煤矿地应力测试系统

    1.地应力测量指标

    传统的水压致裂地应力测量均采用大孔径（钻孔直径在76mm以上），钻孔速度慢，压裂设备笨重，不能实现快速测量。根据煤矿井下特点，采用小孔径能显著减少测量设备重量，提高测量速度，实现快速测量。具体指标如下：

    （1）地应力测量钻孔直径55-60mm；

    （2）最大深度30m，也可根据具体需要配置测试更深深度。

    （3）最大水压50MPa；

    （4）定位精度：1°；

    （5）正常情况下每一测点的测量时间不超过2小时；

    （6）能够满足支护设计的要求。

    2.地应力测量系统组成

    根据上述地应力测量指标，开发研制了HYF-3型小孔径水压致裂地应力测量装置。该装置采用小直径钻孔（55mm），可在井下进行快速、大面积地应力测量。同一钻孔还可以用于围岩强度测量。该测试装置由以下部分组成：

    （1）便携式高压泵；

    （2）静压水进水管路；

    （4）便携式数据采集分析装置；

    （5）小孔径封隔器和印模器、定向仪；

    （6）快速连接的高压供水管路；

    （7）压力控制系统；

    3.水压致裂液压系统

    采用气动高压泵，不用电，可在含有可燃气体环境中安全运行。运行该装置时，只要打开驱动气开关，在压缩空气推动下，活塞往复运动，把水的压力快速增大。打开封隔器加压通道，给封隔器加压，使封隔器胶囊与岩壁密封，岩孔压裂段便形成了一密封空间，压裂段内的水即使在高压作用下也不会外泄，封隔器压力在8-10MPa,加压完成后，关闭封隔器通道。打开压裂段通道，水通过注水管充满封隔器之间的将被压裂段岩孔中，在压裂段岩孔充满水后，压力会快速增大，通过数据采集装置显示、记录测试数据，并监控测试过程。煤矿井下巷道一般高2.5~3.5m，受空间限制，用水压致裂法进行原岩应力和岩性测试，只能用小型钻机打孔，水压致裂装置必须小型化，所有装置必须隔爆、防水和能在灰尘很大的恶劣环境下运行。

    （1）封隔器

    由中心管和封隔器胶筒组成两个水路通道。中心管注入高压水，通向压裂段，用水的高压压裂岩孔；而封隔器与中心管形成的空间，存储高压水用以密封压裂段。通过连杆将两支封隔器相连，岩孔压裂段处于两支封隔器之间。试验时，先通过高压胶管给封隔器胶筒加压，密封岩孔压裂段，不使压裂段高压水外泄。封隔器连杆拉住两只封隔器，保持封隔器平衡，使封隔器与岩孔没有相对位移。

    （2）注水管

    传统的大孔径注水管使用钻杆，钻杆密封用麻刀和黄油，操作时劳动强度大，效率低，且密封不可靠。为此，研制了新的压裂注水管，注水管连接处用“O”型圈密封，拆装方便，密封可靠，使测试效率大为提高。注水管作用主要有两个，其一，作为连接构件将连接好的封隔系统和印模系统送如钻孔的制定位置；其二，作为加压通道对封隔的钻孔段进行压裂。

    （3）便携式高压泵

    高压泵的作用是给压裂段加压，为封隔器加压。

    （4）压力控制系统

    压力控制系统可以控制各个通道的压力，可以分别给封隔器和测试段加压，也可以给印模器加压。

    （5）印模系统

    印模系统由印模器、定向仪、安装杆等几部分组成。

    ①印模器

    印模器与封隔器结构相同，差别是在封隔器密封胶筒外贴上一层流变性好的橡胶。为使在印膜上产生清晰裂痕印迹，必需有一定时间让橡胶膜产生塑性流动，形成印痕。

    ②定向仪

    采用电子罗盘进行裂纹定向。

    （6）数据采集系统

    为实时监控测试过程，显示、记录和分析测试结果，开发研制了水压致裂数据采集系统。系统可自动记录数据，防爆，有煤安证。