基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地应力方向测量技术领域，具体涉及一种基于经玮应变线的地应力方向测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]地应力，又称原岩应力、岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代中，由于地质构造运动等原因产生的。地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，地应力的测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提，所以，选择合理有效的地应力测量方法，具有重要意义。
[0003]地应力测量包括地应力大小测量以及地应力方向测量。而对于地应力方向测量，目前主要采用水压致裂法和钻孔崩落法。
[0004]具体的，水压致裂法识别主应力方向是指:(I)采用水压致裂法在钻孔孔壁压裂出一条垂直或近垂直的裂缝；(2)然后，将印模器送入到井下的水压致裂部位，再将印模加压膨胀，以使钻孔壁的裂隙印在印模器上；(3)将印有裂缝印痕的印模器取出至地面，通过对印模器外表面的印痕进行分析，可识别主应力方向。该种方法存在的主要问题为:(I)由于需要用水压致裂法在钻孔孔壁压裂出一条近垂直的裂缝，而这个过程仅能在少数的完整性好的花岗岩或大理岩等硬脆性岩石中实现，对于大量的抗压强度低、地层破碎的钻孔，无法压裂出裂缝或只能得到紊乱无章的裂缝，从而无法采用印模法识别主应力方向。(2)在将印有裂缝印痕的印模器取出至地面的过程中，印模器外表面极易受到孔壁的摩擦，从而将印模器表面的裂缝印痕磨损，因此，当印模器取出至地面时，难以通过印模器表面的裂缝的分析，从而识别主应力方向。尤其在进行深孔地应力方向识别中，上述现象更为明显。
[0005]钻孔崩落法识别主应力方向是指:将井下电视放置于钻孔中，成像观察钻孔中孔壁岩石的崩落现象，根据崩落方向识别最大主应力方向。该种方法存在的主要问题为:(I)由于崩落现象在一个比较大的方向区间内发生，这个区间往往有20°?50°角度，崩落位置分布范围太广，甚至偶尔有0°?360°角度范围内全部都发生崩落现象的情况，因此，井下电视难以准确识别确切的崩落方向，所以，具有主应力方向的识别准确度非常低的不足，无法适用于精度要求较高的测量。(2)钻孔孔壁岩石崩落现象仅在少数的完整性好硬度高的岩石地层中才能发生，例如，花岗岩、大理岩等，而无法发生在大量的岩石抗压强度低、地层破碎的钻孔中，可见，本方法的使用范围较窄。
[0006]综上所述，传统的地应力方向测量方法，具有地应力方向识别精度低以及适用范围小的不足。
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于经玮应变线的地应力方向测量系统及方法，可有效解决上述问题。
[0008]本发明采用的技术方案如下:
[0009]本发明提供一种基于经玮应变线的地应力方向测量系统，所述地应力方向测量系统为完全轴对称结构，包括:橡胶囊(I)、第I应变线层、应变数据采集卡以及高压注水钻杆(3)；
[0010]所述橡胶囊(I)为轴对称中空结构，在所述橡胶囊(I)的橡胶本体内部铺设有第I应变线层，所述第I应变线层由多根第I种应变线按预设规则排列，并且，每根所述第I种应变线的两端均伸入到所述橡胶囊(I)的腔体中；
[0011]在所述橡胶囊(I)的腔体内部，固定安装所述应变数据采集卡，并且，所述应变数据采集卡的输入端与各根所述第I种应变线的两端连接；
[0012]另外，所述橡胶囊(I)配置有高压注水口(4)，所述高压注水口(4)的一端与所述橡胶囊(I)的腔体连通;所述高压注水口(4)的另一端与置于所述橡胶囊(I)外部的高压注水钻杆(3)连通。
[0013]优选的，所述橡胶囊(I)为圆形形状或椭圆形形状。
[0014]优选的，所述第I种应变线为经线应变线，所述第I应变线层为经线应变线层，SP:各根所述第I种应变线按地球经线的排列方式，铺设于所述橡胶囊(I)的橡胶本体内部。
[0015]优选的，还包括:玮线应变线层，所述玮线应变线层置于所述经线应变线层的内部或外部，并且，所述玮线应变线层同样铺设于所述橡胶囊(I)的橡胶本体内部;所述玮线应变线层由多根玮线应变线按地球玮线的排列方式排列。
[0016]优选的，每根所述经线应变线均为圆形或半圆形;每根所述玮线应变线均为圆形或半圆形；
[0017]所述应变线的本质是用于测量应变的元件，作用是将机械构件应变的变化转换为电阻变化，最终可根据电阻变化数据计算得到应变量。
[0018]优选的，还包括:密封金属圆柱体(5)和固定支架(6);
[0019]所述应变数据采集卡置于所述密封金属圆柱体(5)的腔体中，所述密封金属圆柱体(5)通过所述固定支架(6)固定安装于所述橡胶囊(I)的腔体中。
[0020]优选的，所述固定支架(6)固定于所述橡胶囊(I)的对称轴位置，所述密封金属圆柱体(5)设置于所述橡胶囊(I)的轴心位置。
[0021]优选的，在所述橡胶囊(I)的底部可拆卸密封安装有密封堵头(7)。
[0022 ]本发明还提供一种基于经玮应变线的地应力方向测量方法，包括以下步骤:
[0023]步骤I，当橡胶囊(I)的橡胶本体内部仅铺设经线应变线层、未铺设玮线应变线层时，操纵高压注水钻杆(3)，将已安装应变数据采集卡的橡胶囊(I)下放到钻孔被测量位置；
[0024]步骤2，地面采用高压水栗，通过高压注水钻杆(3)向橡胶囊(I)的空腔中注入高压水;随着高压水的不断注入，橡胶囊(I)不断膨胀，膨胀的橡胶囊挤压钻孔孔壁，使钻孔孔壁产生变形；
[0025]而在橡胶囊(I)膨胀和挤压钻孔孔壁的过程中，铺设在橡胶囊(I)本体内部的各根经线应变线产生应变;因此，应变数据采集卡可实时采集到各根经线应变线的应变数据；
[0026]步骤3，在测试结束后，地面关闭高压水栗，使橡胶囊(I)中的压力降低至正常值，并将橡胶囊(I)取出至地面；
[0027]步骤4，分析应变数据采集卡实时采集到的各根经线应变线的应变数据，得到发生最大应变的经线应变线和发生最小应变的经线应变线；则:发生最大应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最大应变的方向，即:钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最小主应力方向；而发生最小应变的经线应变线的方向，即是垂直于钻孔轴线平面上的孔壁岩石最小应变的方向，即:钻孔位置岩石中垂直于钻孔轴线平面上的最大主应力方向。
[0028]优选的，当橡胶囊(I)的橡胶本体内部同时铺设经线应变线层和玮线应变线层时，在进行地应力方向测量时，应变数据采集卡可实时采集到各根经线应变线的应变数据以及各根玮线应变线的应变数据；
[0029]然后，当对应变数据采集卡的应变数据进行分析时，还能够分析得到发生最大应变的玮线应变线，则:发生最大应变的经线应变线和发生最大应变的玮线应变线的交叉位置，即为钻孔孔壁最大应变位置点。
[0030]本发明提供的基于经玮应变线的地应力方向测量系统及方法具有以下优点:
[0031](I)通过对经玮应变线的应变数据进行分析，可快速准确的得到地应力方向，具有地应力方向测量精度高以及