煤礦地應力測試系統(tǒng)

1.地應力測量指標

傳統(tǒng)的水壓致裂地應力測量均采用大孔徑（鉆孔直徑在76mm以上），鉆孔速度慢，壓裂設備笨重，不能實現(xiàn)快速測量。根據(jù)煤礦井下特點，采用小孔徑能顯著減少測量設備重量，提高測量速度，實現(xiàn)快速測量。具體指標如下：

（1）地應力測量鉆孔直徑55-60mm；

（2）深度30m，也可根據(jù)具體需要配置測試更深深度。

（3）水壓50MPa；

（4）定位精度：1°；

（5）正常情況下每一測點的測量時間不超過2小時；

（6）能夠滿足支護設計的要求。

2.地應力測量系統(tǒng)組成

根據(jù)上述地應力測量指標，開發(fā)研制了HYF-3型小孔徑水壓致裂地應力測量裝置。該裝置采用小直徑鉆孔（55mm），可在井下進行快速、大面積地應力測量。同一鉆孔還可以用于圍巖強度測量。該測試裝置由以下部分組成：

（1）便攜式高壓泵；

（2）靜壓水進水管路；

（4）便攜式數(shù)據(jù)采集分析裝置；

（5）小孔徑封隔器和印模器、定向儀；

（6）快速連接的高壓供水管路；

（7）壓力控制系統(tǒng)；

3.水壓致裂液壓系統(tǒng)

采用氣動高壓泵，不用電，可在含有可燃氣體環(huán)境中安全運行。運行該裝置時，只要打開驅動氣開關，在壓縮空氣推動下，活塞往復運動，把水的壓力快速增大。打開封隔器加壓通道，給封隔器加壓，使封隔器膠囊與巖壁密封，巖孔壓裂段便形成了一密封空間，壓裂段內(nèi)的水即使在高壓作用下也不會外泄，封隔器壓力在8-10MPa,加壓完成后，關閉封隔器通道。打開壓裂段通道，水通過注水管充滿封隔器之間的將被壓裂段巖孔中，在壓裂段巖孔充滿水后，壓力會快速增大，通過數(shù)據(jù)采集裝置顯示、記錄測試數(shù)據(jù)，并監(jiān)控測試過程。煤礦井下巷道一般高2.5~3.5m，受空間限制，用水壓致裂法進行原巖應力和巖性測試，只能用小型鉆機打孔，水壓致裂裝置必須小型化，所有裝置必須隔爆、防水和能在灰塵很大的惡劣環(huán)境下運行。

（1）封隔器

由中心管和封隔器膠筒組成兩個水路通道。中心管注入高壓水，通向壓裂段，用水的高壓壓裂巖孔；而封隔器與中心管形成的空間，存儲高壓水用以密封壓裂段。通過連桿將兩支封隔器相連，巖孔壓裂段處于兩支封隔器之間。試驗時，先通過高壓膠管給封隔器膠筒加壓，密封巖孔壓裂段，不使壓裂段高壓水外泄。封隔器連桿拉住兩只封隔器，保持封隔器平衡，使封隔器與巖孔沒有相對位移。

（2）注水管

傳統(tǒng)的大孔徑注水管使用鉆桿，鉆桿密封用麻刀和黃油，操作時勞動強度大，效率低，且密封不可靠。為此，研制了新的壓裂注水管，注水管連接處用“O”型圈密封，拆裝方便，密封可靠，使測試效率大為提高。注水管作用主要有兩個，其一，作為連接構件將連接好的封隔系統(tǒng)和印模系統(tǒng)送如鉆孔的制定位置；其二，作為加壓通道對封隔的鉆孔段進行壓裂。

（3）便攜式高壓泵

高壓泵的作用是給壓裂段加壓，為封隔器加壓。

（4）壓力控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)可以控制各個通道的壓力，可以分別給封隔器和測試段加壓，也可以給印模器加壓。

（5）印模系統(tǒng)

印模系統(tǒng)由印模器、定向儀、安裝桿等幾部分組成。

①印模器

印模器與封隔器結構相同，差別是在封隔器密封膠筒外貼上一層流變性好的橡膠。為使在印膜上產(chǎn)生清晰裂痕印跡，必需有一定時間讓橡膠膜產(chǎn)生塑性流動，形成印痕。

②定向儀

采用電子羅盤進行裂紋定向。

（6）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為實時監(jiān)控測試過程，顯示、記錄和分析測試結果，開發(fā)研制了水壓致裂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可自動記錄數(shù)據(jù)，防爆，有煤安證。