一种可视化的水压致裂法地应力测试系统及测试方法

本申请涉及地应力测试系统，具体是指一种可视化的水压致裂法地应力测试系统及测试方法。

背景技术：

1、地应力测试是工程岩体稳定性分析及工程设计的重要参数，主要靠实测求得，特别是构造活动较强烈及地形起伏复杂的地区。由于应力不能直接测得，只能通过测量应力变化引起的诸如位移、应变等物理量的变化值，然后基于某种假设反算出应力值。因此，国内外使用的所有应力测量方法，都是在平硐壁面或地表露头面上打钻孔或刻槽，引起应力扰动，然后用探头测量由应力扰动而产生的各种物理量变化值的方法来实现。

2、地应力测试法包括应力解除法、应力恢复法和水压致裂法，以水压致裂法为例，水压致裂法是一种利用水的压力作用，通过施加一定的水压将岩石破裂，从而测得地应力分布的地应力测量方法。现有技术中的部分测试装置为简单的摄像仪监测，裂隙的成像仍需靠印模器的作用，测得的地应力为测压段整体的地应力，无法得知具体裂隙测量点的应力值；部分方案中，拍摄仪的数据传输依靠数据传输线，而数据传输线裸露于岩石孔中，易受碎石堕落的破坏，导致可视化的中断；部分方案中，钻杆长度为固定长度，无法根据现场的具体情况进行临时的调整。

3、此外，现有技术中的另一部分测试装置虽然采取光学成像，但需和传统的裂隙记录装置印模器相配合，仍需将仪器设备取出后再放入印模器，测试步骤比较复杂，该方案中光学成像原理需依靠光源，光源的位置变化和偶然掉落会给测验带来误差。

技术实现思路

1、本申请目的在于提供一种可视化的水压致裂法地应力测试系统及测试方法，用于通过可视化数显扫描实现裂隙形态的二维平面化，以此可代替传统的印模器成像。

2、本申请通过下述技术方案实现：

3、一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，包括钻孔，还包括信号连接的测试模块、交互模块以及加压模块，测试时，所述测试模块置于所述钻孔内，所述测试模块包括沿钻孔方向依次设置的钻杆、第一封隔单元、第一锚固单元、调节单元、第二锚固单元以及第二封隔单元，所述第一锚固单元靠近第二锚固单元的一侧设置有与所述交互模块信号连接的采集单元，所述测试模块内还集成有与所述采集单元信号连接的数显单元，所述第一锚固单元与第二锚固单元之间形成用于地应力测试的水力压裂段，所述采集单元用于采集水力压裂段的测算信息，所述数显单元对接收到测算信息进行数字化处理，并将输出的实时画面、裂隙的三维裂隙的三维柱坐标、裂隙的平面坐标以及水压—时间图显示在交互模块内。

4、一种可视化的水压致裂法地应力测试方法，包括以下步骤：步骤1，钻孔取芯，对待测试区域进行钻孔作业得到钻孔；步骤2，下放设备，将测试模块安装至步骤1得到的钻孔内；步骤3，寻找区段，通过交互模块寻找无原生裂隙的适压区段，若无适压区段，则调整调节单元长度，循环该步骤至寻找到适压区段；步骤4，快速锚固，启动第一锚固单元与第二锚固单元，将两者内部的锚杆锚固在岩壁上；步骤5，封隔压裂，通过加压模块对第一封隔单元、第二封隔单元进行输液加压，完成两者的膨胀过程，再通过加压模块对水力压裂段进行输水加压；步骤6，循环加压，通过加压模块对水力压裂段进行输液后，再进行加压、卸荷、加压循环操作，循环次数3次至5次，并测重张压力值；步骤7，数显集成，通过采集单元对水力压裂段孔壁的裂隙测量点进行扫描，并反馈传输至交互模块，交互模块内输出显示实时画面、裂隙的三维柱坐标、裂隙的平面坐标以及水压—时间图；步骤8，数据分析，对交互模块显示的信息进行分析统计；步骤9，卸荷作业，通过加压模块对水力压裂段进行卸荷；步骤10，关闭封隔，通过加压模块对第一封隔单元、第二封隔单元进行卸荷并抽水排空；步骤11，取出锚固，控制第一锚固单元与第二锚固单元内部的锚杆，取消其在岩壁上的锚固；步骤12，取出设备，回收清理钻孔内的测试模块。

5、本申请与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

6、1、本申请通过将测试模块伸入钻孔中，再通过测试模块内的采集单元采集到各项量化信息，并对各项量化信息进行计算得到各项测算信息，数显单元接收到测算信息后进行实时处理，并在交互模块上输出实时画面、裂隙的三维柱坐标、裂隙的平面坐标以及水压—时间图显示，通过上述过程，能够有效地实现钻孔内裂隙的可视化，且能够得到裂隙测量点的三维坐标，并能够将三维坐标无损地变换为二维坐标，以此完全代替传统的印模器成像；

