專利名稱：煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試方法及裝備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在煤礦井下快速測定地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的方法及實(shí)施該方法所使用的深孔窺視儀，該方法及裝備也可應(yīng)用于其它采礦、建筑、電力、水利、軍工等部門的地下巖土工程現(xiàn)場的地質(zhì)力學(xué)測試。
背景技術(shù)：
巷道圍巖是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體，一切與圍巖有關(guān)的的工作，都離不開對圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的充分了解。地質(zhì)力學(xué)參數(shù)包括圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力等。在進(jìn)行煤礦巷道布置、巷道及硐室支護(hù)設(shè)計(jì)之前，都要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的測試，從而保證巷道布置和支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性和巷道的安全程度。
目前國內(nèi)的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試，由于缺乏快速、方便的測試儀器和方法，致使參數(shù)測試成為一件非常繁瑣、耗費(fèi)大量人力物力和時(shí)間的工作。以往巷道、硐室支護(hù)設(shè)計(jì)是根據(jù)地質(zhì)探測數(shù)量有限的柱狀圖和少量的地質(zhì)力學(xué)資料進(jìn)行的，通常的做法是在實(shí)驗(yàn)室用巖芯加工成試件，通過巖塊測試巖石力學(xué)參數(shù)，并且對圍巖的裂隙和層理的發(fā)育狀況不進(jìn)行觀測，也不測試地應(yīng)力基礎(chǔ)參數(shù)，致使很難做出合理設(shè)計(jì)；幾種參數(shù)的測試不能在同一巖石鉆孔內(nèi)進(jìn)行，測試工作復(fù)雜、效率很低；攝像照明需要較高電壓，容易引起爆炸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試方法及深孔窺視儀，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的工作效率低、測試工作復(fù)雜、耗費(fèi)大量人力物力和時(shí)間；很難做出合理設(shè)計(jì)；幾種參數(shù)的測試不能在同一巖石鉆孔內(nèi)進(jìn)行，不防爆的問題?？稍谟锌扇夹詺怏w環(huán)境的煤礦或其它礦山的巷道或硐室，通過一個(gè)巖石鉆孔，可快速測試地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的方法和裝備。
本發(fā)明的技術(shù)方案包括
一種測試方法首先鉆出測試孔，在同一鉆孔內(nèi)，可快速測得圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖強(qiáng)度及地應(yīng)力參數(shù)。
采用深孔窺視儀對整個(gè)鉆孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀測；鉆孔上部采用水壓致裂地應(yīng)力測試裝置測試地應(yīng)力；鉆孔下部采用圍巖強(qiáng)度測定儀測試巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。具體測試方法如下(1)深孔圍巖結(jié)構(gòu)窺視用一種帶有側(cè)向裝置深孔窺視儀測試圍巖結(jié)構(gòu)。這種窺視儀有圖像放大、方向定位、攝像和信息存貯裝置。通過鉆孔對巷道圍巖結(jié)構(gòu)、層理、節(jié)理發(fā)育狀況進(jìn)行觀測、記錄、分析，可確定圍巖結(jié)構(gòu)的層理、節(jié)理大小、方位、分布狀態(tài)。
