CN221485054U - 一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，属于地应力测试技术领域，解决了现有技术中测试精度低以及测试条件苛刻的问题。其包括用于向外扩展并撑裂孔洞的致裂组件，致裂组件的一侧设置有测试模组，所述测试模组包括安装板以及驱动安装板绕致裂组件轴线转动的驱动机构，安装板上安装有相机、水平仪和指向板，且指向板的长度方向与致裂组件的轴线方向垂直。设置致裂组件撑裂孔洞，由测试模组中的相机观测指向板指向裂缝时，水平仪的相关角度数据，再结合致裂组件的所产生的挤压力大小，计算得到地应力的数据，本设备能够高精度地测量巷道和隧道的相关数据，操作简单，对围岩的完整性要求较低。
Description
技术领域
本实用新型属于地应力测试技术领域，具体属于一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备。
背景技术
地应力存在于地壳中的应力。即由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。它一般包括两部分：(1)由覆盖岩石的重量引起的应力，它是由引力和地球自转惯性离心力引起的；(2)由邻近地块或底部传递过来的构造应力。这种应力是指与标准状态差异的部分，它除包括由邻近地块或底部传来的现代构造应力外，还包括过去构造运动残留下来而尚未完全松弛掉的残留应力，以及附近人为工程(如隧洞、开采面)引起的应力变化。构造应力直接反映地壳运动的动力源，它是造成地震的一个重要因素。在构造应力强烈的地区开挖隧洞，由于洞壁成为自由表面容易变形，使洞体逐渐缩小或造成坍塌，因此研究地应力具有重要的意义。
地应力是造成巷道和隧道破坏的根本原因。目前，巷道和隧道的方向与支护设计逐渐趋向于现代化和数字化，这对地应力数据的精确度提出了进一步的要求。现有地应力测试技术主要包括间接测量法和直接测量法，其中，间接测量法包括应力解除法、孔径变形法、孔壁应变法以及空心包体法。间接测量法的核心在于破坏岩芯与原有岩体之间的联系，解除岩芯的应力；测量岩芯弹性恢复变形；根据广义胡克定律测算出原有地应力大小。间接测量法具有测量精度高和理论成熟的优点，但孔壁常出现裂隙，导致应变片与岩芯的胶结性能受损，影响测试结果。为了克服应变片胶结性能差的不足，直接测量法测地应力技术应运而生，并衍生出了扁千斤顶法、刚性包体应力计法、水力压裂法和声发射法。直接测量法适用于较为完整的脆性岩体，具有经济测量深部应力的优点。但水力压裂法只能测量垂直钻孔平面内的最大和最小主应力，本质上属于二维应力测量方法；并且对于含有孔隙分布的岩石而言，液体容易出现漏液的情况，直接影响测试精度。综上所述，现有的地应力测试设备测试精度低以及测试条件苛刻。
实用新型内容
针对上述问题,本实用新型的目的在于提供一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，设置致裂组件撑裂孔洞，由测试模组中的相机观测指向板指向裂缝时，水平仪的相关角度数据，再结合致裂组件的所产生的挤压力大小，计算得到地应力的数据，本设备能够高精度地测量巷道和隧道的相关数据，操作简单，对围岩的完整性要求较低。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，包括用于向外扩展并撑裂孔洞的致裂组件，致裂组件的一侧设置有测试模组，所述测试模组包括安装板以及驱动安装板绕致裂组件轴线转动的驱动机构，安装板上安装有相机、水平仪和指向板，且指向板的长度方向与致裂组件的轴线方向垂直。
优选的，所述致裂组件设置有至少两个，且测试模组位于两个致裂组件之间。
优选的，所述致裂组件包括液压筒，液压筒连接有数个沿液压筒周向布置的液压伸缩杆，液压伸缩杆的顶端连接有弧形顶板。
优选的，所述液压筒的轴心处连通有连接管，连接管中设置有阀门，连接管连接有高压油泵。
优选的，所述连接管连接有压力表。
优选的，所述驱动机构包括套设在连接管上的固定环，固定环沿周向开设有滑槽，滑槽中设置有与安装板连接的滑轨电机。
优选的，所述固定环具有弹性，固定环开设有将固定环断开的缺口，固定环的首尾两端均连接有突出固定环的连接板，连接板上活动贯穿有螺杆，螺杆上螺纹套设有螺母。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
设置致裂组件撑裂孔洞，由测试模组中的相机观测指向板指向裂缝时，水平仪的相关角度数据，再结合致裂组件的所产生的挤压力大小，计算得到地应力的数据，本设备能够高精度地测量巷道和隧道的相关数据，操作简单，对围岩的完整性要求较低。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例提供的整体结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的致裂组件结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的测试模组结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的测试模组俯视示意图。
附图说明：1-致裂组件；11-液压筒；12-液压伸缩杆；13-弧形顶板；2-连接管；3-测试模组；31-固定环；32-滑槽；33-螺母；34-连接板；35-滑轨电机；36-水平仪；37-安装板；38-相机；39-螺杆；310-指向板；4-压力表；5-阀门；6-高压油泵。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
下面结合图1-图4对本实用新型作详细说明。
实施例
一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，如图1、3和4所示，包括用于向外扩展并撑裂孔洞的致裂组件1，致裂组件1的一侧设置有测试模组3，测试模组3包括安装板37以及驱动安装板37绕致裂组件1轴线转动的驱动机构，安装板37上安装有相机38、水平仪36和指向板310，且指向板310的长度方向与致裂组件1的轴线方向垂直。
相机38为广角相机，可同时查看到水平仪36和指向板310。
致裂组件1设置有至少两个，测试模组3位于两个致裂组件1之间，使测试模组3的相机38可以观察到清晰的裂缝，便于指向板310指向裂缝。
如图2所示，致裂组件1包括液压筒11，液压筒11连接有数个沿液压筒11周向布置的液压伸缩杆12，液压伸缩杆12的顶端连接有弧形顶板13。液压油从液压筒11进入到液压伸缩杆12中，使液压伸缩杆12伸长并推动弧形顶板13向外扩展，从而顶裂孔洞产生裂缝。
