本發(fā)明屬于地應力測試技術領域，具體地講，特別涉及一種礦用水力壓裂法原巖應力測試裝置及其測試方法。

背景技術：

在漫長的地質年代里，由于地質構造運動等原因使地殼物質產(chǎn)生了內應力效應，這種應力稱為地應力，是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應力，也稱巖體初始應力、絕對應力或原巖應力。在采礦領域，由于礦井巷道的開掘、礦產(chǎn)資源開采造成采場應力分布不均，引發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出、底鼓、冒頂?shù)鹊V山災害，對安全生產(chǎn)造成極大的威脅。因此，需要對煤巖體的力學性質、瓦斯?jié)B流規(guī)律進行實驗室研究。地應力是引起巖體開挖工程變形和破壞的根本作用力，是進行圍巖穩(wěn)定性分析的必要前提條件，是控制煤與瓦斯突出的主要因素之一，煤層地應力參數(shù)是實驗室內研究煤巖體力學性質及滲透規(guī)律的基礎參數(shù)之一，對于瓦斯增透方法研究及及防治煤與瓦斯突出具有實際意義。因此，研究建立一種方便快捷可靠的地應力測試方法，對于采礦領域煤巖體穩(wěn)定性及滲流規(guī)律試驗研究是非常必要的。

目前，地應力的測量方法主要包括：扁千斤頂法、水力壓裂法、剛性包體應力計法、聲發(fā)射法、全應力解除法、局部應力解除法、中心鉆孔法、松弛應變測量法、孔壁崩落測量法、空心包體應變法、實心包體應變法、孔壁應變法、孔底應變法等。其中應用最為廣泛的是水力壓裂法，利用水壓致裂法測量原巖應力將不涉及巖石的物理力學性質，而完全由測量和記錄的壓力值來決定。

水力壓裂法地應力測試需要先在巖體中鉆孔，然后通過兩個封隔器封隔出一段鉆孔，再泵入液體對該段鉆孔施壓，直至巖體產(chǎn)生破裂，并繼續(xù)施加水壓擴張裂隙，直到裂隙擴張至3倍直徑深度，再卸壓使裂隙閉合后重新注入高壓水，使裂隙重新打開，這樣重復2-3次，以提高準確性；整個過程需要記錄壓力-時間曲線和流量-時間曲線。國內針對水力壓裂地應力測試的設備各式各樣，但是均存在以下不足：

(1)均采用電動高壓水泵進行產(chǎn)生并驅動高壓水，容易產(chǎn)生電火花，對于煤礦井下的瓦斯環(huán)境，存在瓦斯爆炸的安全隱患，因此該類設備在使用過程中必須取得煤安認證，且在現(xiàn)場應用過程中，如果對機電設備使用不當也會引起瓦斯爆炸事故；

(2)封隔器主要采用在橡膠套內注入高壓水或高壓氣體膨脹的方式，而巖體一般存在原生裂隙，膨脹的橡膠套僅能使封隔器與鉆孔孔壁密封，不能實現(xiàn)巖體裂隙的封閉，引起高壓水由巖體裂隙滲漏，達不到有效壓裂，不利于測量的準確；

(3)必須通過印模器、鉆孔電視等確定裂隙的方位，深入鉆孔內的結構復雜，使用不方便、成本高；

(4)傳統(tǒng)方法無法識別巖層裂隙擴展半徑，很難判斷水力壓裂裂隙擴張是否達到3倍直徑深度，測量誤差大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題之一在于提供一種安全、準確、使用方便的水力壓裂法原巖應力測試裝置。

本發(fā)明解決技術問題之一的技術方案如下：一種礦用水力壓裂法原巖應力測試裝置，包括高壓水管和高壓水供給系統(tǒng)，所述高壓水供給系統(tǒng)的輸出管與高壓水管的一端連接，所述高壓水管的另一端與外封隔器連接，所述外封隔器包括內端封閉的第一外管，在所述第一外管內穿設有內管，所述內管的外端與高壓水管固定密封連接，內管的內端穿過第一外管的封閉端并固定連接有壓裂管，在所述內管與第一外管之間留有容置腔，在所述容置腔內插裝有外活塞，所述外活塞呈與容置腔相匹配的管狀，外活塞的內端插入容置腔內，并且在所述第一外管的外端沿半徑方向插裝有至少一個一次性擋銷，所述一次性擋銷的內端穿過外活塞，在所述第一外管的管壁開有多個外出膠孔；在所述壓裂管上開有多個出水孔，所述壓裂管的內端封閉，在所述壓裂管的內端固定連接有內封隔器，所述內封隔器包括內端封閉的第二外管，在所述第二外管的內腔內插裝有活塞桿，所述活塞桿的外端與壓裂管的內端固定，活塞桿與第二外管的內腔相匹配，并且在所述第二外管的外端沿半徑方向插裝有至少一個一次性擋桿，所述一次性擋桿貫穿活塞桿的內端，在所述第二外管的管壁開有多個內出膠孔；還包括地質雷達。

