CN112647881B - 一种车载式全自动隧道围岩取芯系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载式全自动隧道围岩取芯系统及方法，包括车辆，在车辆上设有竖直液压杆，竖直液压杆上设有水平液压杆，在水平液压杆的两端各设有一个岩石取芯装置；取芯装置包括电机、取芯钻杆、取芯筒、螺纹杆和弹簧；电机驱动取芯钻杆转动，取芯钻杆内套装取芯筒，且取芯筒的首端通过弹簧与取芯钻杆首端相连，沿着取芯钻杆的轴线方向，在取芯钻杆首端固定一个螺纹杆，在取芯筒的首端设有内螺纹，螺纹杆与内螺纹配合；在取芯钻杆的末端安装有钻头。车载式钻取岩芯工作靠自动化完成，提高工作效率，间接保证施工人员的安全；无需打入膨胀钉，节约了大部分人力，依靠液压杆和车辆实现岩芯取样的稳定性，易得到形状规则、标准的岩芯。

Description

一种车载式全自动隧道围岩取芯系统及方法

技术领域

本公开属于岩石取样技术领域，涉及一种车载式全自动隧道围岩取芯系统及方法基于岩石取样的车载式全自动化系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

为了保证隧道施工的安全性，提高施工效率，在隧道施工过程中需要开展围岩质量评价和围岩分级工作，其中获取相关的物理力学参数是开展围岩质量评价及分级的必要条件，此时一般需要对岩体进行岩石取样进一步开展室内相关实验，来准确获取岩体相关的物理力学参数，比如：岩石的抗压强度、岩石的抗拉强度。需要注意的是，岩石的物理参数受断面形状和试件尺寸的影响，因此，岩石取样需要获得形状规则、完整的岩芯试样。

目前隧道内岩石取样工作存在以下问题：

1.目前地表上常见的岩石取样器或因自身限制无法进入隧道进行取样，或取样工作繁琐，存在一定不便。主要取样机械设备由以下问题限制：

1)地表上常用的岩石取样大型设备如XY-4/5/6体积庞大，不便于进入隧道，且主要进行垂直取样，不满足隧道洞身两侧取样的要求。

2)目前也有一些便携式岩石取样器的小型设备，但该系列小型设备取样前往往需要复杂的准备工作，一定程度上降低了岩芯取芯率；在取样过程中，需要打入膨胀丝，因为隧道内岩石多为硬岩，该项工作操作往往存在困难；并且，便携式取样器在进行岩石取样时，固定也存在问题，钻机安装不牢固使岩芯表面不平整、取得的岩样形状不规则，对后续实验的准确度产生影响。

2.隧道内环境较差，时有积水，地面湿滑，不利于人行走，甚至会有掉块发生，对工作人员生命健康产生威胁，需要尽可能减少操作人员进入隧道。

3.在隧道内进行岩石取芯是为了获取隧道不同位置的地质情况，因此，获得准确的取样里程十分重要，但人工取样需要手工测量里程，手动记录，同时需要人工将岩芯标记到岩芯样品中进行编号，耗时费力且精度难以保证。

因此，研发一款车载式全自动的岩石取样器是十分必要的。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于车载式全自动隧道围岩取芯系统及方法。

根据一些实例，本公开采用如下技术方案：

一种基于车载式全自动隧道围岩取芯系统，包括车辆、调节系统、推力装置、钻机系统、喷码打印系统、供水系统和控制系统；

所述车辆由两侧四个火车轮、轮子上方的平台、操作系统等组成。该车辆可通过在隧道内预先铺设轨道进行移动和工作，车辆上同时配置位移传感器，用于记录车辆前进位移。

在所述的车辆上设有竖直液压杆，竖直液压杆上设有水平液压杆，在所述的水平液压杆的两端各设有一个岩石取芯装置；

所述的取芯装置包括电机、取芯钻杆、取芯筒、螺纹杆和弹簧；所述的电机驱动取芯钻杆转动，所述的取芯钻杆内套装取芯筒，且取芯筒的首端通过弹簧与取芯钻杆首端相连，沿着取芯钻杆的轴线方向，在取芯钻杆首端固定一个螺纹杆，在取芯筒的首端设有内螺纹，所述的螺纹杆与内螺纹配合；在取芯钻杆的末端安装有钻头。

