一种钻孔内岩石强度原位测试方法及装置与流程

本发明涉及原位测试，尤其是涉及一种钻孔内岩石强度原位测试方法及装置。

背景技术：

1、岩石强度测试是在工程和地质领域中常用的一种测试方法，用于评估岩石材料的力学性能和抗压、抗拉等强度指标。了解岩石强度对于各类岩石工程设计、施工、稳定性分析以及地质灾害预测与防治具有重要意义。

2、工程建设：在土木工程、岩土工程、隧道工程、矿山工程等方面，评估岩石的强度是进行结构设计、施工方案制定以及地质风险评估的基础。

3、岩石稳定性分析：岩体的强度参数是进行岩体稳定性分析、岩爆、冻融等问题预测的重要输入参数。

4、地质灾害研究：地震、滑坡、崩塌等地质灾害的发生与岩石强度密切相关，通过测试岩石强度，可以对地质灾害进行预测与控制。

5、矿产资源开采：在矿石开采、采矿方法选择以及安全生产方面，了解岩石强度可对选矿、采场崩塌等问题进行评估和控制。

6、通过岩石强度测试，可以在不扰动现场岩层状况的条件下测量岩石工程力学性质，可避免取样过程中应力释放的影响，且测试范围大，代表性强。此外，原位测试技术可以取得的基本参数，非常具备代表性、能够反映现场实际，如岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等参数，为工程设计提供依据，同时也有助于预测岩体的稳定性和地质灾害风险，维护公共安全和可持续发展。所以岩石强度原位测试技术具有非常重要的意义，可以在较为广泛的范围内应用；

7、传统的岩石强度测定方法是先在井下钻取岩芯，然后运至实验室加工成试件进行岩石力学参数测定。这种方法有以下几个方面的局限性：

8、(1)岩芯获取困难。当围岩比较松软破碎时，很难取出完整岩芯；大多数岩体都含有弱面或软弱夹层，特别是在煤系地层中经常会遇到强度很低的岩石，如黏土岩、炭质页岩、煤等，都不易制备成岩石试件。

9、(2)岩样的必要准备过程比较繁琐，实验室测试成本较高。

10、(3)可能与现场情况有一定差异。在实验室得到的只是比较完整的，不含明显弱面的非现场环境下的岩石特征指标，容易受到取样条件和试件制备的影响，可能会破坏围岩的原始状态，影响其强度和稳定性，与现场真实状态不符。

11、(4)进行巷道支护设计时，需要对巷道顶板以上及两帮一定范围内岩层的分层厚度、岩石强度、结构面分布都要有详尽地掌握。这样才可以为锚杆长度、强度、间排距及布置方式的确定提供依据。实验室的一些试验所得到的信息量是比较有限的，往往很难满足设计的需要。

12、为此，提出一种钻孔内岩石强度原位测试方法及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种钻孔内岩石强度原位测试方法及装置，实现钻孔内岩石强度的原位测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钻孔内岩石强度原位测试方法，包括如下步骤：

3、s1：在需要测试的岩体中打钻孔或者直接利用泄压、钻探的工程孔，利用测试装置对钻孔孔壁加压进行测试。

4、s2：在液压系统高压液体压力作用下，顶针从探头壳体伸出，与孔壁接触，继续用适当的速度通过手动泵加压，实时测量显示顶针伸出的位移量以及施加压力的大小，生成压力—位移曲线。

5、s3：当钻孔岩壁在顶针的作用下碎裂时，会出现压力传感器的压力突然下降的现象，记录临界(最大)压力pm(临界载荷)和顶针移动的位移，从而得到岩石的强度数据。

6、s4：通过实验室对大量的煤系岩石的测试，得到pm与岩石抗压强度或弹性模量的关系从而间接得到原位测试的岩石抗压强度值；

7、s5：在每次测试后数据记录仪会记录临界油压值、顶针位移值和岩石的强度，结合从编码器上读出的探头的测试位置(钻孔内的深度)，可以生成一组数据，即钻孔某一深度的岩石强度及测试过程中的压力—位移曲线图。

8、s6：一个点位测试完成后，可以对同一钻孔的不同深度、同一深度的不同点位以及不同钻孔的岩石强度进行原位测试，从而确定钻孔内各段岩层强度的变化，通过加大测点密度还可确定岩层间的接触面、裂隙带等范围。