采用上述結構，將內封隔器和外封隔器均設置成帶有腔體的結構，并通過一次性擋銷和一次性擋桿在內封隔器和外封隔器的腔體內固定活塞結構，既方便了整個測試裝置的安裝，又可以利用膠體對測試孔孔壁進行封閉，克服了橡膠套不能封閉測試孔孔壁裂隙的難題，顯著地提高了地應力測試的準確性；同時，采用地質雷達對裂隙進行探測，可以準確、及時地獲知裂隙方位和裂隙擴展深度，進一步顯著地提高了測試的準確性。

在所述第二外管的內端固定連接有支撐裝置，所述支撐裝置包括與第二外管同軸固定的安裝管，在所述安裝管上安裝有至少一組支撐輪組，每一支撐輪組包括周向均布的四個支撐輪。這樣設置支撐裝置對伸入測試孔內的管件進行支撐，有利于確保各個管件與測試孔的同軸度，進一步有利于測試準確性的提高。

在所述高壓水管的外端套裝有支撐套，所述支撐套呈圓筒狀，支撐套的外端周向延展形成環(huán)狀的限位部。支撐套的設置，可以在測試孔孔口對高壓水管進行支撐，進一步有利于提高各個管件與鉆孔的同軸度。

所述高壓水供給系統(tǒng)包括供水水箱、氣動液壓泵和緩沖水箱，在所述供水水箱上開有注水口和出水口，所述氣動液壓泵上設有進氣口、第一進液口和第一出液口，所述緩沖水箱上設有第二進液口和第二出液口，所述供水水箱的出水口通過管路與氣動液壓泵的第一進液口連通，所述氣動液壓泵的第一出液口通過管路與緩沖水箱的第二進液口連通，所述緩沖水箱的第二出液口通過管路與高壓水管連通，在所述緩沖水箱的第二出液口上還安裝有流量傳感器和壓力傳感器；所述氣動液壓泵的進氣口與煤礦井下壓風連接。高壓供水系統(tǒng)的結構簡單，采用井下壓風作為高壓水的動力源，不僅成本更低，而且避免了采用電機帶來的電火花隱患，顯著地提高了裝置的安全性。由于氣動液壓泵輸出流量與氣動活塞沖程有關，為了獲得持續(xù)的高壓水流，設置緩沖水箱確保向高壓水管壓入持續(xù)的高壓水。

在所述緩沖水箱內設有回形緩沖管路。進一步有利于對氣動液壓泵輸出的高壓水進行緩沖。

還包括轉運小車，所述供水水箱、氣動液壓泵和緩沖水箱均固定在轉運小車上。使用更加方便。

本發(fā)明所要解決的技術問題之二在于提供一種安全、準確的水力壓裂法原巖應力測試方法。

本發(fā)明解決技術問題之二的技術方案如下：包括解決技術問題之一所述的礦用水力壓裂法原巖應力測試裝置，還包括以下步驟：

步驟一、測試孔施工，用鉆機鉆孔施工出測試孔，測試孔的深度h與巷道寬度d之間滿足h≥3d；

步驟二、設備安裝，將環(huán)氧樹脂和固化劑按配比混合均勻制成膠體，將膠體灌入外封隔器的容器腔和內封隔器的內腔，并利用一次性擋銷和一次性擋桿安裝外活塞和活塞桿，然后將內封隔器、壓裂管、外封隔器和高壓水管裝入測試孔內；

步驟三、壓裂段封隔，對高壓水管施力，將內封隔器的一次性擋桿破壞，使活塞桿推入第二外管內，將內封隔器內腔里的膠體擠出；然后利用配套的推桿對外活塞施力，將外封隔器的一次性擋銷破壞，使外活塞推入第一外管內，將外封隔器容置腔里的膠體擠出，24小時后膠體完全固化；

步驟四、水力壓裂，膠體完全固化、且設備測試正常后，按照水力壓裂地應力測試法的要求對壓裂段施加水壓，同時利用地質雷達探測裂隙的擴展方向和深度，同時采集數(shù)據(jù)；