作为进一步的技术方案，在所述的竖直液压杆和水平液压杆之间还设有倾斜设置的倾斜液压杆，倾斜液压杆伸长或者收缩，可以调节水平液压杆的角度。

所述取芯筒为紧靠取芯钻杆内侧的圆筒装置，取芯筒末端根据取芯钻杆末部弧状结构配置相似弧度的结构。且取芯筒前方有数量不等的倒梯形缺口，方便取芯筒在首端螺纹杆的推动下，向前移动时可以聚拢夹住岩芯。

作为进一步的技术方案，所述的车辆上还设有供水系统，所述的供水系统通过水管向取芯装置注水，进行降温。

作为进一步的技术方案，所述的车辆上还设有岩芯箱，在所述的岩芯箱内部被分成多个用于放置岩芯的空间。岩芯箱底部配置有滑轮，岩芯箱可在滑轮上滑动，将相应的岩芯移动到喷墨打印机下方。

作为进一步的技术方案，所述的车辆上还设有喷墨打印系统。喷墨打印系统与车辆位移传感器相连，将里程等信息打印在岩芯试样上。

第二方面，本发明基于所述的车载式全自动隧道围岩取芯系统的取芯方法，如下：

1.操控车辆进入隧道，根据初设里程到达预定的岩芯取样的位置；

2.调节竖直液压杆的高度，到达预定岩芯取样的高度；

3.分别调节两侧水平液压杆，使一侧抵住洞身，另一侧准备进行岩石取样；

4.调整钻头，打开向钻头内注水水管的阀门，注水的同时进行岩石取芯工作；

5.岩芯取样时，取芯钻杆转动，进行岩芯取样，待取芯钻杆达到预定长度时，螺纹杆反向转动，带螺纹的取芯筒向前移动，取芯筒前方收缩夹住岩芯；

6.调节竖直液压杆和水平液压杆之间的倾斜液压杆，同时收缩水平液压杆，岩芯被拔断，岩芯箱滑动，将取好的岩芯放入岩芯箱预定位置中；

7.岩芯箱在喷墨打印机滑轨上滑动，根据位移传感器上的里程数据，将里程等信息打印在岩芯上；

8.不同位置的岩石取芯重复进行以上(1)到(7)的工作；

9.取芯完成后，操控车辆离开隧道。

本公开的有益效果为：

(1)本公开的隧道内取样工作，无需打入膨胀钉，依靠液压杆和车辆即可实现隧道内岩芯取样过程的稳定性，保证了取样精度和标准。

(2)本公开通过所发明的具有独特结构的取芯装置——取芯筒与螺纹杆相互配合，确保岩芯可在根部被截断，解决了取芯过程中岩芯完整性难以保证的难题，同时实现了取芯过程中岩芯截断的自动化。

(3)本公开应用位移传感器系统实现采样里程的准确测量，并与所设计的采样箱系统及现有喷码技术相结合，可实现对岩芯样品以采样里程进行自动化编号，提高了采样工作过程中编号工作的精度和效率。

(4)本公开的一系列取芯工作全程无需人工参与，全部依靠自动化完成，不仅可保证取样精度，还大大提高了取芯工作效率，也间接保证了人员安全。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于理解本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本发明装置主视图；

图2是本发明中的岩石取芯钻杆三维示意图；

图3是本发明的岩芯箱标记系统示意图；

图4是本发明中的取芯筒结构示意图。

其中，1为横向液压杆；2为竖直液压杆；3为小液压杆；4为岩芯箱；5为水箱；6为电机；7为水管；8为钻机；8-1为螺纹杆；8-2为取芯筒；8-3为钻头，8-4为弹簧，8-5为取芯钻杆；9为喷墨打印系统；10为滑轨。

