CN106018100B - 一种多功能真三轴岩石钻探测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，包括压力加载装置、钻机单元、监测控制单元和液压泵，其中，所述液压泵向压力加载装置提供动力，所述压力加载装置对放置于其中的岩石试件施加轴压和围压，钻机单元设置于压力加载装置上端，对受压的岩石试件进行钻进；监测控制单元控制压力加载装置的施加压力和钻机单元中钻机的扭矩与轴向压力，对处于三向压力状态下的岩石试件的力学参数进行采集。本发明可设定钻进速率和转速或者设定钻进速率和扭矩，实现恒位移钻进，还可设定轴压和转速或者设定轴压和扭矩实现恒压钻进。解决了目前未有一种三向围压条件下钻进参数测试试验装置的问题，具有现实的科研与工程意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能真三轴岩石钻探测试系统。
背景技术
利用钻机钻进过程中运动参数(钻机轴压、扭矩、转速、位移、钻进速率、冲击压力)与岩石力学参数(单轴抗压强度、泊松比、内摩擦角、弹性模量)和岩体特征(裂隙的倾角、宽度、数量)做相关度研究是目前较为前沿的研究方向，该方法因钻进过程中不取岩芯，直接利用钻机运动参数来表征岩石力学参数，具有直观、效率高、现场实时判定等优点。目前针对该项研究的室内试验装置较少，并具有以下缺陷：
(1)无施加围压和轴压的装置，而地下工程现场的岩石一般处于三向压力状态，导致现有试验装置钻进条件与工程现场的条件差别较大。
(2)无法为岩体试件施加热力学耦合条件，无法研究岩体热力耦合作用下对钻机钻进参数的影响，无法研究热力耦合作用下岩体的力学特性。
(3)所用钻机较小，为旋切式钻机，无法安装冲击式钻机，室内试验钻头与工程现场不一致，研究工况与工程现场差距较大。
(4)只能做钻进试验，而无法具有单轴试验仪和真三轴试验机的功能，不能一机多用。
目前还没有公布一种三向围压条件下钻进参数测试和钻进过程研究的试验装置。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，本发明不仅可以完成三向围压条件下钻机钻进和钻进过程中的钻机运行参数测量试验，而且还具备单轴试验机的功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，包括压力加载装置、钻机单元、监测控制单元和液压泵，其中，所述液压泵向压力加载装置提供动力，所述压力加载装置对放置于其中的岩石试件施加轴压和围压；
所述钻机单元设置于压力加载装置上端，对三向围压加载下的岩石试件进行钻进；
所述监测控制单元控制压力加载装置施加压力，同时控制钻机的扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个。
所述压力加载装置，包括压力室，所述压力室外侧设置有轴压加载装置和围压加载装置，分别对岩石试件施加轴压和围压。
进一步的，所述轴压加载装置，包括轴向液压油缸，所述轴向液压油缸推动活塞杆运动，带动轴向加载板推动承载有岩石试件的试件平台做轴向运动，并与顶部的反力架接触向岩石试件施加轴力。
所述反力架下固定连接有平台板，平台板直接与岩石试件接触，平台板和反力架中部设置预留孔，使钻机钻杆通过。
所述压力室下端为承载其与岩石试件的试件平台，所述试件平台下中部位置焊接有方形框卡槽，其内尺寸与轴向加载板尺寸一致，活塞杆推动轴向加载板卡入试件平台下的方形框卡槽内，防止试件与试件平台发生扭转。
进一步的，所述围压加载装置，包括两组垂直设置的侧向加载板组，每组侧向加载板组包括两个相对、平行布设的侧向加载板，两组侧向加载板组形成矩形加载架构，以包围住压力室。
所述两组侧向加载板组的施加压力不同或相同。
所述围压加载装置，还包括侧向液压油缸，液压油缸驱动活塞杆推动侧向加载板给试件施加水平向压力，所述侧向液压油缸外侧设置有侧向反力板。
所述侧向液压油缸嵌固于支撑立板中，侧向液压油缸端部顶住侧向反力板，侧向反力板与支撑立板固接，四个支撑立板固接与侧向反力板一起组成围压加载支撑框架，为侧向液压油缸提供支撑反力。
所述钻机单元，包括钻机，所述钻机嵌入钻机滑轨中，钻机沿钻机滑轨沿轴向上下移动，钻机滑轨通过钻机滑轨固定板固定于试件顶部的反力架上，钻机与钻机伺服电机固接在一起，在上部液压杆的推动或拉动下，向下或者向上运动。
