[发明专利]一种测量软岩地应力的装置和方法

说明书

本发明提供一种测量软岩地应力的装置和方法，属于地应力测量技术领域。该装置包括导线、杆体、注浆结石体、钻孔、空腔、数据采集器、防水膜和传感器，导线位于杆体内部中心，杆体内部除导线外，其余部分为空腔，杆体放入钻孔内，杆体周围注浆，形成注浆结石体，导线与数据采集器相连，传感器位于杆体端部，传感器外部包裹防水膜。本方法通过在巷道一个竖直面(M)内布置水平孔和斜向孔，在另一个斜面(N)内布置水平孔和斜向孔，向孔内放入测量装置并注浆，经测量注浆结石体内的应力状态达到测量地应力的目的。本发明提供一种新的地应力测量方法，能够准确测量三维地应力，测量杆结构简单，并且在理论上也不受测量深度的限制，测量精度高。

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，特别是指一种测量软岩地应力的装置和方法。

背景技术

随着我国基础设施建设的飞速发展，各种岩体工程的规模越来越大，对工程设计和施工质量的要求也越来越高，相应的岩土工程问题不断涌现，而岩体应力又是影响岩体稳定和工程安全的重要参数之一。地应力的测量在我国岩体力学的发展史上，一直占有十分重要的位置，不仅有重要理论意义，也有重要的应用价值。

常规三维地应力测量方法为水压裂法和套芯应力解除法，不仅操作工艺复杂，测量误差也比较大，一种新型地应力测量方法及装置急需研发。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量软岩地应力的装置和方法，该装置包括导线、杆体、空腔、数据采集器、防水膜和传感器，导线位于杆体内部，杆体内部除导线外为空腔，导线一端与数据采集器相连，导线另一端与传感器相连，传感器位于杆体外侧端部，传感器外部包裹防水膜；杆体放入钻孔中，杆体周围注浆形成注浆结石体。

其中，传感器为两个或两个以上，杆体同一方向上安装两个传感器，两个传感器中心连线与杆体中心线正交。杆体为刚性材料制成，杆体上具有刻度，用于测出传感器的位置，内部有空腔，用于传输导线，空腔尺寸尽可能小，以免影响杆体的刚度，杆体外形不限，空腔形状不限。防水膜与传感器紧密接触，无空隙，用于防水。

该装置具体测量方法如下：

在竖直面M内，施作水平孔(或小角度钻孔)和斜向孔，两个孔在同一竖直面M内，两孔夹角30°～90°；在斜面N内，施作水平孔(或小角度钻孔)和斜向孔，两个孔在同一斜面N内，两孔夹角30°～90°，面M与面N斜交且交线不为竖直线或水平线；

放入测量装置，并向钻孔内注浆；

在地应力作用下钻孔变形，应力通过注浆结石体传递到传感器上，应力稳定后，水平孔(或小角度钻孔)测得竖直应力σ_z和水平应力σ_x，斜向孔测得应力σ_θ；

另一水平应力σ_y由应力σ_θ和竖直应力σ_z计算求得，由两组钻孔，能够得到两个坐标系下的六个应力数据，代入地应力的计算公式中，得出测试点地应力。

其中，钻孔孔径大于杆体直径，钻孔深度为巷道半径2.5倍以上，斜向孔与水平孔的夹角为θ＝30°～90°，斜向孔底部与水平孔底部在同一竖直直线上。水平孔内，杆体四个面上安装4个传感器，4个传感器中心连线正交，2个传感器为一组，一组传感器测水平应力σ_x，另一组传感器测竖直应力σ_z。斜向孔内，安装2个或4个传感器，安装2个传感器时，一个传感器测量应力σ_θ，另一个备用，防止传感器损坏而影响测量；安装4个传感器时，一组传感器用来测量应力σ_θ，另一组传感器用来验证测量结果的准确性。

该方法的基本原理为：