超深鉆孔水壓致裂法巖體破裂縫無(wú)時(shí)限定向裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超深鉆孔水壓致裂法巖體破裂 縫無(wú)時(shí)限定向裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試是一種通過水壓致使巖體破裂，產(chǎn)生巖體破裂縫，獲得水 壓力參數(shù)和破裂縫方位，由此得到初始地應(yīng)力量值與方位的方法。其中的巖體破裂縫方位 通過水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試定向裝置獲得，該方位決定了最大水平主應(yīng)力方位。所以鉆孔 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試定向裝置，是鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試中的重要設(shè)備。目前，傳統(tǒng) 的鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試定向裝置主要是采用鉆孔測(cè)斜儀與鉆孔照相技術(shù)，該技術(shù)具 有受鉆孔孔深（孔深不超過500m)及定時(shí)器設(shè)定時(shí)間（約2小時(shí)）限制的局限性。目前我 國(guó)西部工程（如水利水電、交通、礦山等）面臨深埋、超深埋地下硐室建設(shè)問題，如錦屏二級(jí) 水電站深埋地下通常埋深在1000~2000m，最大埋深達(dá)2525m，深埋長(zhǎng)隧洞的洞線布置設(shè)計(jì) 及圍巖安全控制事關(guān)工程建設(shè)的成敗，其中初始地應(yīng)力是洞線布置設(shè)計(jì)及圍巖安全控制的 關(guān)鍵因素。對(duì)于深埋或超深埋地下工程，初始地應(yīng)力需采用鉆孔水壓致裂法測(cè)試，對(duì)超深 鉆孔（超500m)來說，傳統(tǒng)的定向裝置因受時(shí)間限制無(wú)法準(zhǔn)確完成巖體破裂縫定位，不再適 用。因此，為了真實(shí)地測(cè)定超深鉆孔部位的地應(yīng)力方位，有必要研發(fā)一種超深鉆孔水壓致裂 法巖體破裂縫無(wú)時(shí)限定向裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種超深鉆孔水壓致裂法巖體破裂縫無(wú)時(shí)限定向裝置，該 裝置能充分利用水壓致裂法設(shè)備（印模器）中的壓力，不受鉆孔孔深與時(shí)間的限制。待水 壓致裂法設(shè)備（印模器）下放至指定位置后，即可進(jìn)行加壓定向。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)是突破傳統(tǒng) 巖體破裂縫定向裝置的局限，不受鉆孔孔深與時(shí)間的限制，充分利用水壓致裂法設(shè)備（印 模器）中的壓力進(jìn)行破裂縫定向，能夠保證準(zhǔn)確測(cè)定深部工程初始地應(yīng)力的方位。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開的一種超深鉆孔水壓致裂法巖體破裂縫無(wú)時(shí)限 定向裝置，它包括定向羅盤，所述定向羅盤包括羅盤盒、設(shè)置在羅盤盒內(nèi)的指南針立軸、安 裝在指南針立軸上的指南針、設(shè)置在羅盤盒內(nèi)的杠桿支撐件、設(shè)置在杠桿支撐件上的杠桿， 所述杠桿的一端能定位指南針立軸，它還包括壓力室、設(shè)置在壓力室內(nèi)并與壓力室匹配的 活塞、固定在活塞底面中部的荷載傳動(dòng)軸、固定在壓力室底部的限位板、頂端固定在限位板 上的支撐桿、固定在支撐桿底端的支撐板、固定在荷載傳動(dòng)軸底面的橫梁、套在支撐桿上的 第一彈簧、固定在支撐板頂面邊緣的羅盤定位板、固定在橫梁底部并與羅盤定位板對(duì)應(yīng)的 頂針，其中，所述支撐板頂面中部固定連接定向羅盤的羅盤盒、所述羅盤定位板連接所述杠 桿的另一端，所述壓力室的頂部設(shè)有通水孔，壓力室的側(cè)壁底部設(shè)有排氣孔，所述限位板的 中部設(shè)有通孔，限位板的底面還固定有與通孔對(duì)應(yīng)的限位套筒，所述荷載傳動(dòng)軸穿過通孔 和限位套筒，所述第一彈簧的一端連接支撐板，第一彈簧的另一端連接橫梁；所述荷載傳動(dòng) 軸上設(shè)有定位槽，所述限位套筒上設(shè)有定位插銷安裝孔，所述定位插銷安裝孔內(nèi)通過第二 彈簧設(shè)置有能與定位槽配合的定位插銷。
[0005] -種利用上述超深鉆孔水壓致裂法巖體破裂縫無(wú)時(shí)限定向裝置進(jìn)行定向測(cè)試方 法，它包括如下步驟：
[0006] 步驟1 :將水壓致裂法印模器與該裝置的壓力室相連，水壓通過通水孔作用于活 塞上，從而推動(dòng)荷載傳動(dòng)軸向下運(yùn)動(dòng)；
[0007] 步驟2:荷載傳動(dòng)軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)軸下面的空氣通過排氣孔排氣，同時(shí)，荷載傳 動(dòng)軸與密封圈接觸以保持壓力室中的壓力；
