隧道围岩高地应力快速检测系统的制作方法

1.本实用新型是关于岩体测试技术领域，特别是关于一种隧道围岩高地应力快速检测系统。


背景技术：

2.hubbert和willis于1957年提出井孔液体压裂所产生的裂缝与岩体中所赋存的应力状态密切相关，并指出岩体压力并非处于静水压力状态。kehle (1964)首次对封隔器隔离的实验段的井孔周边的应力分布进行了简单分析，并指出封隔器的影响使孔壁周边形成剪应力区。fairhurst(1964)是第一位提出利用水压致裂技术来测量原地应力的科学家，并指出了水压致裂技术的诸多优点。haimson和fairhurst(1967)指出井壁上产生的裂缝与以下三个因素有关，
①
地壳应力，
②
水压致裂的液体压力与孔隙水压力之间的差应力；
③
岩体渗透的径向流量，这些理论分析奠定了经典水压致裂测试技术的理论基础。haimson(1968)在其博士论文中对水压致裂原地应力测试技术从实验和理论两个方面进行了全面分析和完善。以上这些重要工作为将水压致裂原地应力测试技术应用于工程实践奠定了理论和实验基础。真正意义的应力测量工程实践是由von schonfeldt和fairhurst(1970)领导的研究组在明尼苏达州的一个地下花岗岩岩体中展开的；随后，在rangely油田也开展了类似的应力测量和研究工作(haimson，1973；raleigh，healy和bredehoeft，1976)。从此，水压致裂应力测量正式进入工程实践领域。1987年和2003年，国际岩石力学学会都把水压致裂原地应力测量方法作为一种主要的应力估算方法来推荐，也奠定了水压致裂原地应力测量技术作为应力测试方法的重要地位。
3.中国的地应力测量工作稍迟于国外，五十年代末，李四光和陈宗基教授分别指导的地质力学所和三峡岩基专题研究组开始的。1980年10月，由李方全教授领导的研究组在河北易县首次成功地进行了水压致裂法地应力测量 (李方全，1980)，随后中国地震局地壳应力研究所研制成功轻便型水压致裂测量设备(李方全，1981；丁健民，1990；安其美，1996；郭啟良，1999)。水压致裂测试技术开展在中国的各行各业得到广泛的应用推广。到目前为止，中国范围内使用的主要水压致裂测试方法均参考国际岩石力学学会所推荐的方法。
4.关于水压致裂原地应力测量的设备目前主要分为五大类：(1)重型缆线式水压致裂原地应力测量设备，以瑞士mesy-solexperts设备为代表；(2) 轻便缆线型水压致裂原地应力测量设备，主要以日本oyo公司制造和澳大利亚的csiro组织制造的浅孔测试设备为代表；(3)重型缆线式综合测试设备，以法国cornet教授和美国thiercelin教授制作的将水压致裂测试与其它物探录井设备结合到一起的新型水压致裂测试设备为代表；(4)深井子母孔高精度测试设备，以日本东北大学ito教授制造的babhy测试设备为代表；(5)可拆卸轻便型水压致裂测试设备，以在中国范围内广泛使用的钻杆式水压致裂原地应力测量设备为代表。所有的这些设备中，最小的设备直径为csiro组织制造的轻便型水压致裂原地应力测量设备，设备直径为ф36mm，其次为ito 教授制造的babhy测试设备，测试钻孔直径为ф48mm。
5.在国内广泛使用的测量系统由六个部分组成，压力流体控制系统、高压水泵、动力
系统、数据记录系统、跨接式封隔器和高压流体输送系统。这种测量系统又分为两类，一种是针对100m的浅孔，可以使用钻杆和耐高压软管分别向封隔器和压裂段供水实现压裂。另外一种设备是针对100m以上的深孔测量，利用一个转换阀将压力液体分别供给压裂段和封隔器。
6.通过前面的分析可知，目前国内地下空间内的高地应力检测依然采用常规钻探钻杆连接水压致裂原地地应力测试系统，需要钻机配合，设备重量重，测试速度慢，而且放置和连接过程繁琐，导致测试时间长，测试成本居高不下。因此，快速检测系统的研发，对于推动隧道围岩高地应力快速检测和促进原有水压致裂原地应力测量技术升级革新具有重要的技术意义和经济意义。
7.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种隧道围岩高地应力快速检测系统，体积小重量轻，降低了测试费用，提高了测试作业的灵活性和测试效率，且提高了测试的精度和可靠性。
