一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置及方法

本发明涉及地应力测量，尤其是涉及一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置及方法。

背景技术：

1、岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素。人类工程活动之前存在于岩体中的应力，成为天然应力或地应力，是地球重要的物理属性参数之一。地应力是引起岩体变形、失稳和破坏的根源力量，也是影响石油、页岩气、干热岩等深部能源开采的重要参数。因此开展地应力的测量工作在能源开采、地下建筑建设、地震机理研究等方面具有重要的科学和实用意义。

2、目前测量多采用水压致裂法，也是国际岩石力学学会颁布的测定岩体应力的主要测量方法。其原理是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔岩体，然后泵入液体对该段钻孔施压，直至岩体产生破裂，根据压裂过程曲线的压力值以及裂缝方向，确定地应力量值、方向及其沿深度的变化规律。但是水压致裂法不仅对于设备的要求较高，测量成本相对偏高，而且对测试环境的要求也较高，要求钻孔岩体完整。并且水压致裂法只能在某一测试段内进行测量即测量某一深度的地应力值，若想在同一钻孔测量不同深度测试段的地应力数值则需移动封隔器到不同测试段进行注水加压测试，获取同一钻孔不同深度地应力数据耗时费力，而且增大了实际测量的操作难度。

技术实现思路

1、为解决以上技术问题，本发明提供一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置及方法，此装置能够在深部测量地应力时一次性测出同一钻孔不同深度的地应力数值；而且本发明创新性的采取岩石膨胀剂作为动力源，而非外部大型加压设备，有效节约测量成本，降低了测量规模，提升了地应力的测量效率，可以节省大量测量成本和时间。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置，它包括中心连接杆，中心连接杆上依次串联有多个相同结构的单元测试筒；单元测试筒通过信号线与压力采集盒相连，压力采集盒通过传输线与外接电脑相连。

3、所述单元测试筒包括固定在中心连接杆上的下螺母，下螺母上支撑有下封隔器，下封隔器的顶部支撑有橡胶套筒，橡胶套筒的顶部支撑有上封隔器，上封隔器的顶部设置有垫片，垫片的顶部设置有上螺母，橡胶套筒的内壁上设置有压力片，压力片上连接信号线。

4、所述下封隔器和上封隔器的中心部位预留与用于穿过中心连接杆的孔道，且下封隔器和上封隔器采用同心布置。

5、中心连接杆上安装的单个单元测试筒的数量根据具体所需要测量的深度来确定。

6、测试时，每个所述单元测试筒分隔一定间距的，进而保证一次在一个钻孔中同时得到多个不同测试段的数据，每个单元测试筒相互间隔适当距离，保证其对外部岩体加压过程不相互影响。

7、在测试时，还包括设置在橡胶套筒内部的膨胀剂。

8、采用一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置进行地应力测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

9、步骤一，单元测试筒的组装：

10、根据所需要测量的钻孔深度，组装相应数量的单元测试筒，具体组装过程中，通过中心连接杆从下至上依次串联起下螺母、下封隔器、橡胶套筒、上封隔器、垫片和上螺母，并在橡胶套筒内部布置压力片，将压力片通过信号线引出；

11、步骤二，测试前膨胀剂的填充准备环节：

12、松开上螺母，将上封隔器从单元测试筒顶部拆卸，在下封隔器、橡胶套筒内壁四周、中心连接杆外侧四周以及上封隔器下端涂抹适量的脱模剂；将膨胀剂与一定掺量的水拌合后的混合物加入橡胶套筒内，并填充满整个单元测试筒；填充完毕后，装入上封隔器，将串联在中心连接杆上的垫片置于上封隔器上端，防止漏浆；将上螺母安装在垫片上端，拧紧以固定防止上封隔器在膨胀力的作用下向外膨胀，脱离橡胶套筒；