[0008] 步驟3:荷載傳動(dòng)軸向下運(yùn)動(dòng)，活塞到達(dá)限位板時(shí)，定位插銷利用彈簧的作用插入 定位槽中，同時(shí)，與橫梁連接的頂針與羅盤定位板接觸，使得通過支撐桿和支撐板固定的定 向羅盤的指針亦以固定，然后測(cè)定水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試的破裂縫方向。
[0009] 本發(fā)明利用鉆孔水壓致裂法過程中印模器的壓力P，隨著P的增大直至達(dá)到定向 裝置荷載傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)臨界壓力P。，推動(dòng)荷載傳動(dòng)軸向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)荷載運(yùn)動(dòng)至限位板時(shí)，定位 插銷插入定位槽中，實(shí)現(xiàn)羅盤的準(zhǔn)確定向。
[0010] P彡P(guān)n
(1)
[0011]
[0012] 其中：P為印模器的壓力；
[0013]P。為定向裝置荷載傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)臨界壓力；
[0014] K為第一彈簧的彈性系數(shù)；
[0015]x為定向裝置荷載傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)距離；
[0016] 31為圓周率；
[0017]Di為定向裝置荷載傳動(dòng)軸活塞直徑。
[0018] 本發(fā)明利用鉆孔水壓致裂法過程中印模器的壓力，通過荷載傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)羅盤的準(zhǔn) 時(shí)、準(zhǔn)確定向。為隧道或地下硐室設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
[0019] 本發(fā)明突破了傳統(tǒng)巖體破裂縫定向裝置及測(cè)試方法的局限，不受鉆孔孔深（超 500m)與時(shí)間的限制，充分利用水壓致裂法設(shè)備（印模器）中的壓力進(jìn)行破裂縫定向，能夠 保證準(zhǔn)確測(cè)定深部工程初始地應(yīng)力的方位。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明中定向羅盤與羅盤定位板的連接關(guān)系示意圖；
[0022] 其中，1 一壓力室、2-荷載傳動(dòng)軸、3-排氣孔、4 一密封圈、5-限位板、6-支撐桿、 7一定位槽、8-定位插銷、9一橫梁、10-保護(hù)套、11一第一彈簧、12-定向羅盤、13-頂針、 14一支撐板、15-羅盤定位板、16-活塞、17-通孔、18-限位套筒、19 一通水孔、20-定位 插銷安裝孔、21-橫梁固定件、22-第二彈簧、23-指南針、24-羅盤盒、25-指南針立軸、 26-杠桿、27-杠桿支撐件。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0024] 本發(fā)明的超深鉆孔水壓致裂法巖體破裂縫無(wú)時(shí)限定向裝置，如圖1和2所述，它包 括定向羅盤12,所述定向羅盤12包括羅盤盒24、設(shè)置在羅盤盒24內(nèi)的指南針立軸25、安 裝在指南針立軸25上的指南針23、設(shè)置在羅盤盒24內(nèi)的杠桿支撐件27、設(shè)置在杠桿支撐 件27上的杠桿26,所述杠桿26的一端能定位指南針立軸25,它還包括壓力室1、設(shè)置在壓 力室1內(nèi)并與壓力室1匹配的活塞16、固定在活塞16底面中部的荷載傳動(dòng)軸2、固定在壓 力室1底部的限位板5、頂端固定在限位板5上的支撐桿6、固定在支撐桿6底端的支撐板 14、固定在荷載傳動(dòng)軸2底面的橫梁9 (通過橫梁固定件21固定）、套在支撐桿6上的第一 彈簧11、固定在支撐板14頂面邊緣的羅盤定位板15、固定在橫梁9底部并與羅盤定位板15 對(duì)應(yīng)的頂針13,其中，所述支撐板14頂面中部固定連接定向羅盤12的羅盤盒24、所述羅盤 定位板15連接所述杠桿26的另一端，所述壓力室1的頂部設(shè)有通水孔19,壓力室1的側(cè)壁 底部設(shè)有排氣孔3,所述限位板5的中部設(shè)有通孔17,限位板5的底面還固定有與通孔17 對(duì)應(yīng)的限位套筒18,所述荷載傳動(dòng)軸2穿過通孔17和限位套筒18,所述第一彈簧11的一 端連接支撐板14,第一彈簧11的另一端連接橫梁9 ;所述荷載傳動(dòng)軸2上設(shè)有定位槽7,所 述限位套筒18上設(shè)有定位插銷安裝孔20,所述定位插銷安裝孔20內(nèi)通過第二彈簧22設(shè)置 有能與定位槽7配合的定位插銷8。
[0025] 上述技術(shù)方案中，所述排氣孔3上方的壓力室1內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有密封圈4。
[0026] 上述技術(shù)方案中，所述限位套筒18的內(nèi)側(cè)壁上也設(shè)有密封圈4。
[0027] 上述技術(shù)方案中，所述通水孔19、荷載傳動(dòng)軸2和定向羅盤12為同軸設(shè)置。
[0028] 上述技術(shù)方案中，所述壓力室1的底部套有保護(hù)套10。所述保護(hù)套10罩住支撐板 14、支撐桿6和限位套筒18。
[0029] 上述技術(shù)方案中，壓力室1和活塞16與水