(2)水壓致裂地應(yīng)力測試在同一個(gè)鉆孔內(nèi)用水壓致裂法可快速測定原巖應(yīng)力狀態(tài)。水壓致裂法是在鉆孔內(nèi)將鉆孔部分封閉段，注入高壓水，當(dāng)水壓達(dá)到臨界值時(shí)，在小孔邊界產(chǎn)生裂紋，根據(jù)小孔受力分析，由實(shí)測可得巖石破裂壓力、瞬間閉壓力、重張壓力、裂紋方向，便可確定原巖應(yīng)力大小、最大水平主應(yīng)力作用方向和巖石抗拉強(qiáng)度。裂紋方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，該方向用帶有方向測試裝置的窺視儀確定。
(3)巖石強(qiáng)度測定圍巖強(qiáng)度測試工作使用同一個(gè)鉆孔。采用圍巖強(qiáng)度測定儀，通過高壓探針壓碎鉆孔巖體確定巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量。圍巖強(qiáng)度測定儀探頭系數(shù)采用統(tǒng)計(jì)方法在大量對比試驗(yàn)中確定。
本發(fā)明所包含的裝備有窺視儀、水壓致裂地應(yīng)力測試裝置、圍巖強(qiáng)度測定儀，后面裝置為現(xiàn)有裝置。
本發(fā)明的有益效果是提供了在一個(gè)鉆孔內(nèi)用窺視儀、水壓致裂法和巖石強(qiáng)度測定儀進(jìn)行煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試的方法，該方法經(jīng)濟(jì)、快速。新型的窺視儀具有攝制鉆孔前方和側(cè)壁圖像并儲存的雙重功能，結(jié)構(gòu)合理簡單，功能可靠實(shí)用。


圖1是本發(fā)明測試方法的過程示意框圖；圖2是本發(fā)明測試方法中使用的測試孔示意圖；圖3是本發(fā)明窺視儀的構(gòu)成框圖；圖4是本發(fā)明窺視儀的電子窺鏡的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明測試方法中使用窺視儀再測試孔內(nèi)進(jìn)行測試時(shí)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1～圖5，本發(fā)明的測試方法再實(shí)施時(shí)的步驟如下A、首先在煤礦井下巷道1內(nèi)打設(shè)一個(gè)20-30m的垂直測試孔2，用輸送桿3將窺視儀4的電子窺鏡5送入測試孔2內(nèi)。
B、對整個(gè)測試孔2的圍巖結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行觀測并記錄，以確定圍巖結(jié)構(gòu)的層理、節(jié)理和裂紋等結(jié)構(gòu)面的大小、方位、分布狀態(tài)，并找出數(shù)個(gè)完整段，具體步驟包括利用所述的窺視儀4和5測試圖像放大、方向定位、攝像和信息存貯；通過測試孔2對巷道圍巖層理、節(jié)理和裂紋等結(jié)構(gòu)面的發(fā)育狀況進(jìn)行觀測、記錄、分析，可確定圍巖層理、節(jié)理和裂紋等結(jié)構(gòu)面的大小、方位和分布狀態(tài)。然后撤出窺鏡5。
C、再采用水壓致裂地應(yīng)力測試裝置壓裂窺視儀觀測到的巖石完整段，所述的水壓致裂法是在將測試孔2上半部分封閉段，注入高壓水，在水壓和原巖應(yīng)力作用下，當(dāng)水壓達(dá)到臨界值時(shí)，在小孔邊界產(chǎn)生裂紋，根據(jù)小孔受力分析，由實(shí)測可得巖石破裂壓力、瞬間關(guān)閉壓力、重張壓力、裂紋方向，便可確定原巖應(yīng)力大小、最大水平主應(yīng)力方向和巖石抗拉強(qiáng)度；其裂紋方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，該方向用帶有方向測試裝置的窺視儀4確定(參見下面的D條內(nèi)容)。通過采集儀采集壓裂曲線，撤出地應(yīng)力測試裝置；D、隨后再將窺鏡5送入測試孔2內(nèi)，利用窺鏡5觀測出巖石的壓裂曲線并確定壓裂方向，退出窺鏡5；所述的巖石強(qiáng)度測定工作使用同一個(gè)測試孔，采用圍巖強(qiáng)度測定儀，通過高壓探針壓碎鉆孔巖體確定巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量，圍巖強(qiáng)度測定儀探頭系數(shù)采用統(tǒng)計(jì)方法在大量對比試驗(yàn)中確定。
E、通過安裝桿6送入圍巖強(qiáng)度測定儀，對測試孔2下半部圍巖強(qiáng)度進(jìn)行測定并記錄，完成全部測試。