9、一种钻孔内岩石强度原位测试装置，包括测试探头、卷管装置、数据记录仪以及液压手动泵；

10、所述测试探头的一端可拆卸连接有推杆，所述测量探头与推杆连接的一端可拆卸连接有液压管路，所述液压管路的另一端延伸至卷管装置内与卷管装置活动连接；

11、所述卷管装置与液压手动泵之间通过管道连接，所述数据记录仪通过线缆连接有信号接收器，所述信号接收器通过线缆与卷管装置中的传感器连接。

12、优选地，所述卷管装置的内部开设有安装腔，且安装腔内安装固定有位移油缸与位移传感器以及压力传感器，其中位移油缸与连接测试探头的低压管路连接，所述位移传感器用于对位移油缸的伸出量进行测量，所述压力传感器用于对液压手动泵进行实时压力检测。优选地，所述卷管装置的内部右端安装有深度测量装置，所述液压管路延伸至卷管装置内与位移油缸连接，且位移油缸与位移传感器连接，液压管路贴合深度测量装置。

13、优选地，所述深度测量装置为角度编码器、计米轮的结合。

14、优选地，所述信号接收器连接三组线缆，三组线缆分别与位移传感器、压力传感器以及深度测量装置连接。

15、优选的，所述测试探头包括底座与上盖构成，其中底座的前端、侧面均开设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有堵头，所述底座的上端面可拆卸连接有上盖。

16、优选地，所述上盖呈弧形结构设计，且上盖的下端面与底座吻合，所述底座的上端面四角和测试探头的上端面均开设有安装孔，且安装孔内螺纹连接有螺栓。

17、优选地，所述底座的内部开设有t型通道，其中底座的上端面通道口内活动连接有活塞，所述活塞的上端固定有顶柱，所述上盖的上端面与顶柱对应位置开设有延展口，所述顶柱的上端位于延展口内，所述顶柱的上端活动连接有顶珠，所述顶珠的上端外侧套接有防尘盖，所述顶柱、活塞以及顶珠形成顶针，所述推杆为测试探头的推杆件。

18、优选地，所述液压管路为两组分别为高压管路与低压管路，其中底座的右端位于推杆两侧位置分别开设有t型结构通道连接的低压出油孔和高压进油孔，所述高压管路、低压管路分别通过高压进油孔和低压出油孔与底座螺纹连接，所述低压出油孔和高压进油孔开设推杆连接孔，所述推杆通过推连接孔与底座螺纹连接。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、(1)测试设备轻便，可直接带去现场进行原位测试，测试过程无需取样，可以避免取样过程中对岩石性质的影响，保证岩石的原始状态。

21、(2)适合井下作业环境的需要，可以根据现场状况调整测点密度，实现对大面积的巷道围岩强度进行测试，更能够反映现场的真实情况。

22、(3)测试时可以连续进行，可以对多个孔位进行大面积的测试。

23、(4)测试方法具有快速、经济的优点。减少了井下钻孔取岩芯，然后带回实验室做单轴抗压试验的过程及费用，缩短了测试周期。

24、(5)可以对不同岩性、不同含水量、不同围压和水压条件下的围岩强度。

25、(6)能够在一个钻孔内测试不同深度、不同点位的数据；

26、(7)所测结果包括钻孔深度、该深度岩壁的强度以及顶针的顶出位移，能够实时地显示在测量仪显示屏上，并能够对测量的数据进行存储记录、导出回放和分类管理。

27、(8)测试过程简单方便，效率高

28、本技术实现了原位测量井下巷道围岩强度，可以在不影响正常施工并对已开挖隧道围岩几乎零损伤的情况下，实时、准确对围岩进行快速原位测试。可以在工程现场以及在不扰动或基本不扰动岩层的情况下，获取其原始状态下的多种物理力学参数，为巷道支护设计提供可靠的定量依据。可以适应井下作业环境的需要，测试装置结构简单，操作方便，测试数据能更好地反映原位岩石强度。能够测量不同钻孔、不同深度、不同点位的岩石强度，从而得到巷道岩石强度的分布情况，且测定结果比较接近现场岩体，测量过程简单方便，避免取样等过程出现的问题，极大地提高了测量效率，降低了测量成本，具有很好的推广价值。