CN108931393A - 用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，包括以下步骤：S1、确定岩芯的钻取位置；S2、根据所需的岩芯直径选取合适的取芯钻杆，并将钻机摆放到位；S3、依次在1‑1、1‑2、2‑1、2‑2标记处进行岩芯钻取，并分别将各个标记点钻取出的岩芯标记封存，在钻取岩芯时，通过水平定向系统将岩芯进行水平标记；S4、将取芯后的钻孔进行回填处理；S5、在实验室中，分别在1‑1、1‑2、2‑1、2‑2钻取的岩芯中钻取所需的测试试块。本发明的岩芯钻取方法，能够保证在深孔钻取岩芯时，取芯钻杆能够保持同向钻进，进而保证钻取的岩芯的合格，以便于保证逆断层地应力测试实验的顺利进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩芯钻取技术，特别涉及一种用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法。
背景技术
逆断层是地质构造中断层的一种，为上盘上升，下盘相对下降的断层，主要由水平挤压与重力作用而形成。目前，在煤矿巷道的掘进中，也会遇到逆断层的情况。由于逆断层带附近的应力相对集中和围岩破碎给巷道布设和维护带来巨大的安全隐患，因此急需测试逆断层附近的地应力赋存情况。而对于该处的地应力测试时，需要在逆断层附近钻取岩芯。目前的岩芯钻取方法，虽然能够满足浅孔岩芯的钻取，但是在深孔岩芯的钻取时，由于钻取深度较大，无法知晓取芯钻杆在钻取时是否产生轻微偏移，即使取芯钻杆只偏移1°，甚至是1°以下，也会导致钻取的岩芯前后两端受到的地应力分布方向产生偏差，因而无法满足逆断层处地应力的测试的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，该岩芯的钻取方法，能够保证在深孔钻取岩芯时，取芯钻杆能够保持同向钻进，进而保证钻取的岩芯的合格，以便于保证逆断层地应力测试实验的顺利进行。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，包括以下步骤：
S1、确定岩芯的钻取位置：
a、根据逆断层所在的位置，将巷道分割成逆断层上盘、逆断层下盘两部分，逆断层的坡面倾斜朝上的一侧为逆断层上盘，逆断层的坡面倾斜向下的一侧为逆断层下盘；
b、在逆断层上盘、逆断层下盘的巷道壁上分别标记两个取芯钻孔，其中位于逆断层上盘的两个钻孔标记分别为1-1、1-2，位于所述逆断层下盘的两个钻孔标记分别为2-1、2-2；
S2、根据所需的岩芯直径选取合适的取芯钻杆，并将钻机摆放到位；
S3、依次在1-1、1-2、2-1、2-2标记处进行岩芯钻取，并分别将各个标记点钻取出的岩芯标记封存，
在钻取岩芯时，通过水平定向系统将岩芯进行水平标记；
S4、将取芯后的钻孔进行回填处理；
S5、在实验室中，分别在1-1、1-2、2-1、2-2钻取的岩芯中钻取所需的岩芯试块；
优选的，在步骤S1中，位于上盘的两个钻孔标记1-1、1-2位于同一水平面上，位于上盘的两个钻孔标记2-1、2-2位于同一水平面上，且钻孔标记1-1、1-2位于靠近巷道顶部的巷道壁上，钻孔标记2-1、2-2位于巷道中部的巷道壁上。
优选的，所述钻孔标记1-1、1-2与逆断层之间的距离为5.1m，误差范围±0.8m，钻孔标记2-1、2-2与逆断层的距离为4.5m，误差范围±0.6m。
优选的，步骤S2中，在选取取芯钻杆之前，首先根据实验需求，确定所需的岩芯直径，然后再根据岩芯直径的大小，选取合适的取芯钻杆。
优选的，岩芯直径的范围值为90mm～137mm。
优选的，在步骤S3中，其取芯过程为，
a、在钻机的输出端上安装取芯钻杆；
b、将钻机摆放在钻孔标记1-1处，使取芯钻杆紧贴钻孔标记1-1处的巷道壁，并保证取芯钻杆的水平仰角为3°～5°，本实施例中，水平仰角为5°，取芯钻杆垂直于巷道的轴线布置；
