CN108731972A - 一种软弱岩石取芯装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属软弱岩石力学测试领域；具体地，涉及一种软弱岩石取芯的装置和方法。取芯装置包括钻头、一体式降温吸尘器、试样夹持器、升降器、主轴、立柱、转速控制器、主电机、机座；钻头安装在主轴底端，主轴与一体式降温吸尘器、升降器相连，实现取芯过程中的钻头升降及吸尘降温；钻头下方为试样夹持器，用于调整固定岩样位置；主电机、转速控制器、升降器、主轴依次相连，实现动力传动以及转速控制；主电机、转速控制器分别与立柱相连，实现高度的控制；试样夹持器、立柱下方与机座相连，机座支撑上部结构并保证工作面高度一致。本发明具有如下有益效果可适用于各种软弱岩石试样的取芯，保证所取岩芯结构完整性。

Description

一种软弱岩石取芯装置和方法

技术领域

本发明属软弱岩石力学测试领域；具体地，涉及一种软弱岩石取芯的装置和方法，适用于实验室内各种软弱岩石的取芯处理，所取岩芯可保持岩石原有结构和特性，保证了室内试验的准确性。

背景技术

软弱岩石属工程性质不良的岩石，强度低、变形大，且遇水易发生膨胀或崩解。地下工程建设中常常遇到软弱岩石，由此引起的工程失稳、变形大、施工难等问题已成为工程研究的焦点。因此，开展软弱岩石室内试验研究对于岩石工程建设具有重要的现实意义。

岩石取芯是开展岩石室内试验的基础，直接影响软弱岩石力学特性室内试验的准确性。钻头在岩石取芯过程中会产生大量热量和岩屑，高温会导致钻头损坏，亦会引起岩样性质改变。此外，岩屑扩散至空气中亦会对试验人员的身体造成伤害。因此，需要采取有效的措施防止温度过高，并同时清除岩屑。

现有岩石取芯机大多采用水予以直接降温和除尘的方法，但软弱岩石鉴于其内部组构松散和孔隙率略大等特点，对水十分敏感，遇水易发生软化、崩解或膨胀变形，故大部分软弱岩石取芯时无法采用上述湿式降温除尘方法。此外，软弱岩石易破碎，常规钻头和试样夹持器易造成岩样边缘破坏，而传统手工打磨亦存在精度低且表面不平整等问题，无法满足试验的需求。

现存针对软弱岩石的取芯装置和方法较少，仅有的部分装置和方法结果如下：

郝召兵和黄伟清等提供了一种软岩样品的磨平装置(一种软岩样品磨平装置；专利申请号：20140078626.4)，但此装置仅为圆柱状岩芯的加工磨平处理，并不包括软弱岩石的取芯和整体打磨，亦未考虑打磨过程中的散热降温和岩屑处理等问题，故此装置存在一定的局限性。

软弱岩石亲水性较好，为了防止取芯过程破坏其结构和性质，常采用无水方法对其予以取芯。赵同彬和邹建超等提供一种软岩无水取芯装置(一种软岩取芯装置；专利申请号201520015885.2)，并阐明了相关取芯方法(一种软岩干式取芯装置及取芯方法；专利申请号：201510011942.4)；上述装置和方法解决了软岩取芯过程中的岩屑清理和钻头降温问题，但未考虑钻头和试样夹持器对岩样造成的破坏,且无法实现岩样端面的打磨，故该装置亦存在一定的局限性。

参阅国内外相关资料的基础上，认为原有软弱岩石取芯装置及方法存在无法整体打磨岩样、未考虑散热降温、无法清除岩屑、忽略钻头和夹持器对岩样的伤害等不足；基于此，本发明人发明了一种软弱岩石取芯装置和方法，该装置具有一体式降温吸尘装置，同时对钻头和试样夹持器予以了改进，保证了软弱岩石取芯的完整性和精确性。

发明内容

为克服现有装置存在的不足，本发明提供一种软弱岩石取芯装置和方法，以确保岩芯在制备过程中不受损坏，进而有利于软弱岩石力学特性研究，亦简化了现有装置的结构。

为实现上述目的，本发明采用的解决方案如下：

一种软弱岩石取芯装置包括：钻头、一体式降温吸尘器、试样夹持器、升降器、主轴、立柱、转速控制器、主电机、机座；其中：钻头安装在主轴底端，主轴与降温吸尘器、升降器相连，实现取芯过程中的钻头升降以及吸尘降温；钻头下方为试样夹持器，用于调整固定岩样位置；主电机、转速控制器、升降器、主轴依次相连，实现动力传动以及转速控制；主电机、转速控制器分别与立柱相连，实现高度的控制；试样夹持器、立柱下方与机座相连，机座支撑上部结构并保证工作面高度一致。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用下窄上宽的圆筒形钻头，减少了钻体对岩芯的损害，扩大了散热面积，确保了取芯过程中软弱岩石试样的完整性；