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，旨在对本公开提供进一步说明，除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另有明确指出，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”或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件或它们的组合。

正如背景技术部分所记载的，目前地表上常见的岩石取样器或因自身限制无法进入隧道进行取样，或取样工作繁琐，存在一定不便等技术问题，本实施例提出了一种车载式全自动隧道围岩取芯系统及方法。

按照图1所示，本实施例公开了一种车载式全自动隧道围岩取芯系统，包括车辆、调节系统、推力装置、钻机系统、喷码打印系统、供水系统和控制系统；

其中本实施例中的车辆为现有技术，可以是隧道内施工常用的小型车辆，可利用隧道内已布置的轨道行进，小型车辆同时配置了位移传感器，可记录初始里程与前进长度；该系统可以测量车辆所走的距离，记录车辆里程，同时系统与喷码打印系统相联系，可以将里程数据传输给喷码打印系统。车辆为整个系统提供基座。进一步的，车辆还可增加一定的重量，依靠车辆自身的重量，来维持岩石取样的稳定性。进一步的，本实施例中还可以在车辆的车头上配置摄像头，观测隧道前方的情况；同时也可以在调节系统上配置摄像头，用于观测岩芯箱的情况。

其中本实施例中的供水系统由水箱和水管组成，水管接入钻头中，在岩石取样的同时，向钻孔内注水，进行降温；

其中本实施例中的调节系统包括竖直液压杆2、水平液压杆1和小型液压杆3；其中竖直液压杆2用于调节岩石取样器高度，水平液压杆1安装在竖直液压杆2顶部，水平液压杆1可收缩，当水平液压杆1的一端进行岩石取样时，另一端抵在洞身上，用于维持岩石取样的稳定性。

进一步的，在本实施例中，竖直液压杆2和水平液压杆1之间配置小型液压杆3，通过小型液压杆3伸长收缩，调节水平液压杆1的角度，例如，小型液压杆3左端收缩，小型液压杆3右端伸长，水平液压杆1形成一定的角度，可将左端钻机8中的岩芯放入岩芯箱中。需要进一步说明的是，在本实施例中，小型液压杆3配置有两个，左侧一个，右侧一个；一侧小型液压杆伸长，另一侧收缩，可使水平液压杆倾斜。

进一步的，本实施例在水平液压杆1的两端各安装有一套岩石取芯系统，并设置水管7，水管7从水箱5中取水，在岩石取样的同时，向岩石取芯系统8内注水降温。

进一步的，在小型液压杆3与水平液压杆1之间设置角度传感器，角度传感器用来测量小型液压杆与水平液压杆之间的角度，并记录该角度，将角度传输给标记系统，按照固定角度将岩芯从钻头放入岩芯箱中，方便快捷，节约时间

进一步的，在竖直液压杆2和水平液压杆1中也设置用于测量其伸长长度的传感器，用于精确的定位；竖直液压杆配置高度传感器，通过升降调节自身的高度，到达岩石取样所需高度。水平液压杆同样配置传感器，通过水平方向长度的伸缩，到达所取岩芯部位。

本实施例中所述的岩石取芯系统，详图可见图2，岩石取芯系统主要由电机6、取芯钻杆8-5、钻头8-3、弹簧8-4、螺纹杆8-1和取芯筒8-2等组成；岩石取芯系统与水平液压杆之间可拆卸连接，并且可以单独使用。

电机6为取芯钻杆8-2提供动力，所述的电机6驱动取芯钻杆8-5转动，取芯钻杆8-5的末部安装有钻头8-3，取芯钻杆8-5的首端与电机6相连，取芯筒8-2套装在取芯钻杆8-5内；且取芯钻杆8-5首端内部通过多个弹簧与取芯筒8-2的首端相连(见附图2所示的左端)，沿着取芯筒8-2的轴线方向，在取芯钻杆8-5端部(见附图中的左端)固定有一个螺纹杆8-1，在取芯筒8-2的端部(见附图中的左端)设有内螺纹，取芯筒8-2前部设有类似于梯形的空隙，与取芯钻杆8-5弧形部位相接触。所述的内螺纹可以与螺纹杆8-1上的外螺纹配合，且内螺纹和外螺纹均为单向螺纹；具体的工作过程如下：

