矿井下岩层地应力快速测量装备及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及矿井研究领域，尤其设及一种矿井下岩层地应力快速测量装备及方 法。
【背景技术】
[0002] 地应力是存在于地层中的天然应力，它是引起地下工程变形和破坏的根本作用 力。
[0003] 对采矿工程而言，矿井下工作面、巷道及砸室的布局、开挖、支护等，分析巷道开挖 及工作面开采后的围岩应力变化等必须依据原位地应力的分布情况。一些常见的巷道围岩 变形严重等问题归根结底都是原始地应力分布情况不清楚，盲目设计导致后续开采时面临 一系列的矿山压力问题。
[0004] 因此，准确快速的进行原位地应力的测量是急需解决的技术难题。水力致裂法是 目前应用最为广泛的一种测量地应力的方法;众所周知，水力致裂法又称水压致裂法。一种 绝对地应力测量方法。测量时首先取一段基岩裸露的钻孔，用封隔器将上下两端密封起来； 然后注入液体，加压直到孔壁破裂，并记录压力随时间的变化，并用印模器或井下电视观测 破裂方位。根据记录的破裂压力、关累压力和破裂方位，利用相应的公式算出原地主应力的 大小和方向。但是，传统的水力致裂方法的主要问题是密封效果不好，从而影响测量结果的 准确性，不利于煤矿的安全生产。同时传统的水力致裂所用的高压累系统，质量重且移动困 难，并且用于观测水压裂缝方位的印模器技术工序繁杂。
[0005] 综上，如何实现矿井下煤系岩层地应力的快速、简易及可靠的测量是实现矿安全 高效开采急需解决的技术难题。
[0006] 但是，目前没有一套完整、便携的能快速测量矿井下煤系岩层地应力方法与装备。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种矿井下岩层地应力快速测量装备及方法，W解决上述 问题。基于此，研制了一套便携式矿井下岩层地应力快速测量的方法与装备，并开发有配套 的监控软件及数据分析系统。水力致裂测量地应力的装备，安装及操作方便，开发的配套监 测设备，能根据水力致裂水压力曲线快速判读出地应力的大小；同时提出了一种新的地应 力方位观测方法，并研制出了相应的设备，能方便快捷的观测水压裂缝的方位，从而快速判 断出地应力的方向。
[000引为了达到上述目的，本发明的技术方案是运样实现的：
[0009] 本发明还提供了一种矿井下岩层地应力快速测量装备，包括水力致裂测量地应力 的装备；
[0010] 所述水力致裂测量地应力的装备具体包括钻孔1、外高压膨胀胶囊2、内高压膨胀 胶囊3、滑动装置4、外高压膨胀胶囊进水口5、内高压膨胀胶囊进水口6、中间连接钢管7、致 裂管出水孔8、过压保护装置9、液压快速接头10、外金属管11、内金属管12、封孔管路13、致 裂管路14、压力传感器15、流量传感器16、压力表17、封孔管路泄压阀18、致裂管路泄压阀 19、第一电控高压累输出通道20、第二电控高压累输出通道21、手压累输出通道22、截止阀 23、水力致裂测控仪24、手压累25、电控高压累26、工具箱27、高压累控制线路28、高压累控 制柜29;
[0011] 其中，上述各个零件结构之间的连接方式、位置关系W及结构布局如下：
[0012] 所述电控高压累26具有两个独立的输出通道，即第一电控高压累输出通道20与第 二电控高压累输出通道21，所述电控高压累26还与所述高压累控制柜29电连接；
[0013] 所述第一电控高压累输出通道20连通封孔管路13,所述封孔管路13的前端设置有 压力表17和封孔管路泄压阀18;
[0014] 所述压力表17用于观测封孔管路的压力，判断封隔器的起封压力，同时观测封孔 管路13的压力变化;所述封孔管路泄压阀18用于在施工结束后卸除封孔管路中的压力，使 封隔器解封；
[0015] 所述手压累25的手压累输出通道22通过=通与封孔管路13连通，当封孔管路出现 异常，压力表17的压力出现下降时用于对封孔管路进行补压，防止施工过程中封隔器漏水， 发生冲孔，确保施工的顺利进行;所述手压累输出通道22设置有截止阀23;
[0016] 所述封孔管路13用于通过外高压管路连接到封隔器两端的膨胀胶囊，用于实施封 孔；
[0017] 所述第二电控高压累输出通道21的输出端连通致裂管路14;
[0018] 所述致裂管路14的前端上还设置有所述压力传感器15、流量传感器16及致裂管路 泄压阀19;所述致裂管路14连接内高压管路，用于实施致裂岩层;所述压力传感器15W及流 量传感器16分别与所述水力致裂测控仪24电连接;所述水力致裂测控仪24还通过所述高压 累控制线路28与所述高压累控制柜29电连接；