上述方法中使用的水壓致裂地應(yīng)力測試裝置和圍巖強(qiáng)度測定儀為現(xiàn)有技術(shù)。
參見圖3～圖5，本發(fā)明一種所述的方法所使用的帶有側(cè)向裝置的深孔窺視儀，其特征在于包括電子窺鏡5、輸送桿3和主機(jī)(電路部分)4，電子窺鏡5連接在輸送桿3的下端，電子窺鏡5通過電纜與主機(jī)4連接。輸送桿3有多節(jié)通過螺紋同軸連接。
所述的電子窺鏡5包括外殼56、反光鏡52、孔壁攝像頭54、側(cè)向攝像頭55和側(cè)向指南針57，在圓筒形外殼56的下部側(cè)面設(shè)有透明的攝像窗口53，在該攝像窗口53周邊和側(cè)向攝像頭55周邊設(shè)有發(fā)光二極管58；所述的反光鏡52呈45度角安裝在所述的外殼56內(nèi)部面向攝像窗口53處，孔壁攝像頭54和側(cè)向攝像頭55背對背裝于所述的外殼內(nèi)的反光鏡52的上方(即附圖4中的右方)，其中孔壁攝像頭54面對所述的反光鏡52的反光面，側(cè)向攝像頭55面對設(shè)置在外殼內(nèi)部上方的指南針57；測試孔壁圖像信號該經(jīng)反光鏡52反射至孔壁攝像頭54，其作用是增大孔壁圖像面積和清晰度，同時(shí)更能適應(yīng)礦井淋水和濕度大的工作環(huán)境；該攝像頭的信號輸出端通過所述的電纜穿過上端輸送桿與所述的主機(jī)連接。
在所述的外殼56的外側(cè)設(shè)有沿外殼圓周分布的至少三個(gè)中心定位裝置51，用于將窺鏡5定位在不同直徑的測試孔的中心位，以得到清晰的圖像。
所述的孔壁攝像頭54和側(cè)向攝像頭55為常規(guī)結(jié)構(gòu)，包括物鏡和圖像傳感器，該圖像傳感器采用CCD電荷耦合器件。(參見圖3)當(dāng)然也可采用其它類型和技術(shù)參數(shù)的圖像傳感器。
所述的主機(jī)4包括(參見圖3)(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要功能是將圖像傳感器輸出的AV信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳送到圖像處理單元；(2)數(shù)字圖像處理單元分辯和解讀圖像數(shù)據(jù)，優(yōu)化圖像信號。其中包括白平衡，彩色平衡。伽瑪校正和邊緣矯正，數(shù)字壓縮，減少存儲空間；(3)圖像存儲器內(nèi)存SRAM內(nèi)存芯片(Flash Memory)，快閃存儲器，外存，可移動存儲器(SD卡)；(4)顯示器選用5英寸液晶AV顯示器。
權(quán)利要求
1.一種煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試方法，首先在作業(yè)地點(diǎn)鉆出一個(gè)測試孔，其特征在于在所述的測試孔進(jìn)行以下測試步驟(1)深孔圍巖結(jié)構(gòu)窺視用一種帶有側(cè)向裝置深孔窺視儀的窺鏡測試圍巖結(jié)構(gòu)參數(shù)；(2)水壓致裂地應(yīng)力測試在所述的測試孔內(nèi)用水壓致裂法快速測定原巖應(yīng)力狀態(tài)；(3)觀測出巖石的壓裂曲線和壓裂方向隨后再將所述的窺視儀窺鏡送入所述的測試孔內(nèi)，利用窺鏡上的定向裝置觀測出巖石的壓裂曲線并確定壓裂方向；(4)巖石強(qiáng)度測定在同一個(gè)巖孔內(nèi)測定圍巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試方法，其特征在于所述的深孔圍巖結(jié)構(gòu)窺視步驟包括利用所述的這種窺視儀測試圖像放大、方向定位、攝像和信息存貯；通過鉆孔對巷道圍巖結(jié)構(gòu)、層理、節(jié)理發(fā)育狀況進(jìn)行觀測、記錄、分析，可確定圍巖結(jié)構(gòu)的層理、節(jié)理大小、方位和分布狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試方法，其特征在于所述的水壓致裂法是在測試孔上部封閉一段鉆孔，注入高壓水，當(dāng)水壓達(dá)到臨界值時(shí)，在小孔邊界產(chǎn)生裂紋，根據(jù)小孔受力分析，由實(shí)測可得巖石破裂壓力、瞬間關(guān)閉壓力、重張壓力、裂紋方向，便可確定原巖應(yīng)力大小、最大水平主應(yīng)力作用方向和巖石抗拉強(qiáng)度；裂紋方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向，該方向用帶有方向測試裝置的窺視儀確