2、钻头顶面内嵌磨片，可以对岩芯端面进行打磨，保证了端面的平整；

3、钻体开设小孔，便于排屑；

4、通过产生负压引起空气流动降温吸尘；将降温和吸尘装置结合一体，岩屑可在降温吸尘装置内储存，无须二次处理；装置结构简单，解决了软弱岩石遇水软化崩解或膨胀的难题；

5、采用带有橡胶保护垫的试样夹持器，在夹持固定试样时予以保护、减震、防滑，确保了夹持过程中试样不受损坏；

附图说明

图1是软弱岩石取芯装置的结构示意图；

图2是软弱岩石取芯装置中钻头结构示意图；

图3是软弱岩石取芯装置中一体式降温吸尘结构示意图

图4是软弱岩石取芯装置中试样夹持器结构示意图

图中：1—钻头，2—一体式降温吸尘器，3—试样夹持器，4—升降器，5—主轴，6—转速控制器，7—主电机，8—立柱，9—机座，10—磨片，11—圆形接头，12—小孔，13—防尘罩，14—吸尘软管，15—负压箱，16—主轴外包套筒(连接防尘罩)，17—集尘箱，18—过滤袋，19—风叶，20—电动机，21—进风口，22—出风口，23—试样夹板，24—橡胶保护垫，25—旋转螺杆，26—滑道，27—转轮。

具体实施方式

如图1所示，软弱岩石取芯装置，包括：钻头1、一体式降温吸尘器2、试样夹持器3、升降器4、主轴5、转速控制器6、主电机7、立柱8、机座9；其中：钻头1安装在主轴5底端，主轴5与降温吸尘器2、升降器4相连，实现取芯过程中的钻头升降以及吸尘降温；钻头1下方为试样夹持器3，用于调整固定岩样位置；主电机7、转速控制器6、升降器4、主轴5依次相连，实现动力传动以及转速控制；主电机7、转速控制器6分别与立柱8相连，实现高度的控制；试样夹持器3、立柱8下方与机座9相连，机座9支撑上部结构并保证工作面高度一致。

如图2所示，钻头1为下窄上宽的圆筒形状，具有不同规格，最大钻芯直径为50mm，较窄的下部为磨削部分，材料为优质金属合金，边缘均匀分布有沟槽，磨削力度更强且有利于岩屑排出；钻头1顶端内嵌磨片10，用于岩样顶面的磨平，外部为与主轴连接的圆形接头11；钻头1上部钻体部分加宽，加宽是为了防止内壁摩擦岩样，対岩样造成二次磨损，同时增大了散热面积；加宽钻体臂上开设小孔12，有利于钻头散热和岩屑排出。

如图3所示，一体式降温吸尘器2，包括防尘罩13、吸尘软管14、负压箱15；防尘罩13为开放式的圆柱形壳体，上窄下宽，高145mm，保证较大范围地吸取岩屑；其上部与主轴外包套筒16连接，二者之间有圆形垫圈以保证紧密连接；吸尘软管14为耐高温的可伸缩软管，内径50mm，足够岩屑通过，连接防尘罩13与负压箱15；负压箱15产生负压吸尘降温，同时储存吸取的岩屑。

负压箱15，包括集尘箱17、过滤袋18、风叶19、电动机20；负压箱15整体为圆筒状，下半部分为集尘箱17，内部装有一定量的水，一个方面水可以吸热降温，防止电机过热损坏，另一方面可以吸收岩屑；集尘箱17与上部箱体可拆卸分离，且对称开有两个进风口21，其中一个进风口21与吸尘软管14相连，作为气流通道；负压箱15内部中间位置设有过滤袋18，作用是隔离尘土，保护风叶19；负压箱15的上半部分相应开有两个出风口22，保证空气流动，箱体顶盖上装有电动机20与风叶19，电动机20带动风叶19转动在箱体内产生负压区，负压区引起空气流动，产生吸力，气流将岩屑和热量带入集尘箱17内，被水吸收。

如图4所示，试样夹持器3，包括：两块试样夹板23、橡胶保护垫24、旋转螺杆25。试样夹板23放置于滑道26上，橡胶保护垫24固定于试样夹板23上，防止岩样被夹坏，同时有减震和防滑的作用，每块试样夹板23分别安装有旋转螺杆25，调节旋转螺杆25，可以固定不同大小和形状的岩样。

