CN105507876B - 一种基于应力解除法的钻测一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应力解除法的钻测一体化装置，包括筒状的解除孔钻头部件，还包括脱离控制部件和测量孔钻头部件，解除孔钻头部件包括筒状的钻杆，钻杆内侧设置有传动齿，钻杆底部设置有解除孔钻头，测量孔钻头部件包括柱状的外壳，外壳的上套设有环形定位部，外壳的底部设置有测量孔钻头，测量孔钻头的上部套设有楔形钻头，楔形钻头包括筒状的连接柱和连接柱下方的锥形头，脱离控制部件包括限位环，还包括设置在限位环上的长限位插销和短限位插销，本发明实现钻测一体化过程；解决了解除应力法的复杂操作过程和低测量深度问题，使测试能力得到了显著提高，对测试环境的要求显著下降。

Description

一种基于应力解除法的钻测一体化装置

技术领域

本发明涉及钻测领域，具体涉及一种基于应力解除法的钻测一体化装置，适用于应力解除。

背景技术

地应力广泛存在，但难以获取和揭示，同时它对深部工程的规划、设计和决策又起着重要的作用。随着人类向深部地壳的不断探索，地应力的重要性日益显现。目前，针对地应力测量原理、技术和方法的研究正不断地深入，相应的测量仪器和设备也不断地涌现，为实现地应力测试技术的突破创造了条件。

人类对地应力的认识最早出现于20世纪初，而地应力的实测工作则开始于20世纪30年代。随着实测工作的开展，各种测量原理和测试装置不断涌现。其中，最具代表性的测试装置是于20世纪50年代由美国矿务局研制出来的USBM钻孔变形计，实现了对岩体进行应力解除的地应力测试方法。至今，应力解除法依然是主要的地应力测量方法。

应力解除法是建立在弹性理论基础之上，即假设岩块是均匀连续的，并认为加载和卸载时应力与应变之间具有相同的函数关系。同时，切割出来的岩石单元体，其自重与所受载荷相比，小到可略去不计。目前，现场常用的应力解除法可分为两大类：一是孔底应力解除法。打一个平底钻孔到需测应力的预定深度，再把电阻应变片粘贴在孔底的中心处，作为应变传感器；然后延伸钻孔，将贴有应变片的岩芯与基岩分离，实现应力解除。二是套孔应力解除法，先打一个大钻孔到接近测点的预定深度，然后向前打同心小钻孔；在小钻孔内安装三轴应变计（孔壁应变法）或孔径变形传感器（孔径变形法）等；最后延伸大钻孔，将筒状岩芯与基岩分离，实现应力解除。

应力解除法的测试装置多采用压磁和应变式传感器，通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化来计算地应力的大小和方向。现场的通常操作步骤为：首先在需要测量地应力的地方，打一个较大的钻孔，钻孔至一定深度后，更换钻头将孔底磨平，再换一个楔形钻头，打出一个喇叭孔(起导正作用)，再更换小钻头和钻杆，在大孔中心钻一个小的测量孔，然后提起钻杆，在测量孔中安装测量传感器，传感器引线穿过所有钻杆，然后大钻头继续钻孔，完成应力解除的钻进；整个应力解除法的设备安装和测试过程较为复杂，包括了大孔钻进、孔底磨平、导正孔形成、测量孔钻进、传感器布设、解除孔钻进等多个步骤，每一步都需钻机配合提放钻杆来实现钻头的更换，特别是传感器布设时的引线问题严重阻碍了该方法在深孔中的应用，使得应力解除法往往只局限于浅孔的测试。

