[其他]圍巖特性曲線的實測探頭

無效

• 申請號: 86108843
• 申請日: 1986-12-22
• 公開（公告）號: CN86108843B
• 公開（公告）日: 1988-12-28
• 發明（設計）人: 鄭雨天;朱華滿;陸家良;張樹祥
• 申請（專利權）人: 東北工學院;東北內蒙古煤炭工業聯合公司長春煤炭科學研究所
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01L1/22;E21B47/00
• 代理公司: 東北工學院專利事務所
• 代理人: 韓明星

本發明屬于軟巖巖體物理性質的測試技術領域。本發明提供一種在采礦、土建等工程中對軟巖巷道實際測定圍巖特性曲線的專用的探頭。

圍巖特性曲線是巷道周邊徑向位移U與支護反力P之間的關系曲線，亦稱P-U曲線。對于軟巖而言，由于其流變性、時間的推移，這條曲線不斷上升。因此，對應于不同的時間就有一系列的圍巖特性曲線，即P-U曲線簇。P-U曲線（簇）具有相當廣泛的使用價值，尤其是在指導巷道支護設計方面更為人們所重視。但是，直到目前為止P-U曲線的實際使用還是極少。原因在于P-U曲線主要來自于理論推導，而理論推導的P-U曲線表達式涉及軟巖參數比較多，實際上無法定量使用，而且與實際的誤差較大。

美國專利US-3635076提出了一種應變傳感裝置，該裝置設置于鉆孔底部，并在裝置的殼壁與鉆孔的被測壁之間填塞膨脹水泥，通過此填塞層將被測壁的變形傳遞給殼壁，而殼壁的變形由殼壁內充滿的液體傳遞給傳感器。這種裝置在一個鉆孔內只能測定某一時刻的一個徑向位移數據，因而只能計算與鉆孔垂直平面上的周圍應力變化值，不能做出反映巷道圍巖位移與支護反力間的關系曲線。

“地應力測量”（地震出版社1985年3月出版）一書第37～38頁，提示了一種用于測量軸向位移及徑向位移的組合探頭。該探頭通過觸點錨固于孔壁的方式測量軸向變形，而孔壁的徑向位移通過貼有應變片的傳感器來測定。這種探頭在一個鉆孔內雖然能同時測定出某一時刻孔壁的軸向位移和徑向位移，然而所測出的數據只能用以計算鉆孔周圍的空間應力狀態，而且它是與探頭外殼剛度（支護力）無關的鉆孔周圍應力。因此，用該探頭無法測出圍巖特性曲線所需的三組或三組以上不同的P、U數據。

基于上述的情況，本發明的目的在于提供一種能實際測定出圍巖特性曲線的方法以及該測定方法所專用的探頭，以便使測出的P-U曲線更符合實際。

為了實現上述的目的本發明所提供的圍巖特性曲線的實測方法，按以下步驟實現。將探頭設置在軟巖巷道的鉆孔里，探頭外壁與鉆孔內壁緊密接觸;探頭中由位移傳感器所引出的電纜接通到靜態電阻應變儀上。測定圍巖特性曲線所專用的探頭含由殼體及位移傳感器組成，其特征在于殼體為由外直徑相同而剛度各異的三節或三節以上筒體組成，而且每一節筒體內設置位移傳感器。

本發明所涉及的圍巖是指軟巖，軟巖具有粘彈塑性質。從巖石力學方面的理論推導可知，軟巖的圍巖特性曲線取決于巖體性態與巷道斷面及其大小。如果一條P-U曲線受限于巷道斷面及其大小，則該曲線沒有普遍性的意義。因此，應消除人為因素對P-U曲線的影響。首先，斷面形狀影響的消除。由于軟巖具有顯著的流變性質，經過漫長時間的流變，軟巖處于靜水壓力狀態或近似靜水壓力狀態。顯然對于靜水壓力狀態下的軟巖而言，其最合理的支護斷面形狀為圓形。所以，圍巖特性曲線的測定采用鉆孔（當然是圓形斷面）方式，僅就斷面形狀而言與圓形巷道一致，因而可消除斷面形狀對P-U曲線的影響。

其次，斷面尺寸大小影響的消除。縱觀各種流變模型的理論推導，從軟巖P-U曲線的表達式中可知，徑向位移U與支護層半徑r成線性關系，即U＝r·f（P）。對該式的U進行無量綱化處理，即U^＊＝f（P）。由此而作出的P-U^＊曲線，才具有可比性和普遍意義。當欲求相同條件下而半徑為已知的巷道周邊徑向位移時，只需將U^＊乘以該巷道半徑r即可。在這里應當指出，巖體被看成是各向同性的連續均質體;而且因軟巖的結構面比較復雜，從宏觀上、從統計觀點上看認為分布均勻。

有了以上的理論分析，就給圍巖特性曲線的實測提供了理論依據。將測定圍巖特性曲線探頭安置在鉆孔里，使探頭的外壁與鉆孔內壁緊密接觸。隨著圍巖的變形探頭的筒體隨之發生變形，即探頭作為一次儀器感受圍巖的壓力與變形。探頭內的位移傳感器將筒體內壁的變形轉化成電訊號經電纜在靜態電阻應變儀上以微應變形式顯示出來。根據所顯示的數據，即可得出筒體的內壁徑向位移U₁。根據彈性理論厚壁圓筒原理，可得出筒體外壁上的徑向壓力P，即

P=E/2(1-μ²) ·1-K²/r₁＝r₁/r₂）

式中，E、μ分別為筒體的彈性模量和泊松比;r₁、r₂分別為筒體的內外半徑。有了P值，根據彈性理論進而得出筒體外壁的徑向位移U即：