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試方法，其特征在于所述的巖石強(qiáng)度測定工作使用同一個(gè)測試孔，采用圍巖強(qiáng)度測定儀，通過高壓探針壓碎鉆孔巖體確定巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量，圍巖強(qiáng)度測定儀探頭系數(shù)采用統(tǒng)計(jì)方法在大量對比試驗(yàn)中確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任何一項(xiàng)所述的方法所使用的裝備，水壓致裂地應(yīng)力測試裝置和圍巖強(qiáng)度測定儀，其特征在于還包括深孔窺視儀，該深孔窺視儀包括電子窺鏡、輸送桿和主機(jī)，電子窺鏡連接在輸送桿的下端，電子窺鏡通過電纜與主機(jī)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試裝備，其特征在于所述的電子窺鏡包括外殼、反光鏡、孔壁攝像頭、側(cè)向攝像頭和側(cè)向指南針，在圓筒形外殼的下部側(cè)面設(shè)有透明的攝像窗口，在該攝像窗口周邊設(shè)有發(fā)光二極管；所述的反光鏡呈度角安裝在所述的外殼內(nèi)部面向攝像窗口處，孔壁攝像頭和側(cè)向攝像頭背對背裝于所述的外殼內(nèi)的反光鏡的上方，其中孔壁攝像頭面對所述的反光鏡，側(cè)向攝像頭面對設(shè)置在外殼內(nèi)部上方的指南針；巖石孔壁圖像信號該經(jīng)反光鏡反射至孔壁攝像頭，其作用是增大孔壁圖像面積和清晰度，同時(shí)更能適應(yīng)礦井淋水和濕度大的工作環(huán)境；該攝像頭的信號輸出端通過所述的電纜穿過上端輸送桿與所述的主機(jī)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試裝備，其特征在于在所述的外殼外側(cè)設(shè)有中心定位裝置，用于將窺鏡定位在不同直徑的鉆孔的中心位，以得到清晰的圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試裝備，其特征在于所述的孔壁攝像頭和側(cè)向攝像頭包括物鏡和圖像傳感器，該圖像傳感器采用CCD電荷耦合器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試裝備，其特征在于所述的主機(jī)包括(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要功能是將圖像傳感器輸出的AV信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳送到圖像處理單元；(2)數(shù)字圖像處理單元分辯和解讀圖像數(shù)據(jù)，優(yōu)化圖像信號。其中包括白平衡，彩色平衡。伽瑪校正和邊緣矯正，數(shù)字壓縮，減少存儲空間；(3)圖像存儲器內(nèi)存SRAM內(nèi)存芯片(Flash Memory)，快閃存儲器，外存，可移動存儲器(SD卡)；(4)顯示器選用5英寸液晶AV顯示器。
全文摘要
一種煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試方法及裝備，在作業(yè)地點(diǎn)鉆出測試孔；用一種帶有側(cè)向裝置深孔窺視儀的窺鏡測試圍巖結(jié)構(gòu)參數(shù)；在所述的測試孔內(nèi)用水壓致裂法快速測定原巖應(yīng)力狀態(tài)；隨后再將所述的窺視儀窺鏡送入所述的測試孔內(nèi)，利用窺鏡上的定向裝置觀測出巖石的壓裂曲線并確定壓裂方向；在同一個(gè)鉆孔內(nèi)測定圍巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量。本發(fā)明的有益效果是提供了在一個(gè)巖孔內(nèi)用窺視儀、水壓致裂法和巖石強(qiáng)度測定儀進(jìn)行煤礦井下地質(zhì)力學(xué)參數(shù)快速測試的方法，該方法經(jīng)濟(jì)、快速。新型的窺視儀具有攝制鉆孔前方和側(cè)壁圖像并儲存的雙重功能，結(jié)構(gòu)合理簡單，功能可靠實(shí)用。
文檔編號E21C39/00GK1818337SQ20061006602
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者康紅普, 林健, 張曉 , 吳擁政 申請人:天地科技股份有限公司