9.为实现上述目的，本实用新型提供了一种隧道围岩高地应力快速检测系统，包括：高压水泵、钻架、连接杆、快速连接适配器、封隔器、第一高压软管、第二高压软管、第一压力传感器、第二压力传感器以及数据采集机构。钻架架设于钻孔处。连接杆的一端固定于钻架上，且连接杆的另一端伸入至钻孔内。快速连接适配器的一端与连接杆的另一端固定连接。封隔器与快速连接适配器的另一端固定连接。第一高压软管的一端与高压水泵的第一出水口相连通，且第一高压软管的另一端通过快速连接适配器与封隔器的进水端相连通。第二高压软管的一端与高压水泵的第二出水口相连通，且第二高压软管的另一端与连接杆的一端相连通。第一压力传感器设置于第一高压软管上。第二压力传感器设置于第二高压软管上。以及数据采集机构分别与第一压力传感器和第二压力传感器电性连接。其中，高压水泵通过第一高压软管向封隔器注入高压液体，且高压水泵通过第二高压软管向连接杆注入高压液体。其中，数据采集机构采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据进行分析并得到特征压力参数。
10.在本实用新型的一实施方式中，第一高压软管和第二高压软管均为轻量型高强度的高压软管，第一高压软管和第二高压软管的两端均具有标准接头，且端部平面密封。
11.在本实用新型的一实施方式中，连接杆由多根子连接杆首尾相接组合而成，且每根子连接杆的长度为2米，重量为10公斤。
12.在本实用新型的一实施方式中，封隔器包括依次紧密相连的双回路安装杆连接头、上封隔器、带喷水孔的连接器、下封隔器和下堵头。
13.在本实用新型的一实施方式中，隧道围岩高地应力快速检测系统还包括电源，分别与三角架、高压水泵、第一压力传感器和第二压力传感器电性连接。
14.在本实用新型的一实施方式中，数据采集机构包括计算机和数据采集仪，分别与电源、高压水泵、第一压力传感器和第二压力传感器电性连接。
15.在本实用新型的一实施方式中，快速连接适配器由相互连通的上适配器和下适配器组成，上适配器具有第一进水孔和第二进水孔，第一进水孔用以与第一高压软管相连接，第二进水孔用以与连接杆相连接，且下适配器具有出水孔，出水孔用以与封隔器相连接。
16.与现有技术相比，根据本实用新型的隧道围岩高地应力快速检测系统，体积小重量轻，降低了测试费用，提高了测试作业的灵活性和测试效率，且提高了测试的精度和可靠性。
附图说明
17.图1是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的主视结构示意图；
18.图2是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的高压软管的结构示意图；
19.图3是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的连接杆的结构示意图；
20.图4是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的上适配器的结构示意图；
21.图5是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的下适配器的结构示意图；
22.图6是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的封隔器的结构示意图；
23.图7是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的钻孔压力-时间记录曲线示意图。
24.主要附图标记说明：
25.1-高压水泵，2-三角架，3-连接杆，4-快速连接适配器，41-上适配器，411
‑ꢀ
第一进水孔，412-第二进水孔，42-下适配器，421-出水孔，5-封隔器，51-双回路安装杆连接头，52-上封隔器，53-带喷水孔的连接器，54-下封隔器，55
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下堵头，6-第一高压软管，7-第二高压软管，8-第一压力传感器，9-第二压力传感器，10-电源，11-计算机，12-数据采集仪。
具体实施方式