因此，如何突破长期以来困扰着应力解除法的测试过程复杂性问题，实现深孔和超深孔的高效地应力测试，是地应力测试技术发展的重要方向。

鉴于目前应力解除法存在的问题，本发明提出一种基于应力解除法的钻测一体化装置，利用脱离控制部件协调解除孔钻头和测量孔钻头之间的相互配合来实现钻测一体化以替代传统复杂的测试过程，并能够实现深孔的地应力探测，从根本上解决了应力解除法测试过程中的主要技术难题，使地应力测试技术和装置得到了突破性和实质性的进展。该装置采用机械构件来连接解除孔钻头部件和测量孔钻头部件，解除孔钻头部件上的传动齿带动测量孔钻头部件钻进，当测量钻头部件进入到合适测量区域后，脱离控制部件中的传力筒将推动短限位销退出导向槽，在动力驱动下，传动齿将脱离支撑台和导向槽，从而实现解除孔钻头部件和测量孔钻头部件的分离，解除孔钻头部件处于释放状态，最终形成解除钻孔，测量结束后，解除孔钻头部件将通过限位槽或者传动齿取出测量钻头部件，实现整套装置的回收过程，通过测量系统最终计算出地应力，实现应力解除法的快速测量。该装置的优点在于：1）结构简单。由简单机械构件组成的脱离控制部件来控制解除孔钻头和测量孔钻头的工作状态，实现钻测一体化，并能够实现整套装置的同时回收；2）操作方便。采用解除孔钻头和测量孔钻头同时进入孔底的方法，操作方便，容易实现，测量效率更高；3）可靠性高。采用结构简易的机械部件更容易在环境复杂的钻孔中实现，操作过程可靠；4）对环境要求低。利用垂直槽来搅动沉渣，保证测量系统能够完全进入岩石层，克服了环境的影响，可用于深孔和超深孔的地应力测量。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于应力解除法的钻测一体化装置，构思新颖、设计巧妙、结构合理、可靠度高、易于实现，突破了地应力测量装置以往复杂的操作局限性，提升了应力解除法装置的探测深度和便捷度，使基于应力解除法的钻测一体化装置能够成为新一代的地应力测试装置，具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于应力解除法的钻测一体化装置，包括筒状的解除孔钻头部件，还包括脱离控制部件和测量孔钻头部件，

解除孔钻头部件包括筒状的钻杆，钻杆内侧设置有传动齿，钻杆底部设置有解除孔钻头，

测量孔钻头部件包括柱状的外壳，外壳的上套设有环形定位部，环形定位部的外侧沿外壳的纵向方向开设有导向槽，导向槽贯穿环形定位部的上下表面，环形定位部的外侧还开设有传动齿放置槽，传动齿放置槽贯穿环形定位部的上表面，环形定位部上位于传动齿放置槽下方的部分构成支撑台，传动齿放置槽与导向槽的侧部连通，环形定位部上还设置有贯穿环形定位部的上下表面的定位孔，外壳的底部设置有测量孔钻头，测量孔钻头的上部套设有楔形钻头，楔形钻头包括筒状的连接柱和连接柱下方的锥形头，

脱离控制部件包括限位环，还包括设置在限位环上的长限位插销和短限位插销，长限位插销插入定位孔，短限位插销插入导向槽，长限位插销下方还设置有套设在外壳上的传力筒，传力筒的内径小于楔形钻头的外径，传力筒的外径大于楔形钻头的外径。

如上所述的外壳上部套设有内限位台，内限位台上方还设置有外限位台，外限位台的外径大于内限位台的外径，钻杆上部的内侧设置有下限位台和上限位台，上限位台位于下限位台的上方，上限位台的内径与外限位台的外径适配，下限位台的内径与内限位台的外径适配，内限位台与限位环之间设置有弹簧。

如上所述的传力筒的顶部设置有剖面为圆弧的环形槽，长限位插销的底部嵌入有滚珠，滚珠设置在环形槽上。

如上所述的传力筒的底部为齿状。

如上所述的测量孔钻头上设置有测量系统。

本发明相对于现有技术具有以下优势：

1、本发明利用机械构件之间的相互配合，实现钻测一体化过程；

2、本发明机械结构简便，操作方便，容易实现，获得的数据更加丰富，取得的结果更加可靠，避免了为验证而进行的重复测试；

3、本发明解决了解除应力法的复杂操作过程和低测量深度问题，使测试能力得到了显著提高，对测试环境的要求显著下降；

4、本发明的构思严密、设计巧妙、尺寸合理；

5、本发明的结构体系和总体布局简单，易于实施。

总之，本发明提供了一种利用机械构件相互配合的方法来实现解除孔钻头和测量孔钻头之间的一体化装置，实现了应力解除法的钻测一体化过程，提高了测试的可靠性和应用范围。该方法设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为解除孔钻头部件结构示意图；