在进行取芯之前，螺纹杆8-1与取芯筒8-2的端部旋在一起；在岩芯取样时，取芯钻杆8-5在电机的驱动下，进行钻进，同时取芯钻杆8-5带动钻头进行岩芯取样，带螺纹的取芯筒8-2和螺纹杆保持相对不动；在岩芯取样完成后，电机6反向转动，进而驱动螺纹杆反向转动，因为弹簧的存在，使螺纹杆的螺纹和取芯筒螺纹始终紧密相连，带螺纹的取芯筒8-2在螺纹杆的转动下向前移动，取芯筒8-2末部留有类似倒梯形的缺口，且取芯筒末部有与取芯杆相配合的弧形结构，方便取芯筒向前移动时聚拢，进而夹住岩芯，待岩芯取样完成后，水平液压杆收回，岩芯被拔断，钻头12完成钻取岩芯的工作。

取芯钻杆前方可根据工作需要安装不同规格的钻头，钻头12在取芯过程中，钻头热量较高，根据工作需要，配置水管7，向钻头12中注水，对钻头12进行降温。

进一步的，钻头8-3顶部设置压力传感器，避免钻头没有接触所测岩石，或将洞身岩石压碎的情况发生。

进一步的，钻头根据自身需要配置所需的岩石取样的金刚石钻头。

进一步的，在电机与取芯钻杆之间设置压力传感器，反应钻头与洞身岩石的贴合程度。

如图3所示的喷墨岩芯箱系统，该系统主要由可滑动的岩芯箱4和喷墨打印系统9组成，喷墨打印系统9为现有技术，采用商标打印机即可，因此其具体结构在此不进行赘述了。岩芯箱4内部分成一定数目的格子，用于存放一定数目的岩芯，在喷墨打印机上设置滑轨10，岩芯箱4位于滑轨10上，通过岩芯箱4在滑轨10上滑动，将需要打印的岩芯滑动到喷墨打印机9下方，喷墨打印系统9依照系统设置在岩芯上打印内容。

所述的推力装置指的是在岩芯取样的过程中，车辆动力系统为液压系统中的油泵和供水系统的水箱提供动力，一套液压系统为竖直液压杆、水平液压杆、小液压杆伸缩提供动力；并且岩石取样系统中的电机为钻机提供动力，同时水平液压杆通过伸长也为岩石取样提供反向推力，间接为岩石取样提供了动力。

控制系统来操控该装置的协调运行，用来控制车辆的行驶、调节系统的升降、喷码机系统与车辆系统的联系、注水系统的开关、岩石取样钻机的工作等等。

应用上述装置实现隧道内车载式全自动岩石取样包括以下几步：

步骤1：首先操作系统设定初始位移值，小车根据初始位移值到达预定取芯位置。位移传感器记录相对于预定取芯位置移动的位移量，位移传感系统且与喷墨打印系统相连，将里程信息传输给喷墨打印机。

步骤2：打开液压系统，伸长竖直液压杆2，依靠高度传感器，根据需要调整竖直液压杆2的高度，使钻头可以在岩石取样预定高度；

步骤3：伸长水平液压杆1，观察压力感应器数据，使取芯端钻头和洞身岩石紧密结合，同时液压杆另一端可以抵在另一侧洞身岩石上；

步骤4：开启电机6引擎，取芯钻杆8的外筒转动，内筒保持不动进行岩石取样工作，同时开启水管7阀门，向取芯钻杆8内注水。

步骤5：岩石取芯结束后，电机6引擎推动螺纹杆反向转动，带螺纹的取芯筒结构向前推进，取芯筒8-2向前移动，前方利用取芯杆弧形部位聚拢，进而夹住岩芯；

步骤6：收缩水平液压杆1，岩芯顺势被拔断，钻机8和岩芯跟随液压杆1收回；

步骤7：将取芯端小型液压杆3收缩，另一端小型液压杆3伸长，根据角度传感器，调整小型液压杆3和水平液压杆1之间的角度到达预定角度，并将该角度数据传输给喷墨打印系统9；