c、启动钻机，在钻孔标记1-1处钻取出3m长的破碎岩芯，然后再将取芯钻杆从该钻孔中抽出，并将该破碎岩芯从取芯钻杆中取出丢弃；
d、确定岩芯的三位坐标系：沿3m钻孔的轴向为y方向，垂直于该钻孔的断面为x0z面，向上为z方向，水平向为x方向；
e、使用水平定向系统在钻孔内标记出水平方向，即x0y面，然后再从钻孔中拿出水平定向系统；
f、将取芯钻杆放入钻孔内，并按标定的水平方向，沿y方向推进取芯钻杆，直至钻取出1m的岩芯，然后再抽出取芯钻杆，取出该岩芯；
g、重复e、f的取芯步骤，直至取出总计6块岩芯，并将6块岩芯按照钻取深度，依次标记为1-1a、1-1b、1-1c、1-1d、1-1e、1-1f；
h、重复步骤a～g，在每个钻孔标记处分别钻取出6块长度为1m的岩芯，总计24块岩芯，并按照步骤g的标记方法，将各个钻孔标记处的岩芯，分别标记成相应的标记号。
优选的，在步骤S5中，通过二次定角度取样装置对岩芯进行钻取。
采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明在钻取岩芯时，通过水平定向系统对取芯钻杆进行水平标定，解决了传统的深孔取芯时无法直接标定岩芯水平方向的困扰；
2、本发明在进行深孔取芯时，在逆断层的上盘、下盘分别钻取两个取芯孔，并分别在每个取芯孔内钻取六段岩芯，方便了在实验室阶段，对岩芯进行二次钻取，同时，避免了同一个岩芯的长度过场，便于运输；
3、本发明在同一个钻孔标记的取芯孔内钻取六段岩芯时，每次钻取岩芯，都进行一次岩芯水平方向标定，保证了在钻取岩芯时能够沿相同的轴线进行钻取，保证了取芯钻杆在每次钻取岩芯时都能够保持相同的钻进角度，从而保证了钻取的岩芯两端受到的地应力分布方向保持一致，使同一个取芯孔内的六段岩芯的保持同心，同时实现在深孔中，能够直接对岩芯进行水平标定，提高了岩芯钻取的精确度，便于后续的实验。
附图说明
图1是本发明的水平定向系统的水准仪与外壳的装配示意图；
图2是本发明的水平定向系统的水准仪的结构示意图；
图3是本发明的水平定向系统的水准仪与水平调节装置、驱动杆的连接示意图；
图4是本发明的水平定向系统的卡接件的结构示意图；
图5是本发明的水平定向系统的第一支架的结构示意图；
图6是本发明的水平定向系统的驱动杆与连接杆的连接示意图；
图7是图6的水平定向系统的A-A剖视图；
图8是本发明的水平定向系统的驱动杆的端面结构示意图；
图9是本发明的取芯流程图；
图10是本发明的水平标定示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明做进一步说明。
本发明公开了一种用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，包括以下步骤：
S1、确定岩芯的钻取位置：
a、根据逆断层所在的位置，将巷道分割成逆断层上盘、逆断层下盘两部分，逆断层的坡面倾斜朝上的一侧为逆断层上盘，逆断层的坡面倾斜向下的一侧为逆断层下盘；
b、在逆断层上盘、逆断层下盘的巷道壁上分别标记两个取芯钻孔，其中位于逆断层上盘的两个钻孔标记分别为1-1、1-2，位于所述逆断层下盘的两个钻孔标记分别为2-1、2-2；
S2、根据所需的岩芯直径选取合适的取芯钻杆，并将钻机摆放到位；
S3、依次在1-1、1-2、2-1、2-2标记处进行岩芯钻取，并分别将各个标记点钻取出的岩芯标记封存，
在钻取岩芯时，通过水平定向系统将岩芯进行水平标记；
S4、将取芯后的钻孔进行回填处理；
S5、在实验室中，分别在1-1、1-2、2-1、2-2钻取的岩芯中钻取所需的岩芯试块；
在步骤S1中，位于上盘的两个钻孔标记1-1、1-2位于同一水平面上，位于上盘的两个钻孔标记2-1、2-2位于同一水平面上，且钻孔标记1-1、1-2位于靠近巷道顶部的巷道壁上，钻孔标记2-1、2-2位于巷道中部的巷道壁上。