图3为脱离控制部件结构示意图；

图4为测量孔钻头部件结构示意图；

图5为传动齿结构示意图；

图6为传动筒示意图；

图7为限位爪示意图；

图8为限位销分布示意图；

图9为环形定位部结构示意图；

图10为传动齿、环形定位部、长限位销、短限位销的装配示意图；

图11为传动齿、环形定位部、长限位销、短限位销的脱离前状态示意图；

图12为传动齿、环形定位部、长限位销、短限位销的脱离中状态示意图；

图13为传动齿、环形定位部、长限位销、短限位销的脱离后状态示意图。

图中：1-解除孔钻头部件；2-脱离控制部件；3-测量孔钻头部件； 11-解除孔钻头；12-钻杆； 21-传力筒；22-滚珠；23-限位爪；24-弹簧； 31-测量孔钻头；32-测量系统（如贴应变片，光学触针显微测量等）；33-楔形钻头；34-外壳； 36-环形定位部；121-传动齿；122-下限位台；123-上限位台；124-丝扣；211-垂直槽；212-环形槽；231-长限位销；232-短限位销；233-限位环；331-连接柱；332-锥形头；341-定位孔；342-支撑台；343-导向槽；344-内限位台；345-外限位台；346-传动齿放置槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

一种基于应力解除法的钻测一体化装置，包括筒状的解除孔钻头部件1，还包括脱离控制部件2和测量孔钻头部件3，

解除孔钻头部件1包括筒状的钻杆12，钻杆12内侧设置有传动齿121，钻杆12底部设置有解除孔钻头11，

测量孔钻头部件3包括柱状的外壳34，外壳34的上套设有环形定位部36，环形定位部36的外侧沿外壳34的纵向方向开设有导向槽343，导向槽343贯穿环形定位部36的上下表面，环形定位部36的外侧还开设有传动齿放置槽346，传动齿放置槽346贯穿环形定位部36的上表面，环形定位部36上位于传动齿放置槽346下方的部分构成支撑台342，传动齿放置槽346与导向槽343的侧部连通，环形定位部36上还设置有贯穿环形定位部36的上下表面的定位孔341，外壳34的底部设置有测量孔钻头31，测量孔钻头31的上部套设有楔形钻头33，楔形钻头33包括筒状的连接柱331和连接柱331下方的锥形头332，

脱离控制部件2包括限位环233，还包括设置在限位环233上的长限位插销231和短限位插销232，长限位插销231插入定位孔341，短限位插销232插入导向槽343，长限位插销231下方还设置有套设在外壳34上的传力筒21，传力筒21的内径小于楔形钻头33的外径，传力筒21的外径大于楔形钻头33的外径。

外壳34上部套设有内限位台344，内限位台344上方还设置有外限位台345，外限位台345的外径大于内限位台344的外径，钻杆12上部的内侧设置有下限位台122和上限位台123，上限位台123位于下限位台122的上方，上限位台123的内径与外限位台345的外径适配，下限位台122的内径与内限位台344的外径适配，内限位台344与限位环233之间设置有弹簧24。

传力筒21的顶部设置有剖面为圆弧的环形槽212，长限位插销231的底部嵌入有滚珠22，滚珠22设置在环形槽212上。

传力筒21的底部为齿状。

测量孔钻头31上设置有测量系统32。

如图1~4所示，一种基于应力解除法的钻测一体化装置，包括解除孔钻头部件1、脱离控制部件2和测量孔钻头部件3。测量孔钻头部件3通过定位孔341和支撑台342将脱离控制部件2进行固定，测量孔钻头部件3的支撑台342和脱离控制部件2的短限位销232通过固定解除钻孔钻头部件1的传动齿121来实现解除孔钻头部件1的固定，从而形成解除孔钻头部件1、脱离控制部件2和测量孔钻头部件3的一体化装置。

解除孔钻头部件1包括解除孔钻头11，钻杆12，解除孔钻头11和钻杆12的中心轴线重合；解除孔钻头11的外径与钻杆12的外径保持一致。

钻杆12包括传动齿121，下限位台122，上限位台123，以及丝扣124；作为一种优选方案，传动齿121为扇形的外环状，如图5所示，扇形的角度呈22.5度，内侧为短边，外侧为长边，且四个传动齿121呈90度的对称分布，即传动齿121在钻杆12的横截面上均匀分布；下限位台122位于上限位台123的下方，且下限位台的内径小于上限位台的内径；传动齿121、下限位台122和上限位台123为同心轴分布；丝扣124为与上部相连接的钻杆或蜗杆泵相匹配。

脱离控制部件2包括传力筒21，滚珠22，限位爪23，弹簧24。

如图6所示，传力筒21的底部设置对称均匀分布的垂直槽211，即传力筒21的底部为齿状，在传力筒21触碰到成孔孔底后，垂直槽211将会搅动孔底的沉渣，保证测量系统32能够进入岩石；顶部存在环形槽212，环形槽212的横截面的圆弧的直径与滚珠22的直径一致或略小，且环形槽212的内表面光滑，减小环形槽212与滚珠22之间的摩擦力，巧妙的环形槽212设计使传力筒21和限位爪23之间能够保持相对转动，以防止因沉渣阻力过大而导致长限位销231受到大的剪切力，且该设计不影响限位爪23的轴向移动，起到推动限位爪23脱离的作用；

