水平钻孔破裂缝定向装置及方法

本发明属于岩石力学测试的，具体涉及一种水平钻孔破裂缝定向装置及方法。

背景技术：

1、水压致裂法地应力测试是一种通过水压致使岩体破裂，产生岩体破裂缝，获得水压力参数和破裂缝方位，由此得到初始地应力量值与方位。其中的岩体破裂缝方位是通过水压致裂法地应力测试定向装置获得，该方位决定了钻孔横截面上最大主应力方位。所以钻孔水压致裂法地应力测试定向装置，是钻孔水压致裂法地应力测试中的重要设备。

2、目前，传统的钻孔水压致裂法地应力测试定向装置主要是采用钻孔测斜仪与钻孔照相技术，该技术具有受钻孔孔深(孔深不超过500m，特别是水平钻孔或斜孔)及定时器设定时间(约2小时)限制的局限性。虽然，目前也有一些专家学者发明了一些采用三维电子罗盘或无时限机械式罗盘来定向，但这些设备均需采用无磁材料来制成，且还需与现场的有磁材料保持一定的距离，但这些条件在地应力测试现场往往无法满足。因此，对于深埋或超深埋地下工程，初始地应力需采用钻孔水压致裂法测试，对超深钻孔(超500m，特别是水平钻孔或斜孔)来说，传统的定向装置因受时间限制无法完成岩体破裂缝定位，不再适用。因此，为了真实地测定超深钻孔部位的地应力方位，有必要开发水平钻孔破裂缝定向装置及定向方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种水平钻孔破裂缝定向装置，该装置不受钻孔孔深、时间和地磁场的限制，充分利用水压致裂法设备(印模器)中的压力和物体重力向下的原理进行破裂缝定向，能够保证准确测定深部工程初始地应力的方位。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种水平钻孔破裂缝定向装置，该定向装置与水压致裂法的印模器连接，包括：

4、底座，其具有中空的压力室，底座的压力室与印模器的出水口连通；

5、支撑件，其具有中空的空腔，所述空腔与压力室连通，在所述空腔内设置有受推力能沿轴向移动的活塞；

6、方位确定装置，其包括与活塞固定连接的荷载传动轴以及通过轴承套装在荷载传动轴上的偏心转盘，所述荷载传动轴偏离偏心转盘的中心设置，活塞移动的过程中带动荷载传动轴移动，在偏心转盘的周面上设置有角度刻度；

7、防滑固定座，其与偏心转盘相对设置且两者之间具有间距，其中，防滑固定座与偏心转盘之间的间距设置为当活塞在空腔内沿着远离底座的方向运动到极限位置时，偏心转盘抵压在防滑固定座上且无法转动。

8、进一步地，在支撑件的侧壁上设置有用于限制活塞移动的限位装置，对应地在活塞上设置有与限位装置配合的定位槽，当活塞在空腔中移动到限位装置卡设在定位槽中时，偏心转盘抵压在防滑固定座。

9、进一步地，所述限位装置包括固定在支撑件侧壁上的止位板、设置在止位板内的第一弹簧以及定位插销，其中，止位板内具有腔体，第一弹簧和定位插销设置在腔体内，第一弹簧的一端与腔体内壁连接，第一弹簧的另一端与定位插销连接，定位插销被限位在第一弹簧中且其一端延伸至空腔内与活塞侧壁接触连接，且在此状态下，第一弹簧处于被压缩状态。

10、进一步地，活塞靠近偏心转盘的端部与空腔底面之间通过第二弹簧连接，且当偏心转盘抵压在防滑固定座上时，第二弹簧处于被压缩状态。

11、进一步地，在活塞靠近底座一端的侧壁上设置有密封圈。

12、进一步地，还包括外套筒，所述外套筒可拆卸地套接在底座上以将支撑件、方位确定装置包裹在其内侧，在外套筒远离底座的端部盖合有外套筒封头，防滑固定座固定在外套筒封头的里侧。

13、进一步地，将外套筒上与偏心转盘对应的位置处设置为透明观察窗。

14、进一步地，在观察窗上与所述定向装置在测量前的偏心转盘180°对应处标记角度读取点。

15、本发明的另一个目的是提供一种根据上述的水平钻孔破裂缝定向装置的定向方法，包括如下步骤：

16、在测量前，将底座与印模器连接以使得底座的压力室与印模器的出水口连通；

17、将印模器和定向装置放置于钻孔内，在测量时，印模器中的水压通过压力室作用于活塞上，活塞受推力沿轴向带动荷载传动轴移动，当荷载传动轴向下运动一定距离时，与荷载传动轴连接的偏心转盘抵压在防滑固定座，从而使得偏心转盘被固定；

