吳志剛,單傳霞

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計分院,北京 100013)

水壓致裂地應(yīng)力測量中可視化定向裝置的設(shè)計

吳志剛1,2,單傳霞1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計分院,北京 100013)

Design for VisualOrientation Device in Geostress Survey with Hydrofracturing

在水壓致裂法地應(yīng)力測量中,可視化定向裝置取代印模器,可明顯提高地應(yīng)力方向測量精度,簡化測試儀器。介紹了定向裝置的構(gòu)成、各部分的主要功能等內(nèi)容。

水壓致裂;地應(yīng)力測量;可視化;定向裝置

水壓致裂法地應(yīng)力測量是目前進(jìn)行深部地應(yīng)力測量的一種主要方法。在測量中,如何保證測量數(shù)據(jù)的精度一直是國內(nèi)外學(xué)者近年來進(jìn)行深入探討的焦點。對于大多數(shù)地質(zhì)工程來講,傳統(tǒng)的水壓致裂地應(yīng)力測量的精度可以滿足要求,但在某些情況下,需要準(zhǔn)確了解地應(yīng)力的大小和方向時,傳統(tǒng)的水壓致裂應(yīng)力測量的精度就不夠了[1]。

水平主應(yīng)力的方向?qū)ο锏篮凸ぷ髅娌贾玫挠绊懩壳爸鸩降玫綇V大工程技術(shù)人員的認(rèn)可,并在工程實踐中逐步利用。

1 水壓致裂地應(yīng)力測量現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的水壓致裂地應(yīng)力測量中,壓裂裂隙的測量較多地使用印模器。印模器在其外面包裹一層可塑性橡皮或類似材料,將印模器連同加壓管路一起送入井下的水壓致裂部位,然后將印模加壓膨脹,以便使鉆孔壁上所有節(jié)理裂隙均印在印模器上,此印痕可保持足夠時間,以便提至井上后記錄下來。印模器裝有定向系統(tǒng),可以確定裂隙的方位。在一般情況下,水壓致裂裂隙為一組徑向相對的縱向裂隙,很容易辨認(rèn)出來。印模法測試過程繁瑣,有時不能得到較好結(jié)果,其主要缺點是定向器位置和壓力裂隙位置不在同一個水平面,給測量結(jié)果帶來一定的系統(tǒng)誤差。為準(zhǔn)確了解地應(yīng)力的大小和方向,研發(fā)了鉆孔可視化裝置,以替代印模器。

2 可視化定向裝置的設(shè)計

2.1 可視化定向裝置的構(gòu)成

鉆孔可視化技術(shù)的發(fā)展過程,由鉆孔照相、鉆孔攝像、數(shù)字式全景鉆孔照相,發(fā)展到數(shù)字式全景鉆孔攝像、鉆孔電視等技術(shù),其中數(shù)字式全景鉆孔攝像可以確定結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和裂隙寬度,但其方法有較大局限性。數(shù)字式全景鉆孔攝像技術(shù),是將柱面圖折射成平面圖后記錄,通過計算機技術(shù)處理,再展開為平面圖,經(jīng)過兩次變換,圖形產(chǎn)生較大的失真,不能分辨細(xì)小的裂紋,其在展開的柱面圖量取裂隙方向,存在較大的誤差[2-3]。因此數(shù)字式全景鉆孔攝像技術(shù)不適合水壓致裂法地應(yīng)力測量中裂隙方向的測量。

采用可視化定向裝置可以克服上述測試儀器的缺點,可以明顯提高地應(yīng)力方向測量精度,簡化測試儀器。圖 1為定向裝置的構(gòu)成圖。

圖1 可視化定向裝置構(gòu)成

可視化裝置主要有電子羅盤、激光發(fā)生器、攝像頭、中心定位裝置、接桿、傳輸線、羅盤顯示屏、影像顯示屏等多部份組成。接桿推動微型攝像機、電子羅盤、激光發(fā)生器、中心定位裝置沿著已有的巖體鉆孔移動。微型攝像頭實時掃描巖體鉆孔的影像,影像顯示器實時顯示微型攝像機掃描巖體鉆孔的影像并確定裂隙的存在,打開激光發(fā)生器,激光發(fā)生器發(fā)射一條激光線,調(diào)整接桿使激光線指向巖體裂隙,電子羅盤信號顯示屏實時顯示電子羅盤的方向即巖體裂隙的方向和傾角。

2.2 可視化定向裝置主要部件功能

(1)電子羅盤 羅盤傳感器判斷方向原理如圖2所示,霍爾傳感器A探測X方向,B探測Y方向的磁場。設(shè)某一時刻磁場的方向如圖 2所示,A、B探測到的磁場方向分別為 -a和 b[4]。通過微處理器計算分析可得到方位角θ值,電子羅盤具有RS485總線,能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 羅盤傳感器判斷方向原理

(2)激光發(fā)生器 通電后,激光發(fā)生器發(fā)射一條激光線,激光線和電子羅盤的基線在水平面的投影重合。

(3)中心定位裝置 保證電子羅盤中心和鉆孔中心重合,保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(4)攝像頭和影像顯示屏 實時顯示鉆孔的影像特征,確定裂隙的存在。

(5)羅盤顯示屏 顯示電子羅盤數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

(1)采用可視化定向裝置,可以大幅度提高測量精度。電子羅盤分辨率為 ±0.1°,測量準(zhǔn)確度±0.5°,重復(fù)性 ±0.2°。提高水壓致裂法地應(yīng)力測量中水平主應(yīng)力方向的精度,推動水壓致裂地應(yīng)力測量技術(shù)的發(fā)展。

(2)簡化地應(yīng)力測量中裂隙的測量方式,提高系統(tǒng)的可靠性。

(3)可視化定向裝置也可作為裂隙場分布場特征研究的儀器。

[1]李晉平,林 健 .水壓致裂法測量原巖應(yīng)力在潞安礦區(qū)的應(yīng)用 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005,33(3):39-41.

[2]丁 艷 .全方位視覺技術(shù)的綜述 [J].科技信息,2007 (34).

[3]肖 瀟,楊國光 .全景成像技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展 [J].光學(xué)儀器,2007,29(4):84-89.

[4]吳志剛,王興庫.數(shù)字指南針在地應(yīng)力測量中的設(shè)計與實現(xiàn)[A].煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所 .地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實踐新進(jìn)展 [C].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[責(zé)任編輯:張銀亮]

TD326.2

B

1006-6225(2010)03-0094-02

2009-10-15

吳志剛 (1976-),男,山東五蓮人,碩士,高級工程師,從事礦用儀器開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)研究。