如图7所示，限位爪23包括长限位销231，短限位销232和限位环233，长限位销231和短限位销232固定在限位环233上，作为一种优选方案，长限位销231和短限位销232均为楔形状，长限位销231的长度远远大于短限位销232的长度，长限位销231的所在圆周外侧直径小于短限位销232的所在圆周内侧直径，长限位销231的所在圆周内侧直径与限位环233的内侧直径一致；长限位销231所在圆、短限位销232所在圆和限位环处于同心轴上。作为一种优选方案，四个长限位销231成90度均匀对称分布，四个短限位销232成90度均匀对称分布，即四个长限位销231均匀分布在限位环233上，四个短限位销232均匀分布在限位环233上；长限位销231的中心线与限位环中心轴线所在平面与相邻的短限位销232中心线与限位环中心轴线所在平面的夹角为33.75度。

限位环233除用于固定长限位销231和短限位销232之外，在测量孔钻孔的过程中，受弹簧24的推力作用，压紧传动齿121，使传动齿121始终处于支撑台342上，以保证测量孔钻头部件3能够与解除孔钻头部件1同步钻进。

如图8所示，滚珠22位于长限位销231的中心位置，采用热压工艺将滚珠22压人长限位销231内，保证滚珠22的一半进入长限位销231体内。

弹簧24用于传力筒21在未受外力作用下时，保证短限位销232处于导向槽343内，从而保证传动齿121处于与测量孔钻头31保持相对静止状态；。

测量孔钻头部件3包括测量孔钻头31，测量系统32，楔形钻头33，外壳34。

测量孔钻头31的尺寸与测量系统32的要求一致；

测量系统32可以为应变片，光学显微测量等；

楔形钻头33的最外沿直径尺寸（即锥形头332的外径）略大于传力筒21的内径，以防止传力筒21下落，楔形钻头33与外壳34之间采用丝扣进行连接；

外壳34上设置有环形定位部36、内限位台344和外限位台345，环形定位部36上设置有定位孔341，支撑台342，导向槽343；作为一种优选方案，如图9所示，定位孔341，支撑台342，导向槽343在垂直于环形定位部36的中心轴线的平面上的剖面均成扇形的外环状，扇形的角度为22.5度，且支撑台342的中心线和环形定位部36的中心轴线所在平面与导向槽343的中心线和环形定位部36的中心轴线所在平面的夹角为22.5度角，支撑台342的中心线和环形定位部36的中心轴线所在平面与定位孔341的中心线和环形定位部36的中心轴线所在平面的夹角成33.75度角，四个定位孔341沿圆周均匀分布，四个支撑台342沿圆周均匀分布，四个导向槽343沿圆周均匀分布，定位孔341均为上下通孔，导向槽343上下导通，支撑台342的高度等于或略小于导向槽343的长度减去短限位销232的长度值，四个定位孔341所在圆，四个支撑台342所在圆和四个导向槽343所在圆的中心轴严格共线，且与环形定位部36的中心轴线共线，内限位台344的外径小于外限位台345的外径，内限位台344的外径与下限位台122一致或略小，外限位台345的外径与上限位台123一致或略小。

如图10所示，当传动齿121刚好完全落在支撑台342上时，限位爪23能够进行装配，即短限位销232能够完全进入导向槽343，长限位销231能够完全进入定位孔341，且限位爪23能够完全平滑脱离。

在进行测量孔钻孔时，动力驱动解除孔钻头部件1正向转动（顺时针方向），传动齿121传力给短限位销232，在短限位销232与长限位销231的共同传力作用下，测量孔钻头部件3与解除孔钻头部件1同步正向转动，示意图如图11所示，从而实现测量孔的钻孔过程。

当测量孔钻孔到指定位置后，传力筒21顶起长限位销231，使短限位销232脱离导向槽343，由于传动齿121时刻保持旋转状态，在短限位销232脱离导向槽343的瞬间，传动齿121会正向旋转进入导向槽343，示意图如图12所示，此时，传动齿121依然能够带动测量孔钻头部件3旋转。

由于传动齿121时刻保持旋转和前进状态，传动齿在进入导向槽343后，会随即脱离导向槽343，示意图如图13所示，此刻，传动齿121的旋转将不能驱动测量孔钻头部件3的钻进，从而实现测量孔钻头部件3的脱离过程。