钻孔标记1-1、1-2与逆断层之间的距离为5.1m，误差范围±0.8m，钻孔标记2-1、2-2与逆断层的距离为4.5m，误差范围±0.6m。
步骤S2中，在选取取芯钻杆之前，首先根据实验需求，确定所需的岩芯直径，然后再根据岩芯直径的大小，选取合适的取芯钻杆。
岩芯直径的范围值为90mm～137mm。
在步骤S3中，其取芯过程为，
a、在钻机的输出端上安装取芯钻杆；
b、将钻机摆放在钻孔标记1-1处，使取芯钻杆紧贴钻孔标记1-1处的巷道壁，并保证取芯钻杆的水平仰角为3°～5°，取芯钻杆垂直于巷道的轴线布置；
c、启动钻机，在钻孔标记1-1处钻取出3m长的破碎岩芯，然后再将取芯钻杆从该钻孔中抽出，并将该破碎岩芯从取芯钻杆中取出丢弃；
d、确定岩芯的三位坐标系：沿3m钻孔的轴向为y方向，垂直于该钻孔的断面为x0z面，向上为z方向，水平向为x方向；
e、使用水平定向系统在钻孔内标记出水平方向，即x0y面，然后再从钻孔中拿出水平定向系统；
f、将取芯钻杆放入钻孔内，并按标定的水平方向，沿y方向推进取芯钻杆，直至钻取出1m的岩芯，然后再抽出取芯钻杆，取出该岩芯；
g、重复e、f的取芯步骤，直至取出总计6块岩芯，并将6块岩芯按照钻取深度，依次标记为1-1a、1-1b、1-1c、1-1d、1-1e、1-1f；
h、重复步骤a～g，在每个钻孔标记处分别钻取出6块长度为1m的岩芯，总计24块岩芯，并按照步骤g的标记方法，将各个钻孔标记处的岩芯，分别标记成相应的标记号。
在步骤S5中，通过二次定角度取样装置对岩芯进行钻取，在1-1钻孔标记的六块岩芯中，分别钻取出x、y、z、x45°y、x45°z、y45°z六个方向的二次岩芯试块，1-2、2-1、2-2也分别按照以上方法分别钻取出x、y、z、x45°y、x45°z、y45°z六个方向的二次岩芯试块。
如图1～4所示，本发明在步骤S3中，采用的水平定向系统包括呈圆柱状的水准仪本体1，水准仪本体1为电子水准仪，水准仪本体1的输出端通过数据线与显示器3连接，显示器3设于岩心钻孔外，水准仪本体1安装在一个用于防护水准仪本体1的外壳2内，外壳2呈筒状，外壳2的外径小于岩心钻孔的孔径，水准仪本体1通过第二支架10安装在外壳2内。水准仪本体1的一端固定安装有一个水平标记装置4，水平标记装置4转动连接在水准仪本体1上，并通过调节旋钮5控制，水平标记装置4安装在水准仪本体1的一端，调节旋钮5设于水准仪本体1的另一端，水平标记装置4与水准仪本体1同心安装，调节旋钮5的一端伸进水准仪本体1内，另一端位于水准仪本体1的外部，并且调节旋钮5在位于水准仪本体1内的一端固定安装有一个角度传感器，角度传感器与水准仪本体1的控制系统连接，水准仪本体1在调节旋钮5的位置处还设有用于驱动调节旋钮5的驱动杆6，驱动杆6的一端与调节旋钮5配合，另一端穿出外壳2，驱动杆6穿出外壳2的端部设有第一支架8，如图5所示，第一支架8为具有四脚的圆形支架，第一支架8的四脚所围成的圆周与岩心钻孔的直径相适应。驱动杆6与第一支架8转动连接，驱动杆6在远离调节旋钮5的一端端部固定安装有与调节旋钮5配合的卡接件9，卡接件9朝向调节旋钮5的一端设有十字凹槽，调节旋钮5上设有与十字凹槽匹配的十字卡块。调节旋钮5、驱动杆6、水平标记装置4均与水准仪本体1同心。
如图6～8所示，本发明的驱动杆6在远离卡接件9的一端连接有连接杆11，连接杆11的一端与驱动杆6固定，另一端伸出岩心钻孔，连接杆11在靠近驱动杆6的一端沿轴向对称的开设有两条第一连接槽，第一连接槽内分别铰接有一个连接块12，连接块12靠近驱动杆6的一端与第一连接槽的槽底铰接，另一端通过弹簧14与第一连接槽的槽底连接，弹簧14处于压缩状态，驱动杆6靠近连接杆11的一端设有与连接杆11配合的第二连接槽13，第二连接槽13的两侧设有与连接块12配合的限位槽。本发明在进行深孔岩芯标定时，通过第二连接槽13将连接杆11以及连接块12卡住，由于连接块12一端与第一连接槽铰接，另一端与第一连接槽采用弹簧14连接，因而在弹簧14的作用下，连接块12被顶出第一连接槽，从而使得连接块12与限位槽配合，这时，不仅能够通过转动连接杆11实现对水平标记装置4进行调节，还能够通过连接杆11，将水准仪本体1拉出岩心钻孔，方便快捷。本发明为了便于在拉出水准仪本体1后，能够将连接杆11从驱动杆6上拆下，在连接块12的端部固定连接有一根压杆16，压杆16呈L型，压杆16的一端与连接块12连为一体，另一端穿出连接杆，并安装压头15，当按压压头15时，连接块12能够缩进第二连接槽13内，从而实现快速解除限位。
