CN110007064B - 一种双向加载的岩石钻孔取样试验系统及取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向加载的岩石钻孔取样试验系统及取样方法，该系统包括底座、钻芯取样机和岩样侧向围压加载系统几部分组成，所述底座用于支撑钻芯取样机和岩样侧向围压加载系统，所述钻芯取样机用于从立方体岩样中钻取圆柱形岩芯，取样过程中首先利用岩样侧向围压加载系统在源岩样四周施加侧向压力，以模拟深部取样过程的地应力条件，然后启动钻芯取样机进行岩芯取样。本发明能在岩样钻孔取样过程中在岩样侧向施加压力，模拟深部岩石取样过程中垂直作用于钻孔的地应力，可以用于系统地研究深部岩体取样过程中由于应力释放引起的岩石钻孔取样损伤。

Description

一种双向加载的岩石钻孔取样试验系统及取样方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种岩石取样设备，具体涉及一种双向加载的岩石钻孔取样试验系统及取样方法。

背景技术

大型水利枢纽、深埋隧洞建设、地下高放核废料深埋处置、油气和矿产资源深部开采、地热资源开发以及二氧化碳地质封存等大型岩体工程中普遍涉及到复杂地质条件下的岩体力学特性评价问题。钻孔取样作为一种常规勘探方法，是进行室内实验获取工程岩体物理力学参数的基础。合理有效地评价工程岩体的力学参数是岩体工程稳定性评价和工程结构长期安全的基础。岩石在钻孔取样过程中，由于应力解除将会在岩芯中造成较大的主应力差值，该差值将造成岩石的取样损伤。钻头与岩石接触部位的应力集中以及钻头钻进过程中的力学磨损和震动同样会造成岩石取样损伤。钻孔取样损伤会显著影响岩石的强度、压缩性、弹性波波速、渗透性以及电导性等性质，也会进一步到影响岩石物理力学参数的合理评价。

目前，国内外针对岩石钻孔取样损伤和钻孔取样技术已开展了相关研究工作，但是还存在一定的不足之处，这主要表现在：

为了研究钻孔取样损伤的影响程度，需得到不同取样深度的岩石试样，而岩石均赋存在一定的地质历史和环境中，这就会造成不同深度获得的岩石试样在矿物组分、颗粒尺寸、细观结构甚至岩性上均可能会存在一定的差异。因此，试验中得到的钻孔取样损伤影响未能将岩石的细观不均匀性完全分离开来，导致岩石宏观力学指标的变化规律不能仅仅与钻孔取样损伤这一单一因素关联起来，这就会造成岩石物理力学参数无法准确确定。因此，还有待进一步从钻孔取样试验系统这一方面设计更加合理的试验方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施提供了一种可以考虑双向加载的岩石钻孔取样试验系统。该发明通过在岩石钻孔取样过程中对岩样两侧端施加侧向压力以模拟深部高地应力条件下的钻孔取芯过程，对取芯岩块的两侧施加轴向伺服控制荷载，模拟深部岩石取样过程中垂直作用于钻孔的地应力，从而在钻孔取样过程中造成不同程度的取样损伤。因此，该系统可以用于系统地研究深部岩体取样过程中由于应力释放引起的岩石钻孔取样损伤。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双向加载的岩石钻孔取样试验系统，包括钻芯取样机，其特征在于：该系统还包括底座、设于底座上的取芯框架和岩样侧向围压加载系统，所述取芯框架内用于放置待取芯的源岩样，所述岩样侧向围压加载系统设于源岩样和其四周的取芯框架之间，用于对源岩样施加围压并定位固定，所述钻芯取样机用于对定位好的源岩样进行钻芯取样。

作为改进，所述岩样侧向围压加载系统包括液压油系统和至少三个千斤顶，多个千斤顶均布在源岩样四周的取芯框架上，所述千斤顶前端设有用于增大与源岩样接触面积的加压块，所述液压油系统用于为多个千斤顶供油。

作为改进，安装所述千斤顶处的取芯框架上设有用于增加结构受力的加强板。

作为改进，所述待取芯的源岩样为多边形岩样，相应的取芯框架为多边形框架，多边形框架的每个边设有一个所述千斤顶。

作为改进，所述液压油系统包括加载控制器和油泵，所述油泵通过油路和控制阀门与千斤顶相连，所述加载控制器用于控制油泵和控制阀门完成加载和卸载功能。

作为改进，所述钻芯取样机包括支架、钻臂横梁和钻机，所述支架固定安装在底座上，所述钻臂横梁通过升降机构安装在支架上，所述钻机通过平移机构安装在钻臂横梁上，所述钻机下部的钻头位于取芯框架上方。