步骤8：开启岩芯箱滑轨引擎，使岩芯箱4滑动，根据步骤7，取芯筒松开岩芯从钻头中自动滑落到达岩芯箱4预定位置；

步骤9：岩芯箱4在滑轨10上移动，移动到喷墨打印系统9下，将商标打印到岩芯上；

步骤10：操控车辆返回，带回岩芯。

多处取芯重复步骤1～9。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种利用车载式全自动隧道围岩取芯系统的取芯方法，所述系统包括车辆，在所述的车辆上设有竖直液压杆，竖直液压杆上设有水平液压杆，在所述的水平液压杆的两端各设有一个取芯装置；

所述的取芯装置包括电机、取芯钻杆、取芯筒、螺纹杆和弹簧；所述电机驱动取芯钻杆转动，所述的取芯钻杆内套装取芯筒，且取芯筒的首端通过弹簧与取芯钻杆首端相连，沿着取芯钻杆的轴线方向，在取芯钻杆首端固定一个螺纹杆，在取芯筒的首端设有内螺纹，所述的螺纹杆与内螺纹配合；在取芯钻杆的末端安装有钻头；所述的车辆上还设有岩芯箱，所述岩芯箱的内部被分成多个用于放置岩芯的空间；所述的车辆上还设有喷墨打印系统，喷墨打印系统与车辆的位移传感器相连，标记里程信息，在所述喷墨打印系统上设有滑轨，所述的岩芯箱底部放置在滑轨上，在所述的竖直液压杆和水平液压杆之间还设有倾斜设置的倾斜液压杆；

其特征在于，所述取芯方法包括以下步骤：

1)操控车辆进入隧道，到达预定的岩芯取样的位置；

2)调节竖直液压杆的高度，到达预定岩芯取样的高度；

3)分别调节两侧水平液压杆，使一侧抵住洞身，另一侧准备进行岩石取样；

4)调整钻头，打开向钻头内注水的水管的阀门，注水的同时进行岩石取芯工作；

5)岩芯取样时，取芯钻杆转动，进行岩芯取样，待取芯钻杆达到预定长度时，螺纹杆反向转动，带螺纹的取芯筒向前移动，取芯筒自身留有空隙，依靠螺纹杆前方弧形部位聚拢，进而夹住岩芯；

6)调节竖直液压杆和水平液压杆之间的倾斜液压杆，同时收缩水平液压杆，岩芯被拔断，将取好的岩芯放入岩芯箱预定位置中；

7)岩芯箱在喷墨打印机滑轨上滑动，将里程信息打印在岩芯上；

8)不同位置的岩石取芯重复进行以上步骤1)到步骤7)的工作；

9)取芯完成后，操控车辆离开隧道。

2.如权利要求1所述的利用车载式全自动隧道围岩取芯系统的取芯方法，其特征在于，所述的车辆上还设有供水系统，所述的供水系统通过水管向取芯装置注水，进行降温。

3.如权利要求1所述的利用车载式全自动隧道围岩取芯系统的取芯方法，其特征在于，在所述的倾斜液压杆上设有用于测量水平液压杆倾斜角度的传感器。

4.如权利要求1所述的利用车载式全自动隧道围岩取芯系统的取芯方法，其特征在于，所述的钻头与岩石接触面上设有压力传感器。

5.如权利要求1所述的利用车载式全自动隧道围岩取芯系统的取芯方法，其特征在于，在所述的竖直液压杆和水平液压杆上均设有伸缩长度测量传感器。

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