所述钻机伺服电机为钻机提供旋转力，液压杆为钻机提供向下的压力，钻机钻头钻杆通过试件顶部的反力架和加载板的预留孔，与试件接触，发生钻进作用。
所述监测控制单元，包括监测单元，具体包括检测轴压的轴压传感器、检测轴向加载板移动距离的轴向位移传感器、检测四个方向上侧向围压大小的侧向围压传感器、检测侧向加载板移动距离的侧向位移传感器、检测钻机扭矩的钻机扭矩传感器、钻机转速的钻机转速传感器、钻机向下施加压力大小的钻机压力传感器和钻机上下移动距离的钻机位移传感器。
所述监测控制单元，包括控制单元，具体包括逻辑控制器、功率放大器和伺服电机，所述逻辑控制器接受传感器的信号，与设定值进行对比，并发出电压指令，经过功率放大器，控制伺服电机工作，并实现闭环控制，轴压和围压以及钻机扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个。
所述钻机将钻头拧去后，再在钻杆上拧上一个单轴加载板，钻机部分沿钻机滑轨向下移动，成为一个单轴压力机，在压力室内放置试件，单轴加载板对标准试件施加轴向压力，同时钻机的轴压传感器、位移传感器可记录加载板向下运动时的轴压和位移，最终完成单轴压缩试验。
所述多功能真三轴岩石钻探测试系统，可实现硬岩试件三个主应力独立施加，以及应力路径的自动控制，能够测定岩体试件大、小主应力差与大主应变和小主应变的曲线，并可测得体应变与大主应变之间的关系曲线，具有硬岩真三轴试验机的功能。
优选的，所述侧向加载板内侧放置特制钢材加热板，加热板内部设有弯形管路，在加热板一侧面上端焊接管路入口，与之相对的侧面下端焊接管路出口，使水蒸汽或者高温液体在管路中通过，从而对试件进行加热，而后进行热力耦合作用下试件力学性能的研究。
优选的，所用试块内若有含水体或者充填裂隙水，可放置于一个内尺寸和试件尺寸一致的高压力密封橡胶盒中，再在试件顶部覆盖一个尺寸略大于底部橡胶盒的橡胶盖，橡胶盖在钻机钻头和钻杆穿过区域预留孔洞，轴向和侧向加载板将压力作用到橡胶盒与橡胶盖上，再通过橡胶盒和橡胶盖为试件施加三向压力，此设计可防止内部水体外流，使试验仪可对含水岩体进行试验。
所述钻机为旋切式钻机或冲击式钻机。旋切式钻机的钻头可设置为取芯钻头也可设置为不取芯钻头。
本发明的有益效果为：
(1)可测定钻机钻进过程中的轴压、位移、钻进速率、转速、扭矩、冲击压力参数，并可设定钻进速率和转速或者设定钻进速率和扭矩，实现恒位移钻进，还可设定轴压和转速或者设定轴压和扭矩实现恒压钻进。
(2)可赋予试件三向压力，真实模拟岩石在地下工程中所处的应力状态和钻进工作环境，具有现实的科研和工程意义。
(3)本发明可使用的钻机多样，可为旋切式钻机也可为冲击式钻机，旋切式钻机可用取芯钻头也可用不取芯的钻头，可模拟和研究多种钻机的运行参数与地下工程围岩的性质之间的关系。
(4)本发明三维加载钻探测试仪还具有单轴和硬岩真三轴压力机的功能，还可以利用特制钢材加热板为试件进行持续加热，进一步进行热力耦合作用下试件力学性能和对随钻参数影响的研究以及热力学耦合作用下岩体力学性质研究，另外，可将含水岩体放入橡胶盒中，使试验仪可对含水岩体进行试验，具有多功能的特征。
(5)本发明可以完成三向围压条件下钻机钻进和钻进过程中的钻机运行参数测量试验，解决了目前未有一种三向围压条件下钻进参数测试试验装置的问题，具有现实的科研与工程意义。
附图说明
图1是本发明三维加载钻探测试仪的正面结构示意图。
图2是本发明三维加载钻探测试仪的侧面结构示意图。
图3是本发明装置中的围压施加装置和试件平台剖面示意图。
图4是本发明装置中的液压杆结构示意图。
图5是本发明装置中的监测控制系统原理框图。
图6是本发明装置中的加热板结构示意图。
图中，1、试验台；2、轴向液压油缸；3、密封塞；4、轴向加载板；5、支撑立板；6、侧向液压油缸；7、侧向反力板；8、侧向加载板；9、顶部反力架；10、铁轨；11、试件平台；12、钻杆；13、钻机；14、钻机伺服电机；15、液压杆；16、支撑立柱；17、方形框卡槽；18、试件；19、平台板；20、车轮；21、活塞杆；22、车轮轴承；23、侧向液压油缸进油口；24、侧向液压油缸出油口；25、试件基座；26、液压杆活塞；27、液压杆进油口；28、液压杆出油口；29、钻机滑轨；30、钻机滑轨固定板；31、压力室；32、预留孔；33、轴压传感器；34、轴向位移传感器；35、侧向围压传感器；36、侧向位移传感器；37、钻机转速传感器；38、钻机扭矩传感器；39、钻机压力传感器；40、钻机位移传感器；41、逻辑控制器；42、功率放大器；43、液压泵伺服电机；44、加热板；45、管路入口；46、管路；47、管路出口。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种三维加载钻探测试仪，由钻机系统、轴压加载装置、围岩加载装置、支撑框架、监测控制系统和液压泵站组成。