26.下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
27.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
28.图1是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的主视结构示意图。图2是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的高压软管的结构示意图。图3是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的连接杆3的结构示意图。图4是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的上适配器5的结构示意图。图5是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检
测系统的下适配器42的结构示意图。图6是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的封隔器5的结构示意图。
29.如图1至图6所示，根据本实用新型优选实施方式的一种隧道围岩高地应力快速检测系统，包括：高压水泵1、三角架2、连接杆3、快速连接适配器4、封隔器5、第一高压软管6、第二高压软管7、第一压力传感器8、第二压力传感器9以及数据采集机构。钻架2架设于钻孔处。连接杆3的一端固定于钻架2上，且连接杆3的另一端伸入至钻孔内。快速连接适配器4的一端与连接杆3的另一端固定连接。封隔器5与快速连接适配器4的另一端固定连接。第一高压软管6的一端与高压水泵1的第一出水口相连通，且第一高压软管6的另一端通过快速连接适配器4与封隔器5的进水端相连通。第二高压软管7的一端与高压水泵1的第二出水口相连通，且第二高压软管7 的另一端与连接杆3的一端相连通。第一压力传感器8设置于第一高压软管6 上。第二压力传感器9设置于第二高压软管7上。以及数据采集机构分别与第一压力传感器8和第二压力传感器9电性连接。其中，高压水泵1通过第一高压软管6向封隔器5注入高压液体，且高压水泵1通过第二高压软管7 向连接杆3注入高压液体。其中，数据采集机构采集第一压力传感器8和第二压力传感器9的数据进行分析并得到特征压力参数。
30.在本实用新型的一实施方式中，第一高压软管6和第二高压软管7均为轻量型高强度的高压软管，第一高压软管6和第二高压软管7的两端均具有标准接头，且端部平面密封。
31.在本实用新型的一实施方式中，连接杆3由多根子连接杆3首尾相接组合而成，且每根子连接杆3的长度为2米，重量为10公斤。
32.在本实用新型的一实施方式中，封隔器5包括依次紧密相连的双回路安装杆连接头51、上封隔器52、带喷水孔的连接器53、下封隔器54和下堵头 55。
33.在本实用新型的一实施方式中，隧道围岩高地应力快速检测系统还包括电源10，分别与钻架2、高压水泵1、第一压力传感器8和第二压力传感器9 电性连接。
34.在本实用新型的一实施方式中，数据采集机构包括计算机11和数据采集仪12，分别与电源10、高压水泵1、第一压力传感器8和第二压力传感器9 电性连接。
35.在本实用新型的一实施方式中，快速连接适配器4由相互连通的上适配器5和下适配器42组成，上适配器5具有第一进水孔411和第二进水孔412，第一进水孔411用以与第一高压软管6相连接，第二进水孔412用以与连接杆3相连接，且下适配器42具有出水孔421，出水孔421用以与封隔器5相连接。
36.本实用新型可以放弃对隧道内钻机设备的依赖，提高测试工作的灵活性并降低测试成本，同时采用轻便型专用快速密封连接杆3及高压软管和封隔器5和管汇控制系统连接，整体降低井下设备的重量，但是不降低整体强度，可以快速放置到隧道内的钻孔内开展地应力测量，获得地应力参数，为隧道内高地应力快速检测提供方法和装置支撑。采用了新型的快速检测连接装置后(高压软管、连接杆3和快速连接适配器4)，不需要现场钻机配合，整体测试设备重量轻，这就大大降低了高地应力快速检测的测试费用，同时由于设备轻，场地小，测试时间也会随之缩短，进而使得测试费用进一步降低。因此，本系统对于推动隧道围岩高地应力快速检测和促进原有水压致裂原地应力测量技术升级革新具有重要的技术意义和经济意义。本实用新型通过隧道围岩高地应力快速检测系统分别与封隔器5压裂段和封隔器5膨胀段连接以快速开展在水压致裂原地应力检测工作，以满足钻孔孔径不超过76mm，密封措施满足耐压20mpa的要求。
