申请/专利权人：长江水利委员会长江科学院

申请日：2019-09-18

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN110514342B

主分类号：G01L5/16

分类号：G01L5/16;G01L5/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2019.12.24#实质审查的生效;2019.11.29#公开

摘要：本发明提供一种快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法，其结合水压致裂法和孔径变形法特点，由封闭的水压致裂法管路系统和孔径变形测量系统组成，本发明依据岩体地应力、施加应力和岩体的变形特性来测定岩体地应力，测量采用特定加载方式使得孔径变形，通过对孔径变形进行椭圆化模拟获取最大水平主应力方向，分离出弹性变形进行地应力量值计算。本发明可以快速测定软岩地应力，单次测试即可获得钻孔横截面的二维主应力的量值和方向，测量过程不需要进行套钻孔解除操作，测量时间较水压致裂法和孔径变形法节省50％以上，利用三孔及以上交汇孔系可以获得三维应力结果。

主权项：1.一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，其特征在于：包括施压变形子系统和数据测量子系统，所述施压变形子系统用于对钻孔进行全断面、特殊加载方式的内加压使孔径扩展变形，所述数据测量子系统用于采集所述施压变形子系统在孔径扩展变形中的变形数据、方位数据、压力数据，以及利用地应力、施加应力和岩体的变形特性来确定地应力状态，根据所述变形数据进行孔径变形的椭圆化模拟，结合所述压力数据和所述方位数据计算变形椭圆长轴方向和短轴方向的压力与变形关系，并确定钻孔截面的主应力方向和主应力量值，所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔的变形数据的椭圆化模拟和方位数据获得，变形最小的方向为截面最大主应力方向；主应力量值由特殊加载方式中获取的变形椭圆长轴方向和短轴方向的弹性恢复变形、弹性模量和施加应力确定；所述施压变形子系统包括加压泵（1-5）、压力管路（2-1）和伸缩胶囊（3-1），所述伸缩胶囊（3-1）设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔（4）中，加压泵（1-5）通过压力管路（2-1）与伸缩胶囊（3-1）连接，当伸缩胶囊（3-1）内充满介质并贴紧孔壁后，继续通过加压泵（1-5）泵入压力传导介质时伸缩胶囊（3-1）径向膨胀，使测量钻孔（4）的孔径变形，关闭加压泵（1-5）介质回流则伸缩胶囊（3-1）收缩；所述数据测量子系统包括压力传感器（1-4）、压力表（1-3）、数据采集仪（1-2）、信号仓（3-3）、计算机（1-1）、圆周向布置于伸缩胶囊（3-1）内的测距元件（3-2）以及与伸缩胶囊（3-1）连接的三维电子罗盘，压力传感器（1-4）用于采集伸缩胶囊（3-1）的压力数据，测距元件（3-2）用于检测伸缩胶囊（3-1）在加压过程中测距元件所处部位的变形数据，三维电子罗盘用于检测伸缩胶囊（3-1）的X轴的方位数据β，测距元件（3-2）和三维电子罗盘通过信号仓（3-3）与数据采集仪（1-2）连接，数据采集仪（1-2）的信号输出端与计算机（1-1）连接，所述信号仓（3-3）具有数据采集、处理和通讯功能，与数据采集仪（1-2）的第一信号接收端连接，压力传感器（1-4）与数据采集仪（1-2）的第二信号接收端连接，数据采集仪（1-2）的信号输出端与计算机（1-1）连接；所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔变形数据的椭圆化模拟和方位数据获得，设孔径变形椭圆化结果的长轴方向与X轴夹角为α，令θ=α+β，可知截面最大主应力方向垂直于长轴方向，角度为θ±90°；所述特殊加载方式为加压和释压在相同压力区间的方式，分离出弹性变形进行主应力量值计算；所述钻孔横截面的主应力量值由公式（1）进行计算： 式中：为平面最大主应力，为平面最小主应力，uae为C2到C3状态长轴方向的弹性恢复变形，ube为短轴方向的弹性恢复变形，由C2到C3状态的孔径变形的椭圆化模拟数据得到，计算公式见式（2）： 式（2）中u2a和u2b分别为C3状态对I状态在长轴方向和短轴方向的变形；ua和ub分别为从I状态到C2状态在长轴和短轴方向的孔径变形；μ为岩体泊松比，估算或由辅助试验获得；r为试验钻孔半径，p为C1状态到C2状态的压力差值，计算公式为p2-p1，设定p1=（pI+1）MPa，pI为I状态时的伸缩胶囊压力，I状态为胶囊贴紧孔壁的初始状态，p2为设定计算加载过程中施加应力的最大值；E为岩体的弹性模量。

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权利要求：

百度查询： 长江水利委员会长江科学院 快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法

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