水平标记装置4包括标记杆401以及标记头402，标记杆401的一端插进水准仪本体1内，另一端朝远离调节旋钮5的一端延伸，标记杆401插进水准仪本体1的端部转动连接在水准仪本体1的壳体内，调节旋钮5通过连接件固定连接在标记杆401位于水准仪本体1内的端部，标记头402设于标记杆401位于水准仪本体1外部的端部。标记头402包括一根横杆以及两个椎体，两个椎体对称的安装在横杆的两端，并且横杆的中部固定安装在标记杆401的端部，横杆的长度与岩心钻孔的直径相适应。
第二支架10包括一对夹持件，夹持件为弹性钢棒，夹持件包括第一弧形部1001以及第二弧形部1002，第一弧形部1001以及第二弧形部1002分别夹持在水准仪本体1的两端，第一弧形部1001与第二弧形部1002之间通过连接棒1003连接在一起。连接棒1003为Z型棒，连接棒1003的两端均沿水准仪本体1的轴线方向分布，连接棒1003的中间部分沿水准仪本体1的周向分布，并贴合在水准仪本体1的外壁，连接棒1003的中间部分的圆心角为90°，第一弧形部1001与第二弧形部1002分别固定在连接棒1003的两端，第一弧形部1001与第二弧形部1002平行。
水准仪本体1的外壁上设有与第二支架10契合的卡槽7，卡槽7的深度为弹性钢棒的直径的1/3。第一弧形部1001与第二弧形部1002的弧度均为150°，且第一弧形部1001、第二弧形部1002、连接棒1003为一体化设置。
水平定向系统在使用时，首先将水准仪本体1组装到外壳2内，本发明为了便于对水准仪本体1进行组装，可以在外壳2的内壁上沿轴线方向开设两条滑槽，然后在第二支架10的连接棒1003上固定安装于滑槽匹配的滑块，这样，在安装水准仪本体1时，先将第二支架10上的两个滑块分别卡到对应的滑槽内，并保证第二支架10的部分露在外壳2外，然后掰开第二支架10，并将水准仪本体1卡进第二支架10中，由于连接棒1003呈Z型，而且水准仪本体1的外壁上设有与连接棒1003以及第一弧形部1001、第二弧形部1002相匹配的卡槽7，因此，当第二支架10卡进卡槽7内之后，水准仪本体1在轴向的转动被第二支架10限制，无法转动，从而可以保证后续在调节水平标记装置4时的有效性。在将水准仪本体1卡进第二支架10内后，再将第二支架10沿着外壳2的滑槽推进外壳2内，实现水准仪本体1的组装。需要指出的是，本发明的水平标记装置4以及调节旋钮5的安装是在组装水准仪本体1之前完成，本发明由于水准仪本体1是圆柱形，因而可以沿水准仪本体1的轴线开一条贯穿孔，然后将水平调节装置4插进贯穿孔内，调节旋钮5以及标记杆401在贯穿孔内通过连接件以及轴承连接在一起，以保证调节旋钮5能够驱动标记杆401转动起来，而水准仪本体1的控制系统的电子元件则安装在贯穿孔的周边。调节旋钮5的远离标记杆401的端部通过卡接件9再与驱动杆6进行配合，通过驱动杆6驱动调节旋钮5转动，进而实现标记杆401的转动，调节旋钮5的转动角度，通过角度传感器检测，再通过显示器3显示出来。本发明通过卡接件9将驱动杆6与调节旋钮5进行卡接，能够实现驱动杆6与调节旋钮5的拆分，在收起本发明时，减小空间占用。
本发明在步骤S5中，二次角度取样装置采用专利号为201320718709.6的取样装置，在此不再赘述。