一种用于岩石钻孔取样的岩样固定装置，其特征在于：包括底座、设于底座上的取芯框架和岩样侧向围压加载系统，所述取芯框架内用于放置待取芯的源岩样，所述岩样侧向围压加载系统设于源岩样和其四周的取芯框架之间，用于对源岩样施加围压并定位固定。

一种利用上述岩石钻孔取样试验系统进行岩芯钻孔取样方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备好岩石钻孔取样试验系统，利用切割设备加工好待取芯的源岩样；

步骤2、将源岩样放置在取芯框架内，利用液压油系统控制千斤顶加载，给源岩样施加围压，将源岩样稳定的固定在取芯框架内；

步骤3、启动钻芯取样机，开始对源岩样在水淋环境下进行钻芯取样，取样完毕后，卸载岩样侧向围压加载系统，完成岩芯钻孔取样。

本发明有益效果是：

本发明利用岩样侧向围压加载系统的作用是在岩芯钻取过程中在岩样两端施加侧向压力，施加的侧向应当能够在钻芯过程中保持稳定，因此需要采用伺服加载的方法，通过油泵施力推动千斤顶向前慢速移动，以真实地模拟深部取样过程的地应力条件。另外由于本发明的岩样侧向围压加载系统对源岩样施加恒定的围压，使得钻孔取样过程中，有效的减少了钻孔取样损伤，降低了取样干扰，使得所取岩样更好还原原始地质条件。

附图说明

图1是本发明实施例中岩石钻孔取样试验系统统示意图。

图2是本发明实施例中取芯框架俯视图。

1-加载控制器，2-油泵，3-底座，4-支架，5-钻臂升降开关，6-钻臂横梁，7-取芯框架，8-加强板，9-钻头，10-左右移动开关，11-上下移动开关，12-千斤顶，13-钢板，14-立方体试样，15-基座，16-电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

下面以正方形的取芯框架7为了进行说明，需要指出的是取芯框架7不限于正方形，可以为多边形，甚至可以为环形。

如图1和图2所示，一种双向加载的岩石钻孔取样试验系统，包括钻芯取样机、底座3、设于底座3上的取芯框架7和岩样侧向围压加载系统，所述取芯框架7内用于放置待取芯的源岩样的正方形框架，所述岩样侧向围压加载系统设于源岩样和其四周的取芯框架7之间，用于对源岩样施加围压并定位固定，所述钻芯取样机用于对定位好的源岩样进行钻芯取样。所述岩样侧向围压加载系统包括液压油系统和4个千斤顶12，每个千斤顶12均安装在取芯框架7的一个边中部，所述千斤顶12前端设有用于增大与源岩样接触面积的加压块，所述液压油系统用于为多个千斤顶12供油，安装所述千斤顶12处的取芯框架7上设有用于增加结构受力的加强板8，本实施例中加强板8为属于源岩样四周的钢板13。本发明实施例中，底座3的作用主要是承受钻芯取样机和岩样侧向围压加载系统的重量，因此应该具有较大的承重性和稳定性，其基本尺寸为2000 mm × 2000 mm × 80 mm，同时底座3还需要固定钻芯取样机、侧向伺服加载系统以及地面，防止在钻孔取样过程中产生偏心。

本实施例中液压油系统为伺服加载控制系统，所述液压油系统包括加载控制器1和油泵2，所述油泵2通过油路和控制阀门与千斤顶12相连，所述加载控制器用于控制油泵2和控制阀门完成加载和卸载功能。岩样侧向围压加载系统的作用是在岩芯钻取过程中在源岩样两端施加侧向压力，施加的侧向应当能够在钻芯过程中保持稳定，因此需要采用伺服加载的方法，通过油泵2施力推动千斤顶12向前慢速移动，以真实地模拟深部取样过程的地应力条件。结合一般地下工程钻孔取样过程中的地应力水平，通过油压在岩样两端施加的荷载最大值为40 MPa。

