CN111208158B - Tbm搭载式岩石石英含量测定系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统及方法，搭载于敞开式TBM的撑靴侧面，包括防护装置、取样装置、X射线衍射装置和处理器，防护装置包括基座，基座上设置侧壁，侧壁上设置有防止落石及渗水的顶棚；取样装置设置于顶棚与基座之间，包括液压臂、冲击钻机和粉料舱，液压臂一端设置于侧壁上，另一端连接冲击钻机，通过液压臂的收缩来控制冲击钻的移动，冲击钻机的前端设置粉料舱，粉料舱设置有出料口，岩石粉末通过出料口落入X射线衍射分析装置中；X射线衍射装置用于对获取的岩石粉末进行特征X射线照射，记录衍射信息获取衍射图谱，处理器接收所述图谱，并进行匹配，确定岩石粉末中的石英含量。

Description

TBM搭载式岩石石英含量测定系统及其方法

技术领域

本公开属于岩土含量测定领域，具体涉及一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统及其方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前在建和拟建的绝大多数交通、水工深长隧洞和矿山深井巷道，其长径比达到600～1000甚至更高，在此条件下，国际上公认采用全断面隧道掘进机(Tunnel BoringMachine，TBM)工法施工，该方法具有掘进速度快、施工扰动小、成洞质量高、综合经济社会效益高等优势。但在硬岩中掘进时，常会遭遇刀盘磨损严重进而导致刀盘系统破岩性能下降、掘进效率低下等问题，严重影响了TBM的施工进度，进而增加了施工成本。经国内外大量学者研究发现，隧道围岩中的石英是影响岩石耐磨性和导致TBM刀盘磨损的主要矿物，因此通过了解隧道开挖围岩中的石英含量，对预测刀盘磨损以及TBM施工智能决策具有重要意义。

石英是矿物的一种，目前鉴定和识别矿物的主要方法有化学分析、偏光显微镜分析、近红外分析、X射线衍射分析等。其中化学分析虽准确度高，但分析周期长、不经济；偏光显微镜分析需先将岩石磨成薄片，然后再通过人工在偏光显微镜下对薄片进行观察分析，该方法同样分析周期长且对分析人员水平要求较高；近红外分析速度快且准确度较高，但只能对一些蚀变矿物进行分析而无法识别石英。

X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定待分析物质的晶体结构，从而精确的进行物相分析、定性分析和定量分析。矿物是天然结晶态，因此X射线衍射法是目前公认的最有效的矿物鉴定方法，该方法具有需要样品量少、分析时间短且在定性和定量分析方面精度高等优点。但该方法只能对粉末样品进行测试分析，因此要想在TBM掘进过程中使用该方法对围岩中石英含量进行快速测定，不仅需要有体积小且精度高的便携式XRD设备，还要解决如何将XRD设备搭载在TBM上、如何将隧道围岩坚硬岩石处理成岩石粉末并自动导入XRD设备样品舱中、如何自动化给出岩石石英含量分析结果等一系列问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统及其方法，本公开在TBM掘进过程中快速、准确测量出围岩中石英含量，对预测刀盘磨损以及TBM施工智能决策具有重要意义。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，搭载于敞开式TBM的撑靴侧面，包括防护装置、取样装置、X射线衍射装置和处理器，其中：

所述防护装置包括基座，基座上设置侧壁，侧壁上设置有防止落石及渗水的顶棚；

所述取样装置设置于顶棚与基座之间，包括液压臂、冲击钻机和粉料舱，所述液压臂一端设置于侧壁上，另一端连接冲击钻机，通过液压臂的收缩来控制冲击钻的移动，冲击钻机的前端设置粉料舱，粉料舱设置有出料口，岩石粉末通过出料口落入X射线衍射分析装置中；

