水压致裂地应力测量中可视化定向装置的设计

吴志刚,单传霞

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计分院,北京 100013)

水压致裂地应力测量中可视化定向装置的设计

吴志刚1,2,单传霞1,2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计分院,北京 100013)

Design for VisualOrientation Device in Geostress Survey with Hydrofracturing

在水压致裂法地应力测量中,可视化定向装置取代印模器,可明显提高地应力方向测量精度,简化测试仪器。介绍了定向装置的构成、各部分的主要功能等内容。

水压致裂;地应力测量;可视化;定向装置

水压致裂法地应力测量是目前进行深部地应力测量的一种主要方法。在测量中,如何保证测量数据的精度一直是国内外学者近年来进行深入探讨的焦点。对于大多数地质工程来讲,传统的水压致裂地应力测量的精度可以满足要求,但在某些情况下,需要准确了解地应力的大小和方向时,传统的水压致裂应力测量的精度就不够了[1]。

水平主应力的方向对巷道和工作面布置的影响目前逐步得到广大工程技术人员的认可,并在工程实践中逐步利用。

1 水压致裂地应力测量现状

在传统的水压致裂地应力测量中,压裂裂隙的测量较多地使用印模器。印模器在其外面包裹一层可塑性橡皮或类似材料,将印模器连同加压管路一起送入井下的水压致裂部位,然后将印模加压膨胀,以便使钻孔壁上所有节理裂隙均印在印模器上,此印痕可保持足够时间,以便提至井上后记录下来。印模器装有定向系统,可以确定裂隙的方位。在一般情况下,水压致裂裂隙为一组径向相对的纵向裂隙,很容易辨认出来。印模法测试过程繁琐,有时不能得到较好结果,其主要缺点是定向器位置和压力裂隙位置不在同一个水平面,给测量结果带来一定的系统误差。为准确了解地应力的大小和方向,研发了钻孔可视化装置,以替代印模器。

2 可视化定向装置的设计

2.1 可视化定向装置的构成

钻孔可视化技术的发展过程,由钻孔照相、钻孔摄像、数字式全景钻孔照相,发展到数字式全景钻孔摄像、钻孔电视等技术,其中数字式全景钻孔摄像可以确定结构面的产状和裂隙宽度,但其方法有较大局限性。数字式全景钻孔摄像技术,是将柱面图折射成平面图后记录,通过计算机技术处理,再展开为平面图,经过两次变换,图形产生较大的失真,不能分辨细小的裂纹,其在展开的柱面图量取裂隙方向,存在较大的误差[2-3]。因此数字式全景钻孔摄像技术不适合水压致裂法地应力测量中裂隙方向的测量。

采用可视化定向装置可以克服上述测试仪器的缺点,可以明显提高地应力方向测量精度,简化测试仪器。图 1为定向装置的构成图。

图1 可视化定向装置构成

可视化装置主要有电子罗盘、激光发生器、摄像头、中心定位装置、接杆、传输线、罗盘显示屏、影像显示屏等多部份组成。接杆推动微型摄像机、电子罗盘、激光发生器、中心定位装置沿着已有的岩体钻孔移动。微型摄像头实时扫描岩体钻孔的影像,影像显示器实时显示微型摄像机扫描岩体钻孔的影像并确定裂隙的存在,打开激光发生器,激光发生器发射一条激光线,调整接杆使激光线指向岩体裂隙,电子罗盘信号显示屏实时显示电子罗盘的方向即岩体裂隙的方向和倾角。

2.2 可视化定向装置主要部件功能

(1)电子罗盘 罗盘传感器判断方向原理如图2所示,霍尔传感器A探测X方向,B探测Y方向的磁场。设某一时刻磁场的方向如图 2所示,A、B探测到的磁场方向分别为 -a和 b[4]。通过微处理器计算分析可得到方位角θ值,电子罗盘具有RS485总线,能够进行远距离数据传输。

图2 罗盘传感器判断方向原理

(2)激光发生器 通电后,激光发生器发射一条激光线,激光线和电子罗盘的基线在水平面的投影重合。

(3)中心定位装置 保证电子罗盘中心和钻孔中心重合,保证测量结果的准确性。

(4)摄像头和影像显示屏 实时显示钻孔的影像特征,确定裂隙的存在。

(5)罗盘显示屏 显示电子罗盘数据。

3 结束语

(1)采用可视化定向装置,可以大幅度提高测量精度。电子罗盘分辨率为 ±0.1°,测量准确度±0.5°,重复性 ±0.2°。提高水压致裂法地应力测量中水平主应力方向的精度,推动水压致裂地应力测量技术的发展。

(2)简化地应力测量中裂隙的测量方式,提高系统的可靠性。

(3)可视化定向装置也可作为裂隙场分布场特征研究的仪器。

[1]李晋平,林 健 .水压致裂法测量原岩应力在潞安矿区的应用 [J].煤炭科学技术,2005,33(3):39-41.

[2]丁 艳 .全方位视觉技术的综述 [J].科技信息,2007 (34).

[3]肖 潇,杨国光 .全景成像技术的现状和进展 [J].光学仪器,2007,29(4):84-89.

[4]吴志刚,王兴库.数字指南针在地应力测量中的设计与实现[A].煤炭科学研究总院北京开采研究所 .地下开采现代技术理论与实践新进展 [C].北京:煤炭工业出版社,2007.

[责任编辑:张银亮]

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1006-6225(2010)03-0094-02

2009-10-15

吴志刚 (1976-),男,山东五莲人,硕士,高级工程师,从事矿用仪器开发与应用技术研究。