本发明的岩芯钻取方法，能够保证在深孔钻取岩芯时，取芯钻杆能够保持同向钻进，进而保证钻取的岩芯的合格，以便于保证逆断层地应力测试实验的顺利进行，提高了对逆断层岩芯测试的精确性。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定岩芯的钻取位置：
a、根据逆断层所在的位置，将巷道分割成逆断层上盘、逆断层下盘两部分，逆断层的坡面倾斜朝上的一侧为逆断层上盘，逆断层的坡面倾斜向下的一侧为逆断层下盘；
b、在逆断层上盘、逆断层下盘的巷道壁上分别标记两个取芯钻孔，其中位于逆断层上盘的两个钻孔标记分别为1-1、1-2，位于所述逆断层下盘的两个钻孔标记分别为2-1、2-2；
S2、根据所需的岩芯直径选取合适的取芯钻杆，并将钻机摆放到位；
S3、依次在1-1、1-2、2-1、2-2标记处进行岩芯钻取，并分别将各个标记点钻取出的岩芯标记封存，
在钻取岩芯时，通过水平定向系统将岩芯进行水平标记；
S4、将取芯后的钻孔进行回填处理；
S5、在实验室中，分别在1-1、1-2、2-1、2-2钻取的岩芯中钻取所需的岩芯试块。
2.根据权利要求1所述的用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，其特征在于，在步骤S1中，位于上盘的两个钻孔标记1-1、1-2位于同一水平面上，位于上盘的两个钻孔标记2-1、2-2位于同一水平面上，且钻孔标记1-1、1-2位于靠近巷道顶部的巷道壁上，钻孔标记2-1、2-2位于巷道中部的巷道壁上。
3.根据权利要求2所述的用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，其特征在于，所述钻孔标记1-1、1-2与逆断层之间的距离为5.1m，误差范围±0.8m，钻孔标记2-1、2-2与逆断层的距离为4.5m，误差范围±0.6m。
4.根据权利要求1所述的用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，其特征在于，步骤S2中，在选取取芯钻杆之前，首先根据实验需求，确定所需的岩芯直径，然后再根据岩芯直径的大小，选取合适的取芯钻杆。
5.根据权利要求4所述的用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，其特征在于，岩芯直径的范围值为90mm～137mm。
6.根据权利要求1所述的用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，其特征在于，在步骤S3中，其取芯过程为，
a、在钻机的输出端上安装取芯钻杆；
b、将钻机摆放在钻孔标记1-1处，使取芯钻杆紧贴钻孔标记1-1处的巷道壁，并保证取芯钻杆的水平仰角为3°～5°，取芯钻杆垂直于巷道的轴线布置；
c、启动钻机，在钻孔标记1-1处钻取出3m长的破碎岩芯，然后再将取芯钻杆从该钻孔中抽出，并将该破碎岩芯从取芯钻杆中取出丢弃；
d、确定岩芯的三位坐标系：沿3m钻孔的轴向为y方向，垂直于该钻孔的断面为x0z面，向上为z方向，水平向为x方向；
e、使用水平定向系统在钻孔内标记出水平方向，即x0y面，然后再从钻孔中拿出水平定向系统；
f、将取芯钻杆放入钻孔内，并按标定的水平方向，沿y方向推进取芯钻杆，直至钻取出1m的岩芯，然后再抽出取芯钻杆，取出该岩芯；
g、重复e、f的取芯步骤，直至取出总计6块岩芯，并将6块岩芯按照钻取深度，依次标记为1-1a、1-1b、1-1c、1-1d、1-1e、1-1f；
h、重复步骤a～g，在每个钻孔标记处分别钻取出6块长度为1m的岩芯，总计24块岩芯，并按照步骤g的标记方法，将各个钻孔标记处的岩芯，分别标记成相应的标记号。
7.根据权利要求1所述的用于逆断层地应力测试研究的巷道岩芯钻取方法，其特征在于，在步骤S5中，通过二次定角度取样装置对岩芯进行钻取。
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