一種通過單個鉆孔測量地應力的裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于地下巖體工程地應力測試技術領域，尤其涉及通過單個鉆孔測量地應力的裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002]地應力是指地殼中的巖體在天然狀態下所具有的內在應力。它是引起采礦、水利水電、土木建筑、道路和各種地下巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力。科學準確地掌握其在地殼中的分布規律是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩定性分析，實現巖土工程決策、設計和開挖科學化的必要前提。巖體中存在著的這種天然地應力場目前只能通過實際測試的手段來獲取。
[0003]聲發射法(又稱AE法)是利用巖石本身具有的Kaiser效應在實驗室內進行地應力測量的一種方法。與測量地應力較為常用的應力解除法和水壓致裂法相比，AE法不需要龐大的現場設備，只要將鉆取的巖心樣品運到實驗室內測試聲發射信號即可，試驗條件穩定，測試成本較低。目前，國內外都試圖將AE法測地應力技術推向更深更廣的實用化階段，但一直沒有很好地解決巖心定向問題，即傳統AE法若想獲得地下巖體的真實三維地應力信息(包括大小和方向)，必須以測點處多個成一定角度的定向巖心為試驗材料(通常是打一個垂直鉆孔、三個夾角成45°水平鉆孔)，因此需要花費很大精力使用專用的定向取心工具深入到井下或巖層中鉆取定向巖心，高成本、低效率、耗時長的定向取巖心過程致使該方法無法有效推廣。而近些年發展起來的古地磁定向法、孔內電視和巖層掃描定向法均因在實際使用中的工程適用性方面問題而無法有效推廣。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種方便快捷、準確可靠的通過單個鉆孔測量地應力的裝置。
[0005]本發明的另一目的在于提供一種簡單易行、經濟高效、便于大規模推廣應用的通過單個鉆孔測量地應力的方法。
[0006]本發明的技術方案:
[0007]一種通過單個鉆孔測量地應力的裝置，其特征在于，該裝置包括孔內巖心定位拍照裝置和巖心地面重定向裝置；
[0008]其中，所述孔內巖心定位拍照裝置包括厚壁銅筒8，所述厚壁銅筒8直徑略小于鉆孔直徑，所述厚壁銅筒8前端蓋中心孔上安裝有無線高清攝像頭9，所述的無線高清攝像頭9通過插在電腦6上的無線信號接收器7實現遙控實時視頻監控或拍照；所述厚壁銅筒8前端蓋上還安裝有一個卡托11，所述卡托11上放置有透明刻度盤10，所述透明刻度盤在垂直于0°和180°刻度線位置上有兩個水平校準氣泡12，用于微調孔內巖心定位拍照裝置的位置；
[0009]所述巖心地面重定向裝置包括萬向支架14，所述萬向支架14由上部托板15、萬向節16和緊固螺栓17組成，所述上部托板15與托管13下部外側緊密連接，所述托管13的內徑與鉆孔直徑相等，它以萬向節16為中心任意旋轉調整空間位置，并通過緊固螺栓17限制萬向節16的轉動來使其穩定保持在某一位置；所述托管13的外側表面包括傾角儀19，用于確定傾角；所述托管13的下部外表面固定兩個對稱的吊線錘18，用于確定方位角；所述萬向支架14固定于刻度底座20的中心點位置上，所述刻度底座20上刻繪有360°刻度盤，并標示出東南西北方位。
[0010]所述厚壁銅筒8后端蓋中心處焊有一個安裝桿鉸鏈頭5，其與安裝桿4牢固鉸接，安裝桿4可根據鉆孔實際深度無限延長。
[0011]所述的無線高清攝像頭9帶有燈光補償功能，對光線較暗的鉆孔底進行清晰拍照。
[0012]所述刻度底座20為不銹鋼厚板。
[0013]—種通過單個鉆孔測量地應力的方法，先利用孔內巖心定向拍照裝置對處于原巖應力區的未斷巖心在鉆孔內進行定位拍照，獲取巖心在原位上的斷面特征點清晰圖像，再利用巖心地面重定向裝置在地面精確模擬重現鉆孔的包括方位角和傾角參數的空間位置。