[0019] 所述压力传感器15监测致裂过程中管路中的压力信息，并将所述压力信息发送给 水力致裂测控仪24;所述流量传感器16监测致裂过程中的管路中的流量信息，并将所述流 量信息发送给水力致裂测控仪24;所述水力致裂测控仪24用于接收所述压力传感器15的压 力信息W及所述流量传感器16的流量信息，实时显示致裂过程中管路中的压力曲线及流量 曲线，并记录存储致裂过程中管路中的压力信息和流量信息，然后通过SD卡将记录的数据 传输给电脑，W便对监测数据进行二次处理;所述致裂管路泄压阀19用于在施工结束后卸 除致裂管路中的压力，W便于施工人员安全拆除管路。
[0020] 优选的，作为一种可实施方案;所述水力致裂测控仪24包括嵌入的地应力测量模 块；
[0021] 所述地应力测量模块，用于压力信息W及流量信息，得到水压力曲线，并根据所述 水压力曲线能分析计算得出水力致裂过程中的岩石破裂压力、重张压力W及闭合压力;还 用于结合所述岩石破裂压力与所述重张压力进一步计算得出地应力的数值。
[0022] 优选的，作为一种可实施方案；所述手压累25的排量为20ml/次，最高压力为 60MPa，所述电控高压累26的排量为化/min，最高压力为60MPa;
[0023] 所述手压累25的阀块安装在电控高压累26的液箱上，所述电控高压累26液箱上盖 板上开有小孔，且手压累25的液管通过该小孔放入电控高压累26的液箱中，两者共用一个 液箱，集成为一整体；
[0024] 所述电控高压累的液箱旁边设置有工具箱27,所述电控高压累26设置有底座及拉 杆，且底座设置有四个轮子，前面两个轮子为万向轮，后边两个轮子为固定向轮。
[0025] 优选的，作为一种可实施方案;所述封隔器由=部分组成，具体包括前膨胀胶管封 孔器、中间连接钢管7和后膨胀胶管封孔器；
[0026] 所述前膨胀胶管封孔器包括内高压膨胀胶囊3、内高压膨胀胶囊进水口 6;
[0027] 所述后膨胀胶管封孔器包括外高压膨胀胶囊2、外高压膨胀胶囊进水口 5;
[0028] 所述滑动装置4设置在所述后膨胀胶管封孔器的前部；
[0029] 其中，所述前膨胀胶管封孔器的前端设有过压保护装置9;所述过压保护装置9具 体为一单向阀;所述单向阀用于通过螺栓预紧力调节封孔器的上限压力并防止压力出现异 常将封孔器爆裂;所述前膨胀胶管封孔器通过中间连接钢管7与后膨胀胶管封孔器连接，用 于通过高压水使前膨胀胶管封孔器膨胀;所述后膨胀胶管封孔器内设有伸出其两端的外金 属管11，所述外金属管11的里端与所述中间连接钢管7通过螺纹连接，所述外金属管11的外 端与所述封孔管路13连接；
[0030] 所述外金属管11内部还设置有所述内金属管12,所述内金属管12的里端用于连通 致裂段岩层，所述内金属管12的外端与所述致裂管路14连接。
[0031] 相应地，本发明提供了一种矿井下岩层地应力快速测量方法，采用上述的矿井下 岩层地应力快速测量装备，具体包括如下步骤：
[0032] 步骤一:打钻孔到准备测量地应力的部位，将封隔器放入到钻孔中待加压段；
[0033] 步骤二:连接矿井下岩层地应力快速测量装备，在施工开始时，第二电控高压累输 出通道21处于关闭状态，第一电控高压累输出通道20处于打开状态，通过电控高压累26给 封孔管路13提供压力水，使封隔器膨胀封孔;随后关闭第一电控高压累输出通道20,打开第 二电控高压累输出通道21，通过电控高压累26给致裂管路14提供压力水，开始进行致裂岩 层；即向钻孔隔离段注水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力Pb;然后继 续加压W扩展裂隙，当裂隙扩展至少3倍直径长度时，停止注水，获得瞬时关闭压力Ps,最后 卸压，使裂隙闭合;在整个加压过程中，水力致裂测控仪24用于接收压力传感器15的压力信 息W及流量传感器16的流量信息，并记录存储致裂过程中管路中的压力信息和流量信息； 同时根据压力信息W及流量信息获得记录压力一时间曲线图和流量一时间图，同时从压 力一时间曲线图确定Pb、Ps值，从流量一时间曲线图确定判断裂隙扩展长度；
[0034] 步骤重新向封隔器注水，使裂隙重新打开并记录下裂隙重新打开时的压力Pr 及随后的恒定关闭压力Ps;记录数据，同样Pr和Ps由压力一时间曲线和流量一时间曲线确 定；
[0035] 步骤四：根据水压力曲线能分析计算得出水力致裂过程中的岩石破裂压力、重张 压力W及闭合压力;结合岩石破裂压力与重张压力进一步计算得出地应力的数值；
[0036] 步骤五:完全卸压，将加压管及封隔器等全部设备从钻孔中取出；
[0037] 步骤六:将装有环形透明软管和刻度盘的彩色钻孔窥视仪伸入孔内，观察孔内致 裂段附近孔壁岩层的水压裂缝分布情况，判断裂缝方向与重力方向的夹角，从而确定出裂 缝的方位。
[0038] 在步骤四中，有关破裂压力的判读：
[0039] 破裂压力的选取W压力曲线上第一回次的峰值压力为准。
[0040] 在步骤四中，有关关闭压力的判读：
[0041] 在确