37.本实用新型采用轻量型高强度液压高压软管，每根高压软管长度50m，一根即可满足隧道内钻孔的高地应力检测测试，设计了专门的快速连接装置，采用标准接头，端部平面密封方式，可以采用固定组合扳手快速连接，高压软管的主体结构和连接形式图2所示。
38.本实用新型采用专用轻便连接杆3，每根连接杆3长2m，重量约10kg，方便在隧道内搬运，轻便连接杆3通过特定的丝扣与封隔器5上端连接，同时与高压软管连接，通过这些高压密封的输水系统将高压流体送到压裂段部位，如图3所示。
39.本实用新型采用快速连接适配器4，结构简单，轻便，方便与连接杆3、封隔器5和液压高压软管连接，方便在隧道内搬运。下适配器42将专用轻便连接杆3和封隔器5相连，上适配器5将专用轻便连接杆3与高压液压软管连接，这样可以快速将高压流体输送到压裂段部位。
40.本发明采用双回路结构，通过封隔器5内两条回路分别给压裂段和封隔器5密封段提供高压液体，设计并制造专用测试连接杆3和专用高压软管，其中测试连接杆3和压裂段直接连接，专用高压软管与封隔器5连接，在此基础上完成隧道围岩高地应力快速检测系统连接装置的设计、制造和野外定型测试。
41.在实际应用中，本实用新型的隧道围岩高地应力快速检测系统在使用时具体测试流程如下：
42.1、选择试验段
43.测试段选取的主要依据是：根据岩芯编录查校完整岩芯所处的深度位置以及工程设计所要求的位置，为使试验能顺利进行，还要考虑封隔器5必须放置在孔壁光滑、孔径一致的位置。为确保资料充分和满足技术合同要求，在钻孔条件允许的情况下应尽可能多选试验段。
44.2、安装井下测量设备
45.用轻便连接杆将一对可膨胀的橡胶封隔器5，放置到所要测量的深度位置。
46.3、座封
47.通过地面的一个独立加压系统，给两个一米长的封隔器5同时增压，使其膨胀并与孔壁紧密接触，即可将压裂段予以隔离，形成一个封隔空间(即压裂试验段)。地面装有封隔器5压力的监视装置，在试验过程中若由于某种原因封隔器5压力下降时，可随时通过地面的加压系统予以补压。
48.4、压裂
49.利用高压泵通过高压管线向被封隔的空间(压裂试验段)增压。在增压过程中，由于高压管路中装有压力传感器，记录仪表上的压力值将随高压液体的泵入而迅速增高，由于钻孔周边的应力集中，压裂段内的岩石在足够大的液压作用下，将会在最小切向应力的位置上产生破裂，也就是在垂直于最小水平主应力的方向开裂。这时所记录的临界压力值，就是岩石的破裂压力，岩石一旦产生裂缝，在高压液体来不及补充的瞬间，压力将急剧下降。若继续保持排量加压，裂缝将保持张开并向纵深处延扩。
50.5、关泵
51.岩石开裂后关闭高压泵，停止向测试段注压。在关泵的瞬间压力将急剧下降；之后，随着液体向地层的渗入，压力将缓慢下降。在岩体应力的作用下，裂缝趋于闭合。当裂缝处于临界闭合状态时记录到的压力即为瞬时闭合压力。
52.6、卸压
53.当压裂段内的压力趋于平稳或不再有明显下降时，即可解除本次封隔段内的压力，连通大气，促使已张开的裂缝闭合。在测试过程中，每段通常都要进行3-5个回次，以便取得合理的应力参量以及准确判断岩石的破裂和裂缝的延伸状态。
54.图7是根据本实用新型一实施方式的隧道围岩高地应力快速检测系统的钻孔压力-时间记录曲线示意图。如图7所示，测试曲线显示各个试验段内的压力在各个循环清晰可见，重复性较好。
55.总之，本实用新型的隧道围岩高地应力快速检测系统，具有如下有益效果：
56.1、极大地提高测试系统的精度和可靠性；
57.2、可以极大地降低设备成套重量，提高了设备的轻便性，降低了测试费用，提高了测试作业的灵活性和测试效率，同时一定程度上也提高了测试数据量；
58.3、设备由于体积小，容量大，可适用范围宽，将极大地带动传统大直径水压致裂原地应力测量系统的测试精度、制造水平和应用范围，进而推动整个水压致裂原地应力测试技术的发展和进步。
59.前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。