所述轴压加载装置，试验台1中部为一圆柱形凹孔，轴向液压油缸2放置凹孔内，变截面活塞杆21从轴向液压油缸2顶部伸出，活塞杆21固接于轴向加载板4，活塞杆21与试验台1之间用密封塞3密封，试件18放于试件平台11上，试件18顶部为顶部反力架9。
所述轴向加载装置，工作原理是：液压泵将液压油推入轴向液压油缸2中，进而推动液压油缸内活塞杆21向上运动，上移一段距离后，轴向加载板4嵌入试件平台11中，推动试件18向上运动，并与顶部的反力架接触施加轴力。
所述变截面活塞杆21底部为圆形截面，从下到上圆形活塞杆截面增大数次，活塞杆顶部与一正方体钢制轴向加载板4固接。
所述试件平台11下中部位置焊接有方形框卡槽17，其内尺寸与轴向加载板4尺寸一致，活塞杆推动轴向加载板4卡入试件平台11下的方形框卡槽17内，防止试件与试件平台11发生扭转。试件平台11下方设置四个车轮，车轮在铁轨10上移动，铁轨10固定在试验台1上。
所述顶部反力架9下固接平台板19，平台板19直接与试件接触，平台板19和反力架中部设置预留孔32，使钻机钻杆12通过。
如图3所示，围压加载装置，试件每侧面设置有侧向液压油缸6，侧向液压油缸6伸出活塞杆，活塞杆与侧向加载板8固接，侧向液压油缸6嵌固于支撑立板5中，侧向液压油缸6端部顶住侧向反力板7，侧向反力板7与支撑立板5固接，四支撑立板5固接与侧向反力板7一起组成围压加载支撑框架，为侧向液压油缸6提供支撑反力，围压加载装置放置于试件平台11上，可随试件平台11上下移动，并沿铁轨10拉出。
所述侧向加载板8为长方体钢板，在液压油缸驱动的活塞推动下，给试件施加水平向压力，加载板高度与试件相同，宽度略小于试件，以防止相邻侧向加载板8在试件压缩变形后互相干扰。
所述围压加载装置相邻侧向液压油缸6可独立控制，即可施加相邻试件侧面不等值压力。
钻机系统，钻机13嵌入钻机滑轨中，钻机13可沿钻机滑轨29上下移动，钻机滑轨29通过钻机滑轨固定板30固定于顶部的反力架9上，钻机13与钻机伺服电机14固接在一起，在上部液压杆15的推动或拉动下，向下或者向上运动，钻机伺服电机14为钻机13提供旋转力，液压杆15为钻机13提供向下的压力，钻机钻头钻杆12通过顶部的反力架和加载板的预留孔32，与试件18接触，发生钻进作用。
所述钻机13可设置为旋切式钻机，也可设置成冲击式钻机。旋切式钻机的钻头可设置为取芯钻头也可设置为不取芯钻头。
如图5所示，监测控制系统，由轴压传感器33、轴向位移传感器34、四个侧向围压传感器35、四个侧向位移传感器36、钻机转速传感器37、钻机扭矩传感器38、钻机压力传感器39、钻机位移传感器40、逻辑控制器41、功率放大器42和伺服电机组成。
监测控制系统可控制轴压和围压，并可控制钻机扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个。
工作过程为，逻辑控制器41接受传感器的信号，与设定值进行对比，并发出电压指令，经过功率放大器，控制伺服电机工作，并实现闭环控制。
试验仪支撑框架，支撑框架底部为试验台1，四个支撑立柱16竖立并固定于试验台1，上部有反力架与四个支撑立柱16相连。
本发明具有真三轴试验机的功能，可对不同尺寸岩石试件实施真三轴试验。
所述钻机将钻头拧去后，再拧上一个单轴加载板，钻机部分沿钻机滑轨向下移动，成为一个单轴压力机，在压力室31内防止试件，单轴加载板对标准试件施加轴向压力，同时钻机的轴向压力传感器、速度传感器和位移传感器可记录加载板向下运动时的轴压、位移和速率。
所用试块内若有含水体或者充填裂隙水，可放置于一个内尺寸和试件尺寸一致的高压力密封橡胶盒中，再在试件顶部覆盖一个尺寸略大于底部橡胶盒的橡胶盖，橡胶盖在钻机钻头和钻杆12穿过区域预留孔洞，轴向和侧向加载板8将压力作用到橡胶盒与橡胶盖上，再通过橡胶盒和橡胶盖为试件施加三向压力，此设计可防止内部水体外流，使试验仪可对含水岩体进行试验。