所述X射线衍射装置用于对获取的岩石粉末进行特征X射线照射，记录衍射信息获取衍射图谱，所述处理器接收所述图谱，并进行匹配，确定岩石粉末中的石英含量。

作为可选择的实施方式，所述侧壁包括三个，分别设置于不同的侧面，使防护装置具有一开口。

作为可选择的实施方式，所述液压臂垂直设置于侧壁上。

作为可选择的实施方式，所述冲击钻的前端设置有用于安装粉料舱的卡槽，卡槽内设置有弹簧，粉料舱的一侧与卡槽内的弹簧相连接，所述弹簧会跟随粉料舱的运动而伸缩，以保证粉料舱与围岩之间一直紧密接触。

作为可选择的实施方式，所述粉料舱包括一集料斗，用于收集冲击钻切削下来的岩石粉末，集料斗下方可拆卸安装有筛网，对岩石粉末进行筛分，以确保最终获取的岩粉能够满足X射线衍射分析的要求。

作为可选择的实施方式，所述筛网下方有两个出料口，一个为粉料出料口，一个为废料出料口，且各有一个阀门。

作为可选择的实施方式，所述取样装置还包括高压供水机构，所述高压供水机构设置于粉料舱内，用于对粉料舱进行清洗。

作为可选择的实施方式，所述取样装置还包括吹风机构，所述吹风机构设置于粉料舱内，用于对粉料舱进行吹干。

作为可选择的实施方式，所述粉料舱的前端安装有弹性件，当冲击钻头打入围岩中进行工作时，弹性件能够紧贴围岩。

作为可选择的实施方式，所述X射线衍射装置内包括一样品舱，用于接收出料口出来的岩石粉末，所述样品舱的开口处设置有一带有软管的漏斗，且在漏斗下部安装有一个微型振荡器，从而保证从上述粉料出料口出来的岩石粉末能够顺利进入样品舱中。

作为可选择的实施方式，所述处理器设置或连接有数据库，所述数据库存储有专门关于研究区石英矿物专题的粉末衍射数据集，所述处理器获取到的谱图的d-I/I₀数据与数据集中的各类矿物的标准数据相匹配，从而自动解释出岩石粉末中的石英含量。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

在TBM的刀盘工作时，TBM的撑靴会紧贴围岩提供TBM刀盘切削岩石的推进力，启动液压臂，使冲击钻的钻头与围岩接触；

启动冲击钻机的开关，同时控制液压臂缓缓推进冲击钻，让钻头不断钻入围岩中，岩石粉末进入粉料舱中，并从经过筛网和粉料出料口落入X射线衍射仪样品舱中；

当样品舱中粉末量达到测试要求时，停止冲击钻机的工作，并控制液压臂使其缩回；

启动X射线衍射分析仪，使其开始工作，取得测试图谱，进行检索和匹配，得到石英含量结果及其对应的饼图。

作为可选择的实施方式，探测后，对粉料舱进行清洗和烘干。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开可实现隧道内取样工作的自动化和连续性，大大降低了人工取样、研磨的工作量。在取样装置中添加有筛网，可自动筛分获取的岩石粉末，以满足X射线衍射测试的要求。另外还设置了两个出料口，可根据实际需求选择对样品使用还是丢弃。

本公开改进了X射线衍射分析仪的样品舱，可实现样品舱添加样品的自动化。同时在添加了石英专题的粉末衍射数据集，可实现对岩石中石英含量的准确、快速识别。

本公开与TBM搭载，可实时分析TBM掘进工作过程中岩石中石英含量的变化，为TBM智能化施工提供强有力的数据支撑。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明取样装置结构图；

图3是改进的样品舱结构图；

图4是本系统工作流程图。

其中1.TBM撑靴；2.基座；3.侧壁；4.顶棚；5.取样装置；6.高压供水系统；7.吹风机；8.X射线衍射装置；9.计算机数据分析系统；20.液压臂；21.弹簧；22.粉料舱；23.集料斗；24.钻头；25.橡胶圈；26.筛网；27.阀门；28.粉料出料口；29.废料出料口；30.围岩；31.样品舱漏斗；32.微型振荡器；33.软管；34.样品舱提手；35.空腔。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，如图1所示，包括2.基座；3.侧壁；4.顶棚；5.取样装置；6.高压水泵；7.吹风机；8.X射线衍射装置；9.计算机数据分析系统。