液压筒11的轴心处连通有连接管2，连接管2中设置有阀门5，连接管2连接有高压油泵6。致裂组件1、连接管2和高压油泵6位于同一轴线上，可采用钻机推送本设备，省去人工推送操作。
连接管2连接有压力表4。压力表4监测连接管2中液压油的压力，从而可以得到致裂组件的所产生的挤压力大小。
驱动机构包括套设在连接管2上的固定环31，固定环31沿周向开设有滑槽32，滑槽32中设置有与安装板37连接的滑轨电机35。滑轨电机35可以沿着滑槽32移动，从而带动安装板37绕致裂组件1轴线转动。
固定环31具有弹性，固定环31开设有将固定环31断开的缺口，固定环31的首尾两端均连接有突出固定环31的连接板34，连接板34上活动贯穿有螺杆39，螺杆39上螺纹套设有螺母33。固定环31通过螺杆39和螺母33固定在连接管2上，在需要时可将固定环31拆卸下并更换相关的零件。安装板37还设置有电池，电池给滑轨电机35和相机38提供电力。
本设备的测试方法为：
第一步：钻1号孔，选择合适的测试地点，采用钻机打孔，孔深不低于巷道断面的3倍，消除巷道应力集中对地应力测试的影响；
第二步：设备组装，将地应力测试设备按照致裂组件1、测试模组3、致裂组件1、压力表4、和高压油泵6的顺序组装好，采用钻机将测试设备推送进孔中；
第三步：加压，开启高压油泵6和压力表4，打开阀门5释放出高压油，高压油通过连接管2进入液压筒11中，使得液压伸缩杆12带动弧形顶板13向外延伸，持续加压，直至液压油的压力变化规律趋于平缓，记录全程的液压油压力数值，得到平面最大主应力和最小主应力的计算公式为：
其中，Pmin为最小主应力，MPa；Pmax为最大主应力，Pr为稳定阶段峰值应力，MPa；Pb为首次峰值应力，MPa；T为岩石抗拉强度，MPa。
第四步：卸压，关闭高压油泵6，将设备中的液压油回收进高压油泵6中，当压力表中数值接近0时关闭阀门5和压力表4；
第五步：调平，控制测试模块3，调整滑轨电机35，使得相机38观测中的水平仪36水平，记录角度γ1；
第六步：测致裂角度，调整滑轨电机35，使得相机38观测中的指向板310指向裂纹，记录角度γ2，得到裂纹角度公式为：
γ＝γ2-γ1
第七步：拆除设备，使用钻机将整个设备拔出，1号孔的地应力测试过程结束；
第八步：计算孔平面应力，以孔轴线方向为x方向，采用右手法则建立坐标系xyz，得到应力的计算公式为：
其中，σ为正应力，MPa，τ为剪应力，MPa；
第九步：改变钻机竖直方向的倾角α，在测试点进行2号孔的钻孔作业；
重复第二至第七步的作业，得到2号孔的应力计算公式为：
第十步：改变钻机的水平转角β，在测试点进行第3号孔的钻孔作业；
重复第二至第七步的作业，得到3号孔的应力计算公式为：
第十一步：整合上述公式，整理可得全部的应力分量。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，其特征在于，包括用于向外扩展并撑裂孔洞的致裂组件(1)，致裂组件(1)的一侧设置有测试模组(3)，所述测试模组(3)包括安装板(37)以及驱动安装板(37)绕致裂组件(1)轴线转动的驱动机构，安装板(37)上安装有相机(38)、水平仪(36)和指向板(310)，且指向板(310)的长度方向与致裂组件(1)的轴线方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，其特征在于，所述致裂组件(1)设置有至少两个，且测试模组(3)位于两个致裂组件(1)之间。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，其特征在于，所述致裂组件(1)包括液压筒(11)，液压筒(11)连接有数个沿液压筒(11)周向布置的液压伸缩杆(12)，液压伸缩杆(12)的顶端连接有弧形顶板(13)。
4.根据权利要求3所述的一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，其特征在于，所述液压筒(11)的轴心处连通有连接管(2)，连接管(2)中设置有阀门(5)，连接管(2)连接有高压油泵(6)。
5.根据权利要求4所述的一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，其特征在于，所述连接管(2)连接有压力表(4)。
6.根据权利要求4所述的一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，其特征在于，所述驱动机构包括套设在连接管(2)上的固定环(31)，固定环(31)沿周向开设有滑槽(32)，滑槽(32)中设置有与安装板(37)连接的滑轨电机(35)。
7.根据权利要求6所述的一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备，其特征在于，所述固定环(31)具有弹性，固定环(31)开设有将固定环(31)断开的缺口，固定环(31)的首尾两端均连接有突出固定环(31)的连接板(34)，连接板(34)上活动贯穿有螺杆(39)，螺杆(39)上螺纹套设有螺母(33)。
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| CN202323057514.4U CN221485054U (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备 |
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Cited By (1)
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| CN117347180A (zh) * | 2023-11-13 | 2024-01-05 | 成都理工大学 | 一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备及方法 |
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2023
- 2023-11-13 CN CN202323057514.4U patent/CN221485054U/zh active Active
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| CN117347180B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-10-15 | 成都理工大学 | 一种坚硬岩石巷道和隧道的地应力测试设备及方法 |
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