转速控制器6和主电机7；转速控制器6分别与主电机7、主轴5相连，主电机7提供动力，转速控制器6调整转速，传递动力，转速分为5个等级，适应不同岩石的取芯要求。

升降器4和主轴5；升降器4上接转速控制器6、下接主轴5，用于传递动力和控制钻头1高度；主轴5安装在升降器4下方，下接钻头1，主轴5中部设有外包套筒16，不随主轴5转动，用于连接防尘罩13。

立柱8和机座9；立柱8支撑上部结构，顶部与转速控制器6底部固定连接，上半部分侧面与主电机7固定连接，中间部分设置转轮27，用于调节取芯机高度；机座9固定立柱8和试样夹持器3，承载整个取芯机装置。

软弱岩石取芯方法，采用前述的取芯装置，包括如下步骤：

1、取芯装置连接：首先安装钻头，根据需要选用适合大小的钻头，安装在主轴上，拧紧防止钻头在取芯过程中脱离转轴；然后安装降温吸尘器，将防尘罩安装在主轴外套圆筒外侧，与圆筒固定好，在集尘箱装入适量的水，组装好负压箱，确保吸尘软管与防尘罩、负压箱的接口连接紧密，不漏气，防止影响吸尘、降温的效果；

2、仪器调试：调整初始高度，用升降器将钻头降到最低位置，根据待取芯试样的高度，调整适合取芯的初始高度，确保钻头顶部可以到达略低于岩芯的上平面的位置，保证岩样顶面的磨削，调整好高度之后，把钻头升至最高；之后设置转速，对于软弱岩石应采用高转速，将转速控制器调整到相应位置，打开主电机和降温吸尘器，确保降温吸尘效果和转速设置正确；

3、固定岩样：首先将橡胶保护垫装在试样夹板内侧，把待取芯岩样，放在试样夹板中间，对准钻头位置，确保钻头位于待取芯岩样中间位置且取心过程中钻头边缘不会超出岩样边界；对准位置之后，旋转螺杆，夹紧岩样，固定夹板位置，保证岩样在取芯过程中不会移动。

4、取芯：首先打开降温吸尘器，产生吸力后打开主电机开关，转动手动转轮使钻头缓慢匀速向下钻取岩芯；降温吸尘器风叶转动在负压箱内产生负压，在压力作用下，钻芯产生的岩屑和热量被气流带入集尘箱内，由集尘箱内的水吸收，既防止了钻头和岩样的温度过高，同时清理多余的岩屑，防止了岩屑四处扩散。

5、待取芯完成后，缓慢把钻头升高，待钻头完全露出，依次关闭主电机、降温吸尘器；最后卸下钻头，轻轻取下岩芯，用保鲜膜保存好，并将集尘箱、过滤袋取下，清理干净，以便下一次使用。

Claims (9)

1.一种软弱岩石取芯装置，包括：钻头、一体式降温吸尘器、试样夹持器、升降器、主轴、转速控制器、主电机、立柱、机座；其中：钻头安装在主轴底端，主轴与降温吸尘器、升降器相连，实现取芯过程中的钻头升降及吸尘降温；钻头下方为试样夹持器，用于调整固定岩样位置；主电机、转速控制器、升降器、主轴依次相连，实现动力传动及转速控制；主电机、转速控制器分别与立柱相连，实现高度的控制；试样夹持器、立柱下方与机座相连，机座支撑上部结构并保证工作面高度一致。

2.根据权利要求1所述的软岩取芯装置，其特征在于：钻头；钻头为下窄上宽的圆筒形状，具有不同规格，最大钻芯直径为50mm，较窄的下部为磨削部分，材料为优质金属合金，边缘均匀分布有沟槽，磨削力度更强且有利于岩屑排出；钻头顶端内嵌磨片，用于岩样顶面的磨平，外部为与主轴连接的圆形接头；钻头上部钻体部分加宽，加宽是为了防止内壁摩擦岩样，対岩样造成二次磨损，同时增大了散热面积；加宽钻体臂上开设小孔，有利于钻头散热和岩屑排出。

3.根据权利要求1-2所述的软岩取芯装置，其特征在于：一体式降温吸尘器，包括防尘罩、吸尘软管、负压箱；防尘罩为开放式的圆柱形壳体，上窄下宽，保证较大范围地吸取岩屑；其上部与主轴外包套筒部位连接，二者之间有圆形垫圈以保证紧密连接；吸尘软管连接防尘罩与负压箱；负压箱产生负压吸尘降温，同时储存吸取的岩屑。

