的實際位置進行精確地定位。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題在于提供一種深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法。通過該方法，使得成對的三向壓力傳感器可以相對固定且可測量地安放至鉆孔測點，實現圍巖內部應力值的測量和計算。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法，包括以下步驟:
(I)制作含有一對三向壓力盒的水泥混凝土圓柱體，兩個立方體形狀的三向壓力傳感器相鄰地放置在圓柱狀混凝土中，立方體中心均在圓柱狀混凝土中軸線上，兩個三向壓力盒任意兩個工作面法線不重合，形成傳感柱；傳感柱底面中軸線處設置一凹槽，內裝有連接橫桿； 準備推桿，推桿由多節短桿通過螺紋連接形成，靠近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角度的測角裝置；
(2)在軟巖巷道圍巖中鉆孔，孔底為測試點位置；
(3)將傳感柱放入鉆孔，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；
(4)將傳感柱沿鉆孔推送至鉆孔底部，導線引出孔口外；推送完成后，記錄推桿旋轉角度和推桿長度；
(5)拔出推桿，將注漿管送至傳感柱處，使用注漿管從孔底開始注漿，直至完全封孔。
[0006]作為一種優選，所述兩個三向壓力盒相鄰地放置在圓柱體中軸線上時，米用相向安裝的方式，即兩個立方體對角線垂直圓柱體中軸線，從頂部看，兩個傳感器的三條棱線依次相差60度。
[0007]兩個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，圓柱體高度為立方體邊長的5飛倍。
[0008]所述推桿為多節短桿、螺紋連接形成。在推送過程中于鉆孔口處安裝連接，推桿整體不斷加長，直至將應力傳感柱推送到鉆孔底部，以適應煤礦巷道小空間的安裝。
[0009]軟巖在鉆孔后，容易出現自崩塌現象，且孔壁較軟，容易在受到外力切削時崩塌。本發明提出的傳感柱前端和側面沒有尖銳突起，在推送過程中不易造成孔壁崩塌，且傳感柱固定了一對三向壓力盒的相對位置，在推送過程中也不會出現這兩個三向壓力盒之間的相對位移，有利于測點地應力的計算。由于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部壓應力的測量得以實現。注漿材料可以采用與應力傳感柱相同的水泥混凝土砂漿。
[0010]本發明實質上還提供了一種深部軟巖地應力測試裝置的推送裝置，包括推桿，所述推桿由多節短桿通過螺紋連接形成，靠近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角度的測角裝置。
[0011]所述的測角裝置可以為測量與重力方向夾角的測角裝置。
[0012]本發明具有以下的優點和有益效果:①傳感柱可平順通過軟巖鉆孔到達測試點，易于現場施工；②傳感器組預先固化，可以控制且不易變化。③傳感器的深度位置和旋轉角度可以準確獲得，易于解算測試點地應力值，有利于地應力的計算和圍巖穩定性分析。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為軟巖地應力測量中應力傳感柱的結構示意圖，
1-傳感柱，2-三向壓力盒，3-三向壓力盒。
[0014]圖2為應力傳感柱與推送裝置結構示意圖。
[0015]1-傳感柱，4-連接橫桿，5-連接卡槽，6-測角裝置，7-推桿，8_導線。
[0016]圖3為短桿的連接卡槽和連接橫桿局部示意圖。
[0017]1-傳感柱,4-連接橫桿,5-連接卡槽,7-推桿。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。[0019]本發明公開了一種深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法，包括以下步驟: (O制作含有一對三向壓力盒的水泥混凝土圓柱體1，圓柱體直徑比測量鉆孔直徑小
0.5~lcm，兩個立方體形狀的三向壓力傳感器2，3相鄰地放置在圓柱狀混凝土中，立方體中心均在圓柱狀混凝土中軸線上，兩個三向壓力盒任意兩個工作面法線不重合，形成傳感柱(如圖1所示)；傳感柱后端中軸線處設置一凹槽，內裝有連接橫桿4 ;推桿7由多節短桿通過螺紋連接形成，靠近傳感柱的短桿前端有與連接橫桿嵌套連接的連接卡槽5，并且該短桿上裝有測量旋轉角度的測角裝置6 (如圖2所示)；
(2)在軟巖巷道圍巖中鉆孔，孔底為測試點位置；