步驟五、數(shù)據(jù)整理，整理采集的數(shù)據(jù)繪制水壓-時間曲線和流量-時間曲線，計算地應力。

步驟二安裝設備之前，先用鋼管固定棉紗沾取酒精對鉆孔孔壁進行擦洗。

有益效果：本發(fā)明通過對裝置進行改造，使水力壓裂法原巖應力測試裝置可以利用膠體對鉆孔孔壁進行封閉，采用地質雷達對裂隙進行探測，并采用井下壓風作為高壓水的壓力源，從而顯著地提高了水力壓裂地應力測試法的準確性和安全性，具有構思巧妙、結構簡單、生產(chǎn)容易、使用方便等特點。

附圖說明

圖1為實施例一的結構示意圖。

圖2為圖1中鉆孔內結構的放大圖。

圖3為外封隔器的結構示意圖。

圖4為內封隔器的結構示意圖。

圖5為實施例二的結構示意圖。

圖中標記如下：供水水箱1、氣動液壓泵2、第一進液口2a、第一出液口2b、進氣口2c、緩沖水箱3、第二進液口3a、第二出液口3b、轉運小車4、高壓水管5、外封隔器6、外活塞601、第一外管602、內管603、一次性擋銷604、外出膠孔605、內封隔器7、活塞桿701、第二外管702、一次性擋桿703、內出膠孔704、支撐裝置8、安裝管801、支撐輪802、壓裂管9、出水孔9a、支撐套10、推桿11。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述的實施例示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述實施例是示例性的，旨在解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。下面結合附圖，通過對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的描述，使本發(fā)明的技術方案及其有益效果更加清楚、明確。

實施例一：

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明包括高壓水管5和高壓水供給系統(tǒng)，所述高壓水供給系統(tǒng)的輸出管與高壓水管5的一端連接。所述高壓水管5的另一端與外封隔器6連接，所述外封隔器6包括內端封閉的第一外管602。在所述第一外管602內穿設有內管603，所述內管603的外端與高壓水管5固定密封連接，內管603的內端穿過第一外管602的封閉端并固定連接有壓裂管9。在所述內管603與第一外管602之間留有容置腔，在所述容置腔內插裝有外活塞601，所述外活塞601呈與容置腔相匹配的管狀，外活塞601的內端插入容置腔內。并且，在所述第一外管602的外端沿半徑方向插裝有至少一個一次性擋銷604，所述一次性擋銷604的內端穿過外活塞601并插入內管603，但是，一次性擋銷604并不貫穿內管603的內壁。所述一次性擋銷604可以由鋁絲構成。在所述第一外管602的管壁開有多個外出膠孔605。實際使用時，還需要設置與外封隔器6配套的管狀推桿11，從而利用推桿11推動外活塞601向內移動。

如圖1、圖2和圖4所示，在所述壓裂管9上開有多個出水孔9a。所述壓裂管9的內端封閉，在所述壓裂管9的內端固定連接有內封隔器7，所述內封隔器7包括內端封閉的第二外管702，在所述第二外管702的內腔內插裝有活塞桿701。所述活塞桿701的外端與壓裂管9的內端固定，活塞桿701與第二外管702的內腔相匹配。并且，在所述第二外管702的外端沿半徑方向插裝有至少一個一次性擋桿703，所述一次性擋桿703貫穿活塞桿701的內端，在所述第二外管702的管壁開有多個內出膠孔704。所述一次性擋桿703可以由鋁絲構成。

所述一次性擋銷604和一次性擋桿703是為了在進行設備安裝的時候，不擠出膠體設置的；當設備安裝完成后，需要將一次性擋銷604和一次性擋桿703破壞，使膠體擠出。所述一次性擋銷604和一次性擋桿703的數(shù)量根據(jù)所選材料的力學參數(shù)確定，在此不做限制，可以是均為一根，也可以是周向均布多根。為了避免膠體進入水力壓裂測試段鉆孔內，所述內封隔器7第二外管702和外封隔器6第一外管602的外壁與鉆孔孔壁應滿足間隙配合的條件，或者在內封隔器7的外端和外封隔器6的內端固套有橡膠圈，橡膠圈的外壁與鉆孔孔壁接觸。

如圖1和圖2所示，在所述第二外管702的內端固定連接有支撐裝置8，所述支撐裝置8包括與第二外管702同軸固定的安裝管801，在所述安裝管801上安裝有至少一組支撐輪組，每一支撐輪組包括周向均布的四個支撐輪802。本實施例優(yōu)選所述支撐輪組沿安裝管801的長度方向均布有四個。在所述高壓水管5的外端套裝有支撐套10，所述支撐套10呈圓筒狀，支撐套10的外端周向延展形成位于鉆孔外的環(huán)狀限位部。