基座2为材质为不锈钢板，轮廓为长方形，侧壁3竖直焊接在基座上方，顶棚4形状近似拱形，材质同样为不锈钢板。由基座2、侧壁3和顶棚4组成的防护装置，不仅可防止隧道拱顶的落石、渗水等破坏其内部的仪器部件，还可以为该系统的其他部件提供支撑作用。

取样装置5主要由液压臂、改进的冲击钻机、粉料舱、高压供水系统及吹风机组成。如图2所示，液压臂20垂直焊接于左侧壁上，另一端连接冲击钻机，液压臂20可通过其收缩来控制冲击钻的左右移动以及为冲击钻机工作提供推力。改进的冲击钻与现有冲击钻最大的不同之处在于其前端设置有专门安装粉料舱的卡槽，卡槽内设置有弹簧21，粉料舱22的左侧与卡槽内的弹簧21相连接。粉料舱21为有机玻璃材质。在粉料舱22的最前端安装有一个橡胶圈25，当冲击钻头打入围岩30中进行工作时，橡胶圈25紧贴围岩，可以起到缓冲并保护粉料舱前端的作用。在粉料舱22的中下部有一个集料斗23，冲击钻切削下来的岩石粉末都会汇集到这里。在集料斗23下方安装有一个可拆卸的筛网26，在筛网26下方有两个出料口，一个为粉料出料口28，一个为废料出料口29，且各有一个阀门27。在粉碎舱的上部有两个口，一个是出水口，一个是吹风口。在出水口安装有高压供水系统6，可对粉料舱22进行清洗，在吹风口安装有吹风机7，可吹出热风，主要负责将粉碎舱及其他附属部件吹干。

X射线衍射装置主要为现有的X射线衍射分析仪，本发明对现有X射线衍射分析仪的样品舱进行稍加改进。如图3所示，在原样品舱的开口处添加一带有软管33的漏斗31，且在漏斗下部安装有一个微型振荡器32，从而保证从上述粉料出料口出来的岩石粉末能够顺利进入样品舱中。

计算机数据分析系统中添加有专门关于研究区矿物专题的粉末衍射数据集，该数据集是基于现有的X射线衍射参考标准谱——PDF卡片筛选出来的，可降低系统查对PDF卡的时间以及提升石英含量测定结果的准确度。

计算机数据分析系统可以通过无线传输接受来自X射线衍射装置发射出的岩石粉末衍射图谱，同时在该系统所配备的专门针对研究区的矿物专题粉末衍射数据集中进行自动检索，将从该谱图中获取的d-I/I₀数据与粉末衍射数据集中的各类矿物数据相匹配，从而自动解释出岩石粉末中的石英含量。

一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统的使用方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤A：在TBM的刀盘工作时，TBM的撑靴1会紧贴围岩30提供TBM刀盘切削岩石的推进力。此时启动液压臂20，使冲击钻的钻头24与围岩30接触，同时打开粉料出料口的阀门27。

步骤B:启动冲击钻机的开关，同时控制液压臂20缓缓推进冲击钻，让钻头24不断钻入围岩30中。此时钻出的岩石粉末会不断进入粉料舱22中，并从经过筛网26和粉料出料口28落入X射线衍射仪样品舱的漏斗31中。

步骤C：启动样品仓漏斗处的微型振荡器，确保漏斗31中的岩石粉末能够进入X射线衍射仪的样品舱中。当样品舱空腔35中粉末量达到测试要求时，即关闭粉料出料口的阀门27，同时停止冲击钻机的工作，并控制液压臂20使其缩回。

步骤D：启动X射线衍射装置8，使其开始工作，约5分钟后会取得测试图谱并自动传输至计算机中，再打开计算机中的数据分析系统9，选择采集到的图谱文件添加到数据分析系统中，此时系统会自动进行检索和匹配，数秒后会给出石英含量结果及其对应的饼图。