如图6所示，可在试件外侧，在侧向加载板8内侧放置特制钢材加热板44，加热板44厚度大于20mm，加热板内部设有弯形管路46，在加热板44一侧面上端焊接管路入口45，与之相对的侧面下端焊接管路出口47，使水蒸汽或者高温液体在管路46中通过，从而对试件进行加热，而后进行热力耦合作用下试件力学性能的研究。
本实施例装置中所用钻机以取芯钻机为例，钻机还可选择不取芯旋切式钻机和冲击式钻机。
第一步：制作试验试件18，试件平台11下设有四车轮20，将试件平台11沿铁轨10拉出到端部，将制作的试件18放入到四施加围压的侧向加载板8组成的压力室31内，然后将试件平台11推入到铁轨10另一端，此时试件18处于试验台1的中央。
第二步：在与逻辑控制器41配套的计算机软件中输入设定的围压值，逻辑控制器41发出指令，经过功率放大器42，作用到液压泵站的伺服电机43中，液压泵站驱动特定压力的液压油流动，液压油进入试件18四侧向液压油缸6，侧向液压油缸6推动活塞杆，进而推动侧面加载板8为试件18施加侧向压力，侧向围压传感器35时刻接收侧向液压油缸6压力信号，并传给逻辑控制器41，并与设定值对比，以动态维持围压。
第三步：在软件中输入设定的轴压值，逻辑控制器41控制液压泵站的伺服电机43，为轴向加载装置中的轴向液压油缸2输入液压油，并驱动与油缸相连的活塞杆21向上运动，带动轴向加载板4进入试件平台11下的方形框卡槽17中，举升试件平台11和试件18，与顶部反力架9底部的平台板19接触并互相挤压，产生轴力作用，轴压传感器33时刻接收液压油缸2压力信号，并传给逻辑控制器41，并与设定值对比，以动态维持轴压。
第四步：在软件中设定取芯钻机13的运行参数，比如设定钻机13的钻进速率和转速，逻辑控制器41控制钻机伺服电机14，使钻机13以预设的转速转动，逻辑控制器41控制液压泵站的伺服电机43，为液压杆15提供液压动力，推动钻机13和钻机伺服电机14向下运动，钻头和钻杆12穿过试件顶部的反力架9和平台板19的预留孔32，与试件18接触，持续钻进，钻机位移传感器40和转速传感器37时刻监测钻机钻进过程中的钻进速率和转速，并与逻辑控制器41、功率放大器42、钻机中的伺服电机14和减速器共同作用，使钻机在设定的参数下工作，并达到设定深度后停止钻进，钻机扭矩和钻机轴向压力作为被测量，记录在逻辑控制器41中。
第五步：将取芯钻机13沿钻机滑轨29提升，将钻机13所钻试件18岩芯取出，岩芯经过切削和打磨，制作标准岩石试件。
第六步：释放试件18围压，将试件平台11下降到铁轨10上，并拉出试件平台11到铁轨10端部，取出试件18，并将岩芯制作的标准试件放于压力室31中心位置，再将试件平台11推入到铁轨10另一端，完成标准试件的安放。
第七步：将钻机13沿钻机滑轨29下行至钻头越过顶部平台板19预留孔32，将钻头拧去，并拧上加载板，使试验仪具备做单轴试验机的功能，将钻机13按照压力加载或者位移加载方式下行，加载板对标准试件施加压力，同时钻机压力传感器39、钻机位移传感器40可记录加载板向下运动时的轴压、位移和速率，并最终完成单轴压缩试验。
第八步：将试件18在钻进过程中所测得的钻机13扭矩、压力数据与标准试件的单轴抗压强度数据进行相关度分析，来研究三轴压力下，不同岩体的钻进参数与力学参数(单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角、泊松比)的关系。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (11)
1.一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：包括压力加载装置、钻机单元、监测控制单元和液压泵，其中，所述液压泵向压力加载装置提供动力，所述压力加载装置对放置于其中的岩石试件施加轴压和围压；
所述钻机单元设置于压力加载装置上端，对受压的岩石试件进行钻进；
所述监测控制单元控制压力加载装置施加压力，同时控制钻机的扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个；
所述钻机单元，包括钻机，所述钻机嵌入钻机滑轨中，钻机沿钻机滑轨沿轴向上下移动，钻机滑轨通过钻机滑轨固定板固定于试件顶部的反力架上，钻机与钻机伺服电机固接在一起，在上部液压杆的推动或拉动下，向下或者向上运动。