4.根据权利要求1-3所述的软岩取芯装置，其特征在于：负压箱，包括集尘箱、过滤袋、风叶、电动机；负压箱整体为圆筒状，下半部分为集尘箱，集尘箱内装有一定量的水，一个方面水可以吸热降温，防止电机过热损坏，另一方面可以吸收岩屑；集尘箱与上部箱体可拆卸分离，集尘箱对称开有两个进风口，其中一个进风口与吸尘软管相连，作为气流通道；负压箱内部中间位置设有过滤袋，隔离尘土，保护风叶；负压箱的上半部分相应开有两个出风口，保证空气流动，箱体顶盖上装有电动机与风叶，电动机带动风叶转动在箱体内产生负压区，负压区引起空气流动，产生吸力，气流将岩屑和热量带入集尘箱内，被水吸收。

5.根据权利要求1-4所述的软岩取芯装置，其特征在于：试样夹持器，包括：两块试样夹板、橡胶保护垫、旋转螺杆。试样夹板放置于滑道上，橡胶保护垫固定于试样夹板上，防止岩样被夹坏，同时有减震和防滑的作用，每块夹板分别安装有旋转螺杆，可根据岩样大小不同，调节旋转螺杆，可以固定不同大小和形状的岩样。

6.根据权利要求1-5所述的软岩取芯装置，其特征在于：主电机和转速控制器，转速控制器分别与主电机、主轴相连，主电机提供动力，转速控制器调整转速，传递动力，转速分为5个等级，适应不同岩石的取芯要求。

7.根据权利要求1-6所述的软岩取芯装置，其特征在于：升降器和主轴；升降器上接转速控制器、下接主轴，用于传递动力和控制钻头高度；主轴安装在升降器下方，下接钻头，主轴中部设有外包套筒，不随主轴转动，用于连接防尘罩。

8.根据权利要求1-7所述的软岩取芯装置，其特征在于：立柱和机座；立柱支撑上部结构，顶部与转速控制器底部固定连接，上半部分侧面与主电机固定连接，中间部分设置转轮，用于调节取芯机高度；机座固定立柱和试样夹持器，承载整个取芯机装置。

9.一种软弱岩石取芯方法，采用权利要求1-8之一所述的测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、取芯装置连接：首先安装钻头，根据需要选用适合大小的钻头，安装在主轴上，拧紧防止钻头在取芯过程中脱离转轴；然后安装降温吸尘器，将防尘罩安装在主轴外套圆筒外侧，与圆筒固定好，在集尘箱装入适量的水，组装好负压箱，确保吸尘软管与防尘罩、负压箱的接口连接紧密，不漏气，防止影响吸尘、降温的效果；

(2)、仪器调试：调整初始高度，用升降器将钻头降到最低位置，根据待取芯试样的高度，调整适合取芯的初始高度，确保钻头顶部可以到达略低于岩芯的上平面的位置，保证岩样顶面的磨削，调整好高度之后，把钻头升至最高；之后设置转速，对于软弱岩石应采用高转速，将转速控制器调整到相应位置，打开主电机和降温吸尘器，确保降温吸尘效果和转速设置正确；

(3)、固定岩样：首先将橡胶保护垫装在试样夹板内侧，把待取芯岩样，放在试样夹板中间，对准钻头位置，确保钻头位于待取芯岩样中间位置且取心过程中钻头边缘不会超出岩样边界；对准位置之后，旋转螺杆，夹紧岩样，固定夹板位置，保证岩样在取芯过程中不会移动。

(4)、取芯：首先打开降温吸尘器，产生吸力后打开主电机开关，转动手动转轮使钻头缓慢匀速向下钻取岩芯；降温吸尘器风叶转动在负压箱内产生负压，在压力作用下，钻芯产生的岩屑和热量被气流带入集尘箱内，由集尘箱内的水吸收，既防止了钻头和岩样的温度过高，同时清理多余的岩屑，防止了岩屑四处扩散。

(5)、待取芯完成后，缓慢把钻头升高，待钻头完全露出，依次关闭主电机、降温吸尘器；最后卸下钻头，轻轻取下岩芯，用保鲜膜保存好，并将集尘箱、过滤袋取下，清理干净，以便下一次使用。

1—钻头，2—一体式降温吸尘器，3—试样夹持器，4—升降器，5—主轴，6—转速控制器，7—主电机，8—立柱，9—机座，10—磨片，11—圆形接头，12—小孔，13—防尘罩，14—吸尘软管，15—负压箱，16—主轴外包套筒(连接防尘罩)，17—集尘箱，18—过滤袋，19—风叶，20—电动机，21—进风口，22—出风口，23—试样夹板，24—橡胶保护垫，25—旋转螺杆，26—滑道，27—转轮。