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专利号: 2023108285145
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种全环境钻孔原岩应力测试装置,其特征在于,包括:主控工作部,所述工作部包括中心部和设置在所述中心部两端的顶升降部和底升降部;所述顶升降部内安装有控制单元(2);所述控制单元(2)通过外联接口(1)与外控系统连接;所述顶升降部和底升降部内均还安装有支撑装置(4);所述顶升降部和底升降部均通过升降装置(3)的连接丝杆(304)与中心部相连接;所述中心部内固定安装有回转装置(5),光学应变测量装置(6)和制斑装置(7);所述回转装置(5)用于实现所述中心部的旋转,所述光学应变测量装置(6)用于测量标记;所述制斑装置(7)用于在工作面上预留标记;

所述回转装置(5)包括回转电机(503);所述回转电机(503)固定安装于所述中心部端部;所述回转电机(503)的主轴传动连接有回转轴箱(502);所述回转轴箱(502)的一侧固定安装有回转监测器(501);所述回转监测器(501)用于监测所述中心部的旋转角度;所述制斑装置(7)包括制斑电机(704);所述制斑电机(704)的主轴传动连接有第一给进轴箱(701);所述第一给进轴箱(701)上固定连接有给进丝杆(705)的一端,所述给进丝杆(705)的另一端水平伸出所述中心部且固定连接有制斑针头(703);所述给进丝杆(705)上还安装有力传感器(702),所述力传感器(702)用于测定所述制斑针头(703)是否制斑作业完成;

所述光学应变测量装置(6)贴近所述回转装置(5)设置,所述光学应变测量装置(6)包括抽排水组件,摄像机(601),反射镜(603)和外测的液压推杆(604);所述摄像机(601)的镜头通过所述反射镜(603)反射,光束通过光学通道照射在孔内孔壁上;所述光学通道与所述中心部外壁连接处固定安装有密封圈(607);所述液压推杆(604)用于抵接压紧所述密封圈(607);所述光学通道内还固定安装有补光灯(605);

所述抽排水组件包括循环泵(602);所述循环泵(602)通过抽水管(606)伸入所述密封圈(607)侧壁;所述密封圈(607)内还固定安装有滤芯(608)。

2.根据权利要求1所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置,其特征在于:所述升降装置(3)包括升降电机(301),所述升降电机(301)的输出端传动连接有升降轴箱(302);所述升降轴箱(302)固定连接有所述连接丝杆(304)的一端;所述连接丝杆(304)的另一端通过限位器(305)限定于所述中心部的端面中心;所述升降轴箱(302)上还安装有位移监测器(303);所述位移监测器(303)监测所述中心部的位移间距;所述限位器(305)用于限制回转装置(5)和升降装置(3)的工作干扰。

3.根据权利要求2所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置,其特征在于:所述支撑装置(4)包括限位环,限位环周侧等间距设置的液压活动杆(402);所述液压活动杆伸出所述顶升降部或底升降部外壁,且固定连接有支撑器(403);每一所述液压活动杆(402)上均还开设有一进油口(401)。

4.根据权利要求1所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置,其特征在于:所述中心部内还安装有应力解除装置(8);所述应力解除装置(8)包括钻孔电机(806);所述钻孔电机(806)的主轴传动连接有钻孔轴箱(804);所述钻孔轴箱(804)上转动连接有伞齿轮(803)一侧;所述伞齿轮(803)的端部安装有钻头(807);所述钻头(807)通过所述钻孔轴箱(804)实现周向旋转;

所述应力解除装置(8)还包括给进电机(801),所述给进电机(801)的输出轴传动连接有第二给进轴箱(802);所述第二给进轴箱(802)通过伸出丝杆与所述伞齿轮(803)另一侧传动连接,用于实现所述伞齿轮(803)的水平给进。

5.根据权利要求4所述的一种全环境钻孔原岩应力测试装置,其特征在于:所述钻孔轴箱(804)一侧还固定安装有监测相机(805),所述监测相机(805)用于监测钻头钻进情况。

6.一种全环境钻孔原岩应力测量方法,包括权利要求1‑5任一项所述的全环境钻孔原岩应力测试装置,其特征在于,包括以下步骤:S1钻孔:在地应力测量区域钻出直径大于90mm的深孔;

S2固定:将全环境钻孔原岩应力测试装置放入孔中并启动液压电机,使支撑推杆与岩壁紧密接触,使得装置固定在孔中,不会产生上下错动和相对位移;

S3定位:启动升降装置和回转装置,对岩壁进行观察和识别,并选择进行应力解除的平面;

S4制斑:启动制斑系统在待测平面上制斑;

S5初始数据记录:启动光学应变测量系统至工作窗口,在液压推杆作用下使密封圈与岩壁接触紧密,启动抽排水组件过滤密封圈内浑浊水体,对制斑斑点进行记录,获得初始特征线段和特征线段夹角;

S6应力解除:启动钻孔地应力解除系统至工作窗口,开始钻孔,对待测平面进行应力解除作业;

S7变形测量:启动光学应变测量系统至工作窗口,在液压推杆的作用下使密封圈与岩壁接触紧密,启动抽排水装置,对应力释放结束后的制斑斑点进行记录,获得解除后特征线段和特征线段夹角;

S8多点测量:重复S3~S7对至少三个测点进行测量,这些测点应处于同一地层,以避免地层差异引起的地应力误差;

S9数据处理:根据初始应变数据和最终应变数据,利用最小二乘法计算得出地应力分量数值;

基于S5和S7中选定的s个特征线段长度变化量和特征线段夹角余弦差值,并根据圆孔孔壁围岩应力解计算公式,构建原岩应力为未知量的s个等式方程,利用最小二乘法原理构建对应等式的法方程;通过求解法方程获得测量点的地应力分量数值;其中,s≥6。