所述钻芯取样机包括支架4、钻臂横梁6和钻机，所述支架4固定安装在底座3上，所述钻臂横梁6通过升降机构安装在支架4上，所述钻机包括基座15、电机16和钻头9，所述电机16通过钻头9上下移动机构安装在基座15上，所述钻头9安装在电机16上，所述基座15通过平移机构安装在钻臂横梁6上，所述钻机下部的钻头9位于取芯框架7上方。所述升降机构和平移机构均可以采用丝杠螺母机构或者齿轮齿条结构，此为现有技术，在此不再赘述，所述靠近支架4一端的钻臂横梁6上设有控制钻臂横梁6上下移动的钻臂升降开关5，钻机上设有控制其在钻臂横梁6上移动的左右移动开关10和上下移动开关11。

钻芯取样机主要用于从立方体岩样中钻取圆柱形岩芯，为了满足研究需要，设计直径分别为25 mm、50 mm、75 mm、100 mm的钻头9，钻进过程由机器自动控制，钻进的速度可以进行调节，保证慢速、中速、快速三种钻进速度，为了方便钻取，钻臂可以360度自由旋转，且钻头9在钻臂上可以左右移动。需要指出的是本发明实施例中不限于上述结构的钻芯取样机，可以为任何已知结构的钻芯取样机，钻芯取样机的具体结构不对本发明技术方案实施构成影响，比如鑫森宇智能设备有限公司生产的XFY-100型钻孔取样机。

由于钻进过程中钻头9与岩样接触部分会产生高温，因此，在钻头9侧方设置水龙头，钻进时在立方体岩样上面快速浇水，防止温度过高损坏钻头9，也可以防止温度过高对岩样内部产生微裂纹损伤。

本发明的具体实施方式如下：

步骤1：采集新鲜岩石试样，将其加工成边长为300 mm × 300 mm × 300 mm的立方体试样14；

步骤2：将备制的边长为300 mm的立方体试样14放置在取芯框架7中，通过钢板13将立方体试样14四周固定好，钢板13的长度略小于立方体试样14的边长，打开加载控制器1，通过油泵2施力推动千斤顶12在立方体试样14四周钢板13上施加均布荷载，当施加的荷载值达到预设时停止加载，将荷载稳定在预设值；

步骤3：启动钻芯取样机，通过左右移动开关10和钻臂升降开关5将钻头9移动到立方体试样14正上方表面处，打开水阀在岩样钻进过程中在在立方体试样14上方浇水，然后利用上下移动开关11快下取芯钻头9开始取样过程，从立方体试样14中取出长度为300 mm的圆柱形岩芯；

步骤4：在取出的圆柱形岩芯上切出高度满足中国岩石力学试验标准的岩石岩样，将岩样的两端进行磨平，然后将制好的标准岩石试样烘干后放入岩样养护室供后期试验使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双向加载的岩石钻孔取样试验系统，包括钻芯取样机，其特征在于：该系统还包括底座、设于底座上的取芯框架和岩样侧向围压加载系统，所述取芯框架内用于放置待取芯的源岩样，所述岩样侧向围压加载系统设于源岩样和其四周的取芯框架之间，用于对源岩样施加围压并定位固定，所述钻芯取样机用于对定位好的源岩样进行钻芯取样；

所述岩样侧向围压加载系统包括液压油系统和至少三个千斤顶，多个千斤顶均布在源岩样四周的取芯框架上，所述千斤顶前端设有用于增大与源岩样接触面积的加压块，所述液压油系统用于为多个千斤顶供油；

安装所述千斤顶处的取芯框架上设有用于增加结构受力的加强板；

所述待取芯的源岩样为多边形岩样，相应的取芯框架为多边形框架，多边形框架的每个边设有一个所述千斤顶；

所述钻芯取样机包括支架、钻臂横梁和钻机，所述支架固定安装在底座上，所述钻臂横梁通过升降机构安装在支架上，所述钻机通过平移机构安装在钻臂横梁上，所述钻机下部的钻头位于取芯框架上方。

2.如权利要求1所述的岩石钻孔取样试验系统，其特征在于：所述液压油系统包括加载控制器和油泵，所述油泵通过油路和控制阀门与千斤顶相连，所述加载控制器用于控制油泵和控制阀门完成加载和卸载功能。

3.一种利用权利要求1所述岩石钻孔取样试验系统进行岩芯钻孔取样方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备好岩石钻孔取样试验系统，利用切割设备加工好待取芯的源岩样；

步骤2、将源岩样放置在取芯框架内，利用液压油系统控制千斤顶加载，给源岩样施加围压，将源岩样稳定的固定在取芯框架内；

步骤3、启动钻芯取样机，开始对源岩样在水淋环境下进行钻芯取样，取样完毕后，卸载岩样侧向围压加载系统，完成岩芯钻孔取样。

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