步骤E：关闭粉料出料口阀门并打开废料出料口阀门，拔掉筛网26，打开高压供水系统6喷射出高压水流对粉料舱22进行清洗，此时废料和水会从废料出料口29流出，数秒后关闭高压供水系统6并打开吹风机7对粉料舱22进行烘干，此时再关闭废料出料口的阀门并打开粉料出料口阀门。

步骤F：更换新的筛网和样品舱，在TBM换步后，可进行下一循环的石英含量测定工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，其特征是：搭载于敞开式TBM的撑靴侧面，包括防护装置、取样装置、X射线衍射装置和处理器，其中：

所述防护装置包括基座，基座上设置侧壁，侧壁上设置有防止落石及渗水的顶棚；

所述取样装置设置于顶棚与基座之间，包括液压臂、冲击钻机和粉料舱，所述液压臂一端设置于侧壁上，另一端连接冲击钻机，通过液压臂的收缩来控制冲击钻的移动，冲击钻机的前端设置粉料舱，粉料舱设置有出料口，岩石粉末通过出料口落入X射线衍射分析装置中；

所述X射线衍射装置用于对获取的岩石粉末进行特征X射线照射，记录衍射信息获取衍射图谱，所述处理器接收所述图谱，并进行匹配，确定岩石粉末中的石英含量；

所述冲击钻的前端设置有用于安装粉料舱的卡槽，卡槽内设置有弹簧，粉料舱的一侧与卡槽内的弹簧相连接，所述弹簧会跟随粉料舱的运动而伸缩，以保证粉料舱与围岩之间一直紧密接触；

所述粉料舱包括一集料斗，用于收集冲击钻切削下来的岩石粉末，集料斗下方可拆卸安装有筛网，对岩石粉末进行筛分，以确保最终获取的岩粉能够满足X射线衍射分析的要求。

2.如权利要求1所述的一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，其特征是：所述液压臂垂直设置于侧壁上。

3.如权利要求1所述的一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，其特征是：所述筛网下方有两个出料口，一个为粉料出料口，一个为废料出料口，且各有一个阀门。

4.如权利要求1所述的一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，其特征是：所述取样装置还包括高压供水机构，所述高压供水机构设置于粉料舱内，用于对粉料舱进行清洗；

或/和，所述取样装置还包括吹风机构，所述吹风机构设置于粉料舱内，用于对粉料舱进行吹干。

5.如权利要求1所述的一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，其特征是：所述粉料舱的前端安装有弹性件，当冲击钻头打入围岩中进行工作时，弹性件能够紧贴围岩。

6.如权利要求1所述的一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，其特征是：所述X射线衍射装置内包括一样品舱，用于接收出料口出来的岩石粉末，所述样品舱的开口处设置有一带有软管的漏斗，且在漏斗下部安装有一个微型振荡器，从而保证从上述粉料出料口出来的岩石粉末能够顺利进入样品舱中。

7.如权利要求1所述的一种TBM搭载式岩石石英含量测定系统，其特征是：

所述处理器设置或连接有数据库，所述数据库存储有专门关于研究区石英矿物专题的粉末衍射数据集，所述处理器获取到的谱图的晶体结构数据与数据集中的各类矿物的标准数据相匹配，从而自动解释出岩石粉末中的石英含量。

8.基于权利要求1-7中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

在TBM的刀盘工作时，TBM的撑靴会紧贴围岩提供TBM刀盘切削岩石的推进力，启动液压臂，使冲击钻的钻头与围岩接触；

启动冲击钻机的开关，同时控制液压臂缓缓推进冲击钻，让钻头不断钻入围岩中，岩石粉末进入粉料舱中，并从经过筛网和粉料出料口落入X射线衍射仪样品舱中；

当样品舱中粉末量达到测试要求时，停止冲击钻机的工作，并控制液压臂使其缩回；

启动X射线衍射分析仪，使其开始工作，取得测试图谱，进行检索和匹配，得到石英含量结果及其对应的饼图。

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