如圖1所示，所述高壓水供給系統(tǒng)包括供水水箱1、氣動液壓泵2和緩沖水箱3。在所述供水水箱1上開有注水口和出水口，在所述注水口和出水口均設置有雜質過濾器。所述氣動液壓泵2上設有進氣口2c、第一進液口2a和第一出液口2b，所述緩沖水箱3上設有第二進液口3a和第二出液口3b。所述供水水箱1的出水口通過管路與氣動液壓泵2的第一進液口2a連通，并且在供水水箱1與氣動液壓泵2之間的管路上安裝有水閥和水壓表，分別用于控制供給水量和實時顯示供水水箱1的水壓。所述氣動液壓泵2的第一出液口2b通過管路與緩沖水箱3的第二進液口3a連通，并且在氣動液壓泵2與緩沖水箱3之間的管路上也安裝有水壓表，用于實時顯示氣動液壓泵2的輸出水壓。所述緩沖水箱3的第二出液口3b通過管路與高壓水管5連通，在所述緩沖水箱3的第二出液口3b上還安裝有流量傳感器和壓力傳感器，所述流量傳感器和壓力傳感器均與數(shù)據(jù)采集儀連接。所述氣動液壓泵2的進氣口2c與煤礦井下壓風連接，并且在井下壓風與氣動液壓泵2進氣口2c之間的管路上安裝有干燥器、壓力表和閥門，分別用于干燥氣體、實時顯示驅動氣壓壓力、以及控制氣體流量。所述煤礦井下壓風為從煤礦井下壓風系統(tǒng)分支出的帶有壓風風源的壓風管，在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，壓風系統(tǒng)是必備的生產(chǎn)子系統(tǒng)，壓風系統(tǒng)利用礦井的壓風風源，向井下供風，這是本領域技術人員所熟知的結構，在此不做贅述。

如圖1所示，在所述緩沖水箱3內設有回形緩沖管路。還包括轉運小車4，所述供水水箱1、氣動液壓泵2和緩沖水箱3均固定在轉運小車4上。還包括地質雷達，所述地質雷達選用市面上的防爆型地質雷達，主要包括雷達主機和接受天線。其中，雷達主機的發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標體就會發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號并將其數(shù)字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來。對所采集的數(shù)據(jù)進行相應的處理后，可根據(jù)反射波的旅行時間、幅度和波形判斷地下目標體的空間位置、結構及其分布。這種地質雷達具有高分變形、高效率、無損探測、結果直觀的特點，多用于礦產(chǎn)資源勘探、地質缺陷檢測、隧道襯砌空洞檢測、樁基缺陷檢測等。

實施例二：

如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本實施例包括實施例一所述的結構，還包括以下步驟：

步驟一、測試孔施工，用鉆機鉆孔施工出測試孔，測試孔的深度h與巷道寬度d之間滿足h≥3d。

步驟二、設備安裝，將環(huán)氧樹脂和固化劑按配比混合均勻制成膠體，將膠體灌入外封隔器6的容器腔和內封隔器7的內腔，并利用一次性擋銷604和一次性擋桿703安裝外活塞601和活塞桿701，然后將內封隔器7、壓裂管9、外封隔器6和高壓水管5裝入測試孔內。所述環(huán)氧樹脂和固化劑混合后形成的膠體完全固化后可用于巖體黏合，其抗剪強度高達108MPa。環(huán)氧樹脂和固化劑混合的比例為現(xiàn)有技術，只需要滿足混合后形成的膠體在1個小時內初凝、2-3小時后基本固化、24小時后完全固化即可，在此不做贅述。

步驟三、壓裂段封隔，對高壓水管5施力，使高壓水管5向內推動，將內封隔器7的一次性擋桿703破壞，使活塞桿701推入第二外管702內，將內封隔器7內腔里的膠體擠出；然后利用配套的推桿11對外活塞601施力，將外封隔器6的一次性擋銷604破壞，使外活塞601推入第一外管602內，將外封隔器6容置腔里的膠體擠出。

步驟四、水力壓裂，膠體完全固化、且設備測試正常后，按照水力壓裂地應力測試法的要求對壓裂段施加水壓，同時利用地質雷達探測裂隙的擴展方向和深度，同時采集數(shù)據(jù)。

步驟五、數(shù)據(jù)整理，整理采集的數(shù)據(jù)繪制水壓-時間曲線和流量-時間曲線，計算地應力。

在步驟二安裝設備之前，先用鋼管固定棉紗沾取酒精對鉆孔孔壁進行擦洗。