[0014]獲得上述空間位置后，通過圖形特征點比對還原出巖心在地下原位時的真實空間位置狀態，并劃出方位標記線，然后按標記線方向進行聲發射小試件加工制作，最后通過開展各向巖石試件的聲發射信號測試，獲取對應Kaiser效應點，并計算出應力值。
[0015]上述通過單個鉆孔測量地應力的方法，包括以下步驟:
[0016]I)利用礦鉆機鉆孔，測試并記錄鉆孔方位角和傾角；
[0017]2)當鉆出巖心長度小于鉆進深度，則判斷有未斷巖心在孔底與圍巖體未脫離，未斷巖心長度約為鉆進深度減去取出巖心長度；
[0018]3)將孔內巖心定位拍照裝置推向孔底，拍得孔內情況的圖像，緩慢推動安裝桿使孔內巖心定向拍照裝置最前端的透明刻度盤與孔底未斷巖心前端剛好接觸，轉動安裝桿，使透明刻度盤的0°刻度豎直向上，拍得未斷巖心的斷面照片，使斷面上的特征點與透明刻度盤上的刻度唯一對應；
[0019]4)將孔內定向拍照裝置拉出，取出未斷巖心；
[0020]5)調整巖心地面重定向裝置的擺放，使其刻度底盤上的0°刻度線與地理北向重合，并調節使托管的方位角和傾角與鉆孔空間位置一致；
[0021]6)將孔內巖心定向拍照裝置3擺放在托管一側，稍做調整使透明刻度盤的0°亥Ij度豎直向上，固定；將取下的未斷巖心穿過與步驟I)鉆孔內外徑相同的圓管后，固定在另一側，且未斷巖心斷面與透明刻度盤10剛好接觸，轉動未斷巖心，重現其在鉆孔之前的原始空間位置；
[0022]7)準確標記出水平線和地理北向線；
[0023]8)鉆取加工地應力測試小試件；
[0024]9)利用材料試驗機和聲發射儀對加工好的地應力測試小試件進行單軸壓縮聲發射信號測試，獲取巖心在各個方向上的Kaiser效應點，然后利用公式計算出應力值。
[0025]第6)步中，重現未斷巖心在鉆孔之前的原始空間位置的方法為:使所攝圖像與原斷面照片上的特征點位置至少需核對不在同一直線上的三個特征點完全一致，重現其在鉆孔之前的原始空間位置。
[0026]通過獲取巖心在各個方向上的Kaiser效應點，計算得到應力值。
[0027]第I)步進行近水平鉆孔時，優選仰角為3-5°。從而便于施工過程中排水。
[0028]本發明的有益效果
[0029]本發明采用孔內定位拍照技術，在鉆孔內記錄下未斷巖心的原始位置特征點，然后在地面通過圖像比對、還原，重新定位出巖心的原始空間位置，即實現巖心的地面重定向。這種巖心定向技術無需使用大型專用設備，定位與鉆探過程分離，不影響生產鉆探，精度高、費用低、操作簡單、快速高效。該技術的產生使傳統的聲發射法獲得了新的生命，二者結合產生的新地應力測試方法簡單易行、經濟高效、便于大規模推廣應用。
[0030]本發明與現有技術相比有如下優點:方法簡便、高效、成本低、自由靈活，精度高，可靠性強。
[0031 ] 本發明可廣泛應用于地下礦山、地下水電站、深埋隧道、地下核廢料庫等可進行鉆探施工的地下巖體工程中原巖應力的測量。
【附圖說明】
[0032]圖1為孔內巖心定位拍照示意圖的一例；
[0033]圖2為孔內巖心定位拍照裝置結構示意圖的一例；
[0034]圖3為透明刻度盤結構示意圖的一例。
[0035]圖4為巖心地面重定向裝置結構示意圖的一例。
[0036]圖5為刻度底座結構不意圖的一例。
[0037]附圖標記說明:
[0038]1.鉆孔，2.未斷巖心，3.孔內定向拍照裝置，4.安裝桿，5.安裝桿鉸接頭，6.筆記本電腦，7.無線接收器，8.厚壁銅筒，9.高清無線攝像頭，10.透明刻度盤，11.卡托，12.水平校準氣泡，13.托管，14.萬向支架，15.上部托板，16.萬向節，17.緊固螺栓，18.吊線錘，19.傾角儀，20.刻度底座，21.支撐圓管。
【具體實施方式】
[0039]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的技術方案僅是本發明的實施方式的一例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0040]實施例1
[0041]試驗地點為湖南省辰州礦業有限責任公司下屬的沃溪金礦，試驗目的是