(3)將傳感柱放入鉆孔，推桿7前端的連接卡槽5與傳感柱的連接橫桿4嵌套(如圖3所示)，在孔口處記錄推桿初始旋轉角度；
(4)將傳感柱I沿鉆孔推送至鉆孔底部，導線8引出孔口外；推送完成后，記錄推桿旋轉角度和推桿長度；
(5)拔出推桿，將注漿管送至應力傳感柱處，使用注漿管從孔底開始注漿，直至完全封孔。
[0020]實施例1
首先制作傳感柱I。針對800-1000米深部煤系地層軟巖，使用C5標號混凝土砂漿(水泥與細砂配制)將兩個正方體的三向壓力盒2和3包裹，形成混凝土圓柱體，直徑125mm。兩個正方體形狀的三向壓力傳感器的中心均在圓柱狀混凝土體的中軸線上。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，為5cm。凹槽中沿圓柱直徑固定有一根不銹鋼制作的連接橫桿4。傳感柱I加水養護至標準強度的30-60%，待用。
[0021]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字形的連接卡槽5，長度5cm。推桿7距離前端20cm處安裝有根據重力測量角度的測角裝置6，采用國科艦航的FEC-60型測角儀與推桿7同軸安裝。推桿7為多節短桿形式，每節長150cm，除連接應力傳感柱的第一節外，每節兩端均為螺紋相互連接。
[0022]在煤礦800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,掃孔后將應力傳感柱I放入孔中，三向壓力盒2和3的導線8朝后延伸出孔外，推桿7前端第一節通過連接卡槽5與應力傳感柱I連接橫桿4連接，使用測角裝置6記錄推桿7
初始旋轉角度蠔。往孔中推送后，每一節推桿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最終旋轉角度碑，以及推桿7的實際使用長度L，以備計算使用。拔出推桿7，將注漿管送至應力傳感柱I處，封閉孔口，從孔底開始注漿，采用的是現場攪拌的C5標號水泥細砂漿。注漿同時注漿管向孔口緩慢抽出，直至注漿完成，完全封孔。待初凝后即可通過導線監測。
[0023]具體計算地應力時，以鉆孔孔口中心為原點，巷道軸線方向為X軸，孔口所在巷道圓周切向為Y軸，鉆孔軸向為Z軸建立坐標系，使用應力傳感柱I推送前后角度差(最終旋
轉角度巧-防始旋轉角度洱)以及應力傳感柱I在孔中的深度L，得到傳感柱I的幾何姿
態，供孔低畢個測點的地應力解算。
【權利要求】
1.一種深部軟巖地應力測試裝置的定位安裝方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)制作含有一對三向壓力盒的水泥混凝土圓柱體，兩個立方體形狀的三向壓力傳感器相鄰地放置在圓柱狀混凝土中，立方體中心均在圓柱狀混凝土中軸線上，兩個三向壓力盒任意兩個工作面法線不重合，形成傳感柱；傳感柱底面中軸線處設置一凹槽，內裝有連接橫桿； 準備推桿，推桿由多節短桿通過螺紋連接形成，靠近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角度的測角裝置； (2)在軟巖巷道圍巖中鉆孔，孔底為測試點位置； (3)將傳感柱放入鉆孔，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； (4)將傳感柱沿鉆孔推送至鉆孔底部，導線引出孔口外；推送完成后，記錄推桿旋轉角度和推桿長度； (5)拔出推桿，將注漿管送至傳感柱處，使用注漿管從孔底開始注漿，直至完全封孔。
2.根據權利要求1所述的定位安裝方法，其特征在于，所述兩個三向壓力盒的兩個立方體對角線垂直圓柱體中軸線，從頂部看，兩個傳感器的三條棱線依次相差60度。
3.根據權利要求1所述的定位安裝方法，其特征在于，兩個立方體中心距離為立方體邊長的2?3倍，圓柱體高度為立方體邊長的5飛倍。
4.根據權利要求1所述的定位安裝方法，其特征在于，步驟(5)中注漿材料采用與制作應力傳感柱相同的水泥混凝土砂漿。
5.一種深部軟巖地應力測試裝置的推送裝置，包括推桿(7)，所述推桿(7)由多節短桿通過螺紋連接形成，靠近傳感柱的短桿前端有與連接橫桿(4)嵌套連接的連接卡槽(5)，并且該短桿上裝有測量旋轉角度的測角裝置(6)。
【文檔編號】E21B49/00GK103510951SQ201310494656
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】張程遠, 劉泉聲, 朱元廣, 陳怡筠, 崔先澤, 劉小燕 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所