13、步骤三，整个测试装置的整体安装：

14、移动安装好单元测试筒之后的中心连接杆，进而将整个中心连接杆以及单元测试筒置于钻孔内进行测量；

15、步骤四，地应力的测量：

16、测量过程中，每个单元测试筒的上封隔器、下封隔器与橡胶套筒形成一个封闭筒状隔离体，其内部膨胀剂与水发生化学反应产生膨胀力作用于橡胶套筒外侧周围岩体；

17、相应掺量的膨胀剂与水混合后产生的膨胀力可使外部岩石开裂，橡胶套筒内部四周布设的压力片实时记录膨胀力的数值，并通过信号线将数据反馈至外接电脑进行测定；

18、步骤五，测试装置的回收：

19、测试完毕后，操作中心连接杆将测量装置从钻孔中移出，解除上螺母，卸下垫片，取下上封隔器，向外抽取中心连接杆，中心连接杆将反应后的固体物质一起带出橡胶套筒，再将反应后的物料进行回收和处理。

20、本发明有如下有益效果：

21、1、本发明创新性的采取岩石膨胀剂作为动力源，而非外部大型加压设备，有效节约测量成本，降低了测量规模，提升了地应力的测量效率，可以节省大量测量成本和时间。

22、2、本发明布设了多个相互间隔的单元测试筒，可在同一钻孔中一次性测量出不同测试段的地应力数值而非反复移动测试装置，大大提高了测量效率，节约了测量时间。

23、3、本发明中心连接杆将上封隔器、垫片、螺母、下封隔器依次串联，这样连接多个单元测试筒。其目的在于：方便拆卸上封隔器进行装料，也易于安装垫片和螺母对上封隔器进行固定。中心连接杆穿过上封隔器露在套筒外部的把端可以方便操作握持，将其移动到支撑内部。上下两颗螺母可将每个单元测试筒固定，同时调节螺母可移动每个单元测试筒，易于改变测试筒的位置以及两个测试筒之间的距离，使其适用于更广泛的应用场景。

24、4、本发明采用环向布设于橡胶套筒内壁四周的压力片，可有效测定膨胀剂反应后产生的膨胀力，对整个给岩石加载过程进行有效精准的记录。压力片的数据反馈至外接电脑，可将数据可视化进一步进行记录分析。

技术特征：

1.一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置，其特征在于：它包括中心连接杆（3），中心连接杆（3）上依次串联有多个相同结构的单元测试筒；单元测试筒通过信号线（6）与压力采集盒（8）相连，压力采集盒（8）通过传输线与外接电脑（7）相连。

2.根据权利要求1所述的一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置，其特征在于：所述单元测试筒包括固定在中心连接杆（3）上的下螺母（10），下螺母（10）上支撑有下封隔器（2），下封隔器（2）的顶部支撑有橡胶套筒（4），橡胶套筒（4）的顶部支撑有上封隔器（1），上封隔器（1）的顶部设置有垫片（11），垫片（11）的顶部设置有上螺母（13），橡胶套筒（4）的内壁上设置有压力片（5），压力片（5）上连接信号线（6）。

3.根据权利要求1所述的一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置，其特征在于：所述下封隔器（2）和上封隔器（1）的中心部位预留与用于穿过中心连接杆（3）的孔道，且下封隔器（2）和上封隔器（1）采用同心布置。

4.根据权利要求2所述的一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置，其特征在于：中心连接杆（3）上安装的单个单元测试筒的数量根据具体所需要测量的深度来确定。

5.根据权利要求1所述的一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置，其特征在于：测试时，每个所述单元测试筒分隔一定间距的，进而保证一次在一个钻孔中同时得到多个不同测试段的数据，每个单元测试筒相互间隔适当距离，保证其对外部岩体加压过程不相互影响。

6.根据权利要求1所述的一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置，其特征在于：在测试时，还包括设置在橡胶套筒（4）内部的膨胀剂。

7.采用权利要求1-6任意一项所述一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置进行地应力测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种分段式无动力自膨胀地应力原位测试装置及方法，它包括中心连接杆，中心连接杆上依次串联有多个相同结构的单元测试筒；单元测试筒通过信号线与压力采集盒相连，压力采集盒通过传输线与外接电脑相连。此装置能够在深部测量地应力时一次性测出同一钻孔不同深度的地应力数值；而且本发明创新性的采取岩石膨胀剂作为动力源，而非外部大型加压设备，有效节约测量成本，降低了测量规模，提升了地应力的测量效率，可以节省大量测量成本和时间。

技术研发人员：刘杰,宋郭峰,王乐华,胡格格,刘王豪,石磊,汪岩松,王斌,黎罡
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13