18、确定所述定向装置在测量前其上的偏心转盘180°对应的点作为角度读取点，读取偏心转盘被固定后其角度读取点在偏心转盘上刻度所对应的角度α，同时，获取角度读取点与印模器上破裂缝的相对位置之间的弧度l，再根据弧度l计算岩体破裂缝与基准点之间的夹角β：

19、

20、其中：β为岩体破裂缝与观察窗口中心点之间的夹角；

21、α为观察窗口中心点所观察的角度；

22、l为岩体破裂缝与观察窗口中心点之间的弧长；

23、d为钻孔直径；

24、最后，将(β-α)所计算出的角度作为水平钻孔水压致裂法地应力测试的破裂缝所对应的方向，从而获得破裂缝方向。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明利用印模器中的水压力推动活塞运动从而带动偏心转盘沿轴向移动，再根据偏心转盘的结构特点，即由于其为偏心的圆盘，且其在受重力作用始终朝下，因此，在钻孔内偏心转盘受偏心结构和重力的影响自动转动至始终朝下，最后通过限位装置对偏心转盘进行轴向固定，通过防滑固定座对偏心转盘进行径向固定，通过读取角度读取点对应的偏心转盘上角度和角度读取点与印模器上破裂缝的相对位置之间的弧度l获得破裂缝的方向，本发明突破了传统岩体破裂缝定向装置的局限，不受钻孔孔深、时间和地磁场的限制，充分利用水压致裂法设备(印模器)中的压力和物体重力向下的原理进行破裂缝定向，能够保证准确测定深部工程初始地应力的方位。

技术特征：

1.一种水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，该定向装置与水压致裂法的印模器连接，包括：

2.根据权利要求1所述的水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，在支撑件的侧壁上设置有用于限制活塞移动的限位装置，对应地在活塞上设置有与限位装置配合的定位槽，当活塞在空腔中移动到限位装置卡设在定位槽中时，偏心转盘抵压在防滑固定座。

3.根据权利要求2所述的水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，所述限位装置包括固定在支撑件侧壁上的止位板、设置在止位板内的第一弹簧以及定位插销，其中，止位板内具有腔体，第一弹簧和定位插销设置在腔体内，第一弹簧的一端与腔体内壁连接，第一弹簧的另一端与定位插销连接，定位插销被限位在第一弹簧中且其一端延伸至空腔内与活塞侧壁接触连接，且在此状态下，第一弹簧处于被压缩状态。

4.根据权利要求1所述的水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，活塞靠近偏心转盘的端部与空腔底面之间通过第二弹簧连接，且当偏心转盘抵压在防滑固定座上时，第二弹簧处于被压缩状态。

5.根据权利要求1所述的水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，在活塞靠近底座一端的侧壁上设置有密封圈。

6.根据权利要求1所述的水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，还包括外套筒，所述外套筒可拆卸地套接在底座上以将支撑件、方位确定装置包裹在其内侧，在外套筒远离底座的端部盖合有外套筒封头，防滑固定座固定在外套筒封头的里侧。

7.根据权利要求6所述的水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，将外套筒上与偏心转盘对应的位置处设置为透明观察窗。

8.根据权利要求7所述的水平钻孔破裂缝定向装置，其特征在于，在观察窗上与所述定向装置在测量前的偏心转盘180°对应处标记角度读取点。

9.一种根据权利要求1所述的水平钻孔破裂缝定向装置的定向方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种水平钻孔破裂缝定向装置及方法，包括：底座，其具有中空的压力室，底座的压力室与印模器的出水口连通；支撑件，其具有中空的空腔，空腔与压力室连通，在空腔内设置有受推力能沿轴向移动的活塞；方位确定装置，包括与活塞固定连接的荷载传动轴以及通过轴承套装在荷载传动轴上的偏心转盘，所述荷载传动轴偏离偏心转盘的中心设置，活塞移动的过程中带动荷载传动轴移动，在偏心转盘的周面上设置有角度刻度；防滑固定座，其与偏心转盘相对设置且两者之间具有间距。本发明不受钻孔孔深、时间和地磁场的限制，充分利用水压致裂法设备中的压力和物体重力向下的原理进行破裂缝定向，能够保证准确测定深部工程初始地应力的方位。技术研发人员：董志宏,刘元坤,陈文杰,冯鲲鹏,黄森胜,艾凯,付敬,王斌,罗笙,付平,张新辉,周春华,韩晓玉,周朝受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院技术研发日：技术公布日：2024/7/18