水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量中可視化定向裝置的設(shè)計(jì)

吳志剛,單傳霞

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

水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量中可視化定向裝置的設(shè)計(jì)

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(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量精度,簡化測(cè)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(cè)量;可視化;定向裝置

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量是目前進(jìn)行深部地應(yīng)力測(cè)量的一種主要方法。在測(cè)量中,如何保證測(cè)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(diǎn)。對(duì)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(cè)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(shí),傳統(tǒng)的水壓致裂應(yīng)力測(cè)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(shí)踐中逐步利用。

1 水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量中,壓裂裂隙的測(cè)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(shí)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(duì)的縱向裂隙,很容易辨認(rèn)出來。印模法測(cè)試過程繁瑣,有時(shí)不能得到較好結(jié)果,其主要缺點(diǎn)是定向器位置和壓力裂隙位置不在同一個(gè)水平面,給測(cè)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(jì)

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(jì)算機(jī)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(cè)量中裂隙方向的測(cè)量。

采用可視化定向裝置可以克服上述測(cè)試儀器的缺點(diǎn),可以明顯提高地應(yīng)力方向測(cè)量精度,簡化測(cè)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(dòng)微型攝像機(jī)、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(dòng)。微型攝像頭實(shí)時(shí)掃描巖體鉆孔的影像,影像顯示器實(shí)時(shí)顯示微型攝像機(jī)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(hào)顯示屏實(shí)時(shí)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(cè)X方向,B探測(cè)Y方向的磁場(chǎng)。設(shè)某一時(shí)刻磁場(chǎng)的方向如圖 2所示,A、B探測(cè)到的磁場(chǎng)方向分別為 -a和 b[4]。通過微處理器計(jì)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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(4)攝像頭和影像顯示屏 實(shí)時(shí)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(cè)量精度。電子羅盤分辨率為 ±0.1°,測(cè)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(cè)量中水平主應(yīng)力方向的精度,推動(dòng)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

(2)簡化地應(yīng)力測(cè)量中裂隙的測(cè)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(chǎng)分布場(chǎng)特征研究的儀器。

[1]李晉平,林 健 .水壓致裂法測(cè)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(cè)量中的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)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(jí)工程師,從事礦用儀器開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)研究。