2.如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述压力加载装置，包括压力室，所述压力室外侧设置有轴压加载装置和围压加载装置，分别对岩石试件施加轴压和围压；所述压力室下端为承载其与岩石试件的试件平台，所述试件平台下中部位置焊接有方形框卡槽，其内尺寸与轴向加载板尺寸一致，活塞杆推动轴向加载板卡入试件平台下的方形框卡槽内，防止试件与试件平台发生扭转。
3.如权利要求2所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述轴压加载装置，包括轴向液压油缸，所述轴向液压油缸推动活塞杆运动，带动轴向加载板推动承载有岩石试件的试件平台做轴向运动，并与顶部的反力架接触向岩石试件施加轴力；所述反力架下固定连接有平台板，平台板直接与岩石试件接触，平台板和反力架中部设置预留孔，使钻机钻杆通过。
4.如权利要求2所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述围压加载装置，包括两组垂直设置的侧向加载板组，每组侧向加载板组包括两个相对、平行布设的侧向加载板，两组侧向加载板组形成矩形加载架构，以包围住压力室；
所述围压加载装置，还包括侧向液压油缸，液压油缸驱动活塞杆推动侧向加载板给试件施加水平向压力，所述侧向液压油缸外侧设置有侧向反力板。
5.如权利要求4所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述侧向液压油缸嵌固于支撑立板中，侧向液压油缸端部顶住侧向反力板，侧向反力板与支撑立板固接，四个支撑立板固接与侧向反力板一起组成围压加载支撑框架，为侧向液压油缸提供支撑反力。
6.如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述钻机伺服电机为钻机提供旋转力，液压杆为钻机提供向下的压力，钻机钻头钻杆通过试件顶部的反力架和加载板的预留孔，与试件接触，发生钻进作用。
7.如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述监测控制单元，包括监测单元，具体包括检测轴压的轴压传感器、检测轴向加载板移动距离的轴向位移传感器、检测四个方向上侧向围压大小的侧向围压传感器、检测侧向加载板移动距离的侧向位移传感器、检测钻机扭矩的钻机扭矩传感器、钻机转速的钻机转速传感器、钻机向下施加压力大小的钻机压力传感器和钻机上下移动距离的钻机位移传感器。
8.如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述监测控制单元，包括控制单元，具体包括逻辑控制器、功率放大器和伺服电机，所述逻辑控制器接受传感器的信号，与设定值进行对比，并发出电压指令，经过功率放大器，控制伺服电机工作，并实现闭环控制，轴压和围压以及钻机扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个。
9.如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述钻机将钻头去除，钻杆上固定一个单轴加载板，钻机部分沿钻机滑轨向下移动，成为一个单轴压力机，在压力室内放置试件，单轴加载板对标准试件施加轴向压力，同时钻机的轴压传感器、位移传感器可记录加载板向下运动时的轴压和位移，完成单轴压缩试验。
10.如权利要求4所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述侧向加载板内侧放置加热板，加热板内部设有弯形管路，在加热板一侧面上端焊接管路入口，与之相对的侧面下端焊接管路出口，使水蒸汽或者高温液体在管路中通过，从而对试件进行加热，而后进行热力耦合作用下试件力学性能的研究。
11.如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述岩石试件内若有含水体或者充填裂隙水，将其放置于一个内尺寸和试件尺寸一致的高压力密封橡胶盒中，再在试件顶部覆盖橡胶盖，橡胶盖在钻机钻头和钻杆穿过区域预留孔洞，轴向和侧向加载板将压力作用到橡胶盒与橡胶盖上，再通过橡胶盒和橡胶盖为试件施加三向压力。
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