7、2、本申请的数字化处理过程，其能够接收来自多组测量单元（包括摄像头、测距仪以及角度传感器）的复杂数据，并进行高效的同步处理与实时分析；上述过程不仅能精确地转换和校准测距仪、角度传感器以及摄像头收集的原始数据，还能综合考虑折射率、壁厚和其他影响测量的因素进行校正，以确保数据的准确性。此外，可以理解的是，该过程还具备较强的数据处理能力，能够以数显形式直观展示各项测量结果，包括但不限于距离、角度、光程等关键参数，这种高级的数字化处理能力显着提升了数据的可读性和易用性，大大减少了人工解读的错误和时间成本，同时增强了对复杂测量环境的适应性，从而有效提升了地应力测试的效率和精确度；

8、3、本申请三维坐标到二维坐标的变换过程不仅能够通过数学算法精确地将空间中的点映射到二维平面上，而且考虑了实际测量中的误差与复杂因素，例如地表不均匀性和设备本身的测量误差；通过这样的处理，数显单元可以为用户提供直观、易于理解的二维裂隙分布图，大大简化了数据解读过程，提高了对裂隙发展态势的认知效率。

技术特征：

1.一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，包括钻孔，其特征在于：还包括信号连接的测试模块、交互模块（1）以及加压模块（10），测试时，所述测试模块置于所述钻孔内，所述测试模块包括沿钻孔方向依次设置的钻杆（3）、第一封隔单元（4）、第一锚固单元（8）、调节单元（11）、第二锚固单元（9）以及第二封隔单元（5），所述第一锚固单元（8）靠近第二锚固单元（9）的一侧设置有与所述交互模块（1）信号连接的采集单元（7），所述测试模块内还集成有与所述采集单元（7）信号连接的数显单元，所述第一锚固单元（8）与第二锚固单元（9）之间形成用于地应力测试的水力压裂段，所述采集单元（7）用于采集水力压裂段的测算信息，所述数显单元对接收到测算信息进行数字化处理，并将输出的实时画面、裂隙的三维裂隙的三维柱坐标、裂隙的平面坐标以及水压—时间图显示在交互模块（1）内。

2.根据权利要求1所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述采集单元（7）包括若干组间隔均布的摄像头（71）、测距仪（72）以及角度传感器，角度传感器包括第一角度传感器、第二角度传感器，所述第一锚固单元（8）靠近所述水力压裂段的一侧设置有第一标准块（84），所述第二锚固单元（9）靠近所述水力压裂段的一侧设置有第二标准块（91）；

3.根据权利要求2所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述数显单元对接收到的测算信息的数字化处理过程满足：

4.根据权利要求3所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述校正包括对水力压裂段钻杆（3）的长度校正以及测距仪（72）到裂隙测量点（14）几何距离校正。

5.根据权利要求3所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述数显单元对接收到的测算信息的数字化处理过程还包括将裂隙的三维柱坐标值变换为二维平面坐标值，变换过程满足：

6.根据权利要求4所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述数字化处理过程中输出的三维柱坐标范围划分依据为修正后原点-裂隙测量点（14）连线在第一封隔单元（4）平面投影线与该平面初始方向的夹角的分区，其中，

7.根据权利要求5所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述变换过程输出的二维平面坐标范围划分依据为变换后x坐标值的分区，其中，

8.根据权利要求2所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述第一锚固单元（8）与第二锚固单元（9）结构相同，均包括座体，所述座体内间隔均布有若干存放槽（83），所述存放槽（83）内滑动设置有锚杆（81），锚杆（81）的端部通过传动部件连接有电机（82），所述第一封隔单元（4）上设置有打捞单元（6）。

9.根据权利要求8所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，其特征在于：所述打捞单元（6）包括设置在第一封隔单元（4）外侧的支承端（62），所述支承端（62）的末端固定连接有卡扣球（63），所述打捞单元（6）还包括与卡扣球（63）配合的打捞接头（64），打捞接头（64）上设置有打捞杆（61），所述打捞接头（64）上设有若干卡槽，所述卡扣球（63）上间隔均布有与卡槽配合的凸杆；所述调节单元包括可拆卸连接的多段钻杆（3）。

10.一种可视化的水压致裂法地应力测试方法，其特征在于：基于权利要求1至9任意一项所述的一种可视化的水压致裂法地应力测试系统，包括以下步骤：

技术总结本申请涉及地应力测试系统技术领域，具体是指一种可视化的水压致裂法地应力测试系统及测试方法，包括钻孔，还包括信号连接的测试模块、交互模块以及加压模块，测试时，测试模块置于钻孔内，测试模块包括沿钻孔方向依次设置的钻杆、第一封隔单元、第一锚固单元、调节单元、第二锚固单元以及第二封隔单元；通过将测试模块伸入钻孔中，再通过测试模块内的采集单元采集到各项量化信息，并对各项量化信息进行计算得到各项测算信息，数显单元接收到测算信息后进行实时处理，并在交互模块上输出实时画面、裂隙的三维柱坐标、裂隙的平面坐标以及水压—时间图显示。技术研发人员：廖承熠,蒲雨佳,郑明明,熊亮,孙前,胡云鹏,白世卿,吕洪旭,袁野,张亚伟受保护的技术使用者：成都理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20