部件材料及加工要求：

解除孔钻头11采用合金结构钢（42CrMo），钻杆12采用合金钢管（R780），传动齿121需要硬化处理来提高强度和刚度，下限位台122和上限位台123的内侧表面需要打磨处理，减小与内限位台343和外限位台344的摩擦力。

环形槽212的直径与滚珠22的直径一致或略小，且要对环形槽212的内表面进行打磨处理，减小环形槽212与滚珠22之间的摩擦力。滚珠22采用热压工艺压人长限位销231内，保证滚珠22的一半进入长限位销231体内。

限位爪23需要进行硬化处理来提高强度和刚度，并严格保证长限位销231和短限位销232中心轴线严格共线。

弹簧24可采用1mm的弹簧钢丝，加工形成螺旋状弹簧。弹簧24的内径要略大于外壳34相应位置的外径。

测量孔钻头31为凹型钻头，起到固定的作用，楔形钻头33采用镶嵌式金刚钻头，其最外沿直径尺寸（即锥形头332的外径）略大于传力筒21的内径，以防止传力筒21下落。内限位台343和外限位台344的外侧表面需要打磨处理，减小与下限位台122和上限位台123的摩擦力。

需要对定位孔341、支撑台342和导向槽343的表面进行打磨处理，减小与长限位销231、传动齿121和短限位销232之间的摩擦力，保证定位孔341的外径不小于长限位销231的外径，支撑台342的内径不大于传动齿121的内径，导向槽343的内径不大于短限位销232的内径，导向槽343的内径不大于传动齿121的内径。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于应力解除法的钻测一体化装置，包括筒状的解除孔钻头部件(1)，其特征在于，还包括脱离控制部件(2)和测量孔钻头部件(3)，

解除孔钻头部件(1)包括筒状的钻杆(12)，钻杆(12)内侧设置有传动齿(121)，钻杆(12)底部设置有解除孔钻头(11)，

测量孔钻头部件(3)包括柱状的外壳(34)，外壳(34)上套设有环形定位部(36)，环形定位部(36)的外侧沿外壳(34)的纵向方向开设有导向槽(343)，导向槽(343)贯穿环形定位部(36)的上下表面，环形定位部(36)的外侧还开设有传动齿放置槽(346)，传动齿放置槽(346)贯穿环形定位部(36)的上表面，环形定位部(36)上位于传动齿放置槽(346)下方的部分构成支撑台(342)，传动齿放置槽(346)与导向槽(343)的侧部连通，环形定位部(36)上还设置有贯穿环形定位部(36)的上下表面的定位孔(341)，外壳(34)的底部设置有测量孔钻头(31)，测量孔钻头(31)的上部套设有楔形钻头(33)，楔形钻头(33)包括筒状的连接柱(331)和连接柱(331)下方的锥形头(332)，

脱离控制部件(2)包括限位环(233)，还包括设置在限位环(233)上的长限位插销(231)和短限位插销(232)，长限位插销(231)插入定位孔(341)，短限位插销(232)插入导向槽(343)，长限位插销(231)下方还设置有套设在外壳(34)上的传力筒(21)，传力筒(21)的内径小于楔形钻头(33)的外径，传力筒(21)的外径大于楔形钻头(33)的外径。

2.根据权利要求1所述的一种基于应力解除法的钻测一体化装置，其特征在于，所述的外壳(34)上部套设有内限位台(344)，内限位台(344)上方还设置有外限位台(345)，外限位台(345)的外径大于内限位台(344)的外径，钻杆(12)上部的内侧设置有下限位台(122)和上限位台(123)，上限位台(123)位于下限位台(122)的上方，上限位台(123)的内径与外限位台(345)的外径适配，下限位台(122)的内径与内限位台(344)的外径适配，内限位台(344)与限位环(233)之间设置有弹簧(24)。

3.根据权利要求1所述的一种基于应力解除法的钻测一体化装置，其特征在于，所述的传力筒(21)的顶部设置有剖面为圆弧的环形槽(212)，长限位插销(231)的底部嵌入有滚珠(22)，滚珠(22)设置在环形槽(212)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于应力解除法的钻测一体化装置，其特征在于，所述的传力筒(21)的底部为齿状。

5.根据权利要求1所述的一种基于应力解除法的钻测一体化装置，其特征在于，所述的测量孔钻头(31)上设置有测量系统(32)。