CN113310815B - 一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验系统及试验方法，该系统包括取芯框架、三轴加载系统和钻孔取芯系统三个部分：所述取芯框架用于固定安装钻孔取芯系统和三轴加载系统；所述三轴加载系统能够对待钻岩块进行真三轴加载以模拟深部岩体受地应力作用；所述钻孔取芯系统能够对真三轴应力状态下的岩块进行钻取岩芯试样；本发明的试验系统和方法，操作简单，功能完善，能够实现在室内条件下模拟高地应力作用下的深部岩体钻孔取芯过程，可以用于深部岩体钻孔取芯损伤研究。

Description

一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验系统及试验方法
技术领域
本发明属于岩石力学试验设备领域，涉及一种岩石钻芯取样设备，具体涉及一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验系统及试验方法。
背景技术
目前钻孔取芯是进行室内试验获取岩石力学参数的常用手段，但在取芯过程中钻头的振动磨损以及钻头与岩石接触部位出现的应力集中，产生拉剪破坏区域，这会导致钻取的岩芯受到一定程度的损伤。在钻取岩芯过程中岩样中某点竖向应力逐步解除，但横向应力在钻头越过该点后才能解除，这将产生主应力差，使得岩样受到拉应力，导致岩样内部微裂纹的萌生，影响岩样的物理力学性质。此外，针对地热资源开采、地下高放核废料深埋处置、油气和矿产资源深部开采、二氧化碳地质封存等深部大型岩体工程，岩体赋存在较高的地应力环境。有研究表明随着地应力水平增加，岩石内部取样损伤程度增大。因此能够准确评价室内试验得到的力学参数与真实深部岩体的力学参数的差异对于深部岩体工程的安全稳定至关重要。
目前针对深部岩体工程的钻孔取芯损伤研究试验方案还有不足之处，主要表现为：为了研究不同力学环境下岩石的取样损伤，需要对不同深部、不同位置的岩石钻取岩芯。然而由于地质条件以及环境的复杂性，获取的岩芯试样在矿物成分、颗粒尺寸、细观结构等方面存在一定差异性。这就导致在进行岩石取样损伤研究时，不能够将岩石宏观力学特性及细观结构特征和取样损伤这一单一因素关联起来，这也是目前深部岩体力学特性研究的一大难题。而本发明能够在研究取样损伤时排除其他干扰因素，建立取样损伤与某一影响因素的单值关联，能够突破传统钻孔取样实验设计方案的瓶颈，为数值模拟计算提供更加准确的力学参数，也为深部岩体工程结构安全稳定长期运行提供重要保障。
发明内容
本发明的目的是为了模拟在深部岩体高地应力环境中钻孔取芯过程，提出一种能够实现真三轴加载的岩石钻孔取芯试验系统。该发明在钻孔取芯过程中通过对待钻岩块侧面施加水平侧向压力以模拟岩体深部存在的构造应力，对待钻岩块施加垂直的轴向应力以模拟深部地下存在的覆重应力，通过伺服装置控制对待钻岩样施加压力的大小以模拟不同深度岩体所处的地应力，从而在钻孔取芯过程中造成不同程度的取芯损伤。因此该系统可以研究深部岩体取芯过程中由于地应力释放造成的取样损伤。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验系统，其特征在于：包括三轴加载系统、取芯框架和钻孔取芯系统，所述取芯框架内部用于放置待钻岩块和三轴加载系统，所述三轴加载系统能够对待钻岩块进行三向加卸载并保持设定压力，使待钻岩块处于真三轴应力状态，所述钻孔取芯系统安装在取芯框架顶部，能够对真三轴应力状态下的待钻岩块进行钻芯取样。
作为改进，所述三轴加载系统包括三个千斤顶和液压油站，三个千斤顶分别为两个水平方向的围压加载千斤顶和一个竖直向上的轴向加载千斤顶，所述轴向加载千斤顶安装在取芯框架内底部，两个围压加载千斤顶安装在取芯框架内两个相邻的侧壁上，三个千斤顶加载方向互相垂直，所述液压油站用于为三个千斤顶供油。
作为改进，三个千斤顶的前部均设有增加与待钻岩块接触面积的加压板。
作为改进，所述三轴加载系统还包括被动受力板，所述被动受力板由两个紧贴在取芯框架的受压板和中心预留有取芯孔的顶部盖板组成，其中每个受压板均安装在围压加载千斤顶相对一侧的取芯框架内侧壁上，所述顶部盖板安装在取芯框架的顶部，待钻岩块为放置在加压板、受压板以及顶部盖板之间的方形岩块。
作为改进，所述顶部盖板通过导轨滑块结构安装在取芯框架顶部，通过水平移动顶部盖板进行取芯框架内待钻岩块的取放，顶部盖板和取芯框架之间设有能将两者竖直方向固定的盖板固定装置。
作为改进，所述钻孔取芯系统采用门式结构，包括门型支架、支撑板和钻机，所述门型支架固定在顶部盖板上，所述支撑板通过升降装置安装在门型支架上，所述钻机安装在支撑板上，钻机上的钻头与顶部盖板上的取芯孔对齐。
作为改进，所述导轨滑块结构包括设于取芯框架顶部两侧的滑移轨道和安装在顶部盖板底部在滑移轨道上滑动行走的滑轮。
作为改进，所述盖板固定装置包括设于取芯框架外侧的固定卡槽和可拆卸的固定板，所述固定板下端设有与固定卡槽配合的第一卡块，上端设有与顶部盖板边沿配合的第二卡块。
作为改进，所述千斤顶的前部与加压板之间通过能增加自由度的球铰相连。能根据加压板与千斤顶之间的夹角自动调节，防止产生局部应力集中。
一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验方法，采用上述任意一项所述岩石钻孔取芯试验系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将顶部盖板移至一侧，并将待钻岩块放置在竖向加载千斤顶的加压板上，并使待钻岩块的两个侧边与向受压板紧贴；
步骤2、通过液压油站控制千斤顶加载，首先控制两个水平向的围压加载千斤顶对待钻岩块施加一个较小的接触压力，确保待钻岩块侧面与水平向的加压板和受压板紧密贴合，再将顶部盖板移动至取芯框架中心，并通过盖板固定装置将顶部盖板与取芯框架在竖直方向固定好，通过液压油站控制轴向加载千斤顶对岩样轴向施加一个接触压力；
步骤3、通过液压油站使三轴加载装置按照一定的应力路径对待钻岩块进行三轴加载，并在设计压力值保持稳定。
步骤4、启动钻孔取芯系统，打开钻孔取芯系统的水管开关，操控钻机钻取处于真三轴应力状态下的待钻岩块，取芯完毕后，关闭钻机和水管开关，通过液压油站操控三轴加载系统卸载，完成试验。
本发明有益效果是：
本发明采用液压油站，通过计算机操伺服控制系统实现对三个方向的千斤顶加卸载的精准控制，并能保持待钻岩块处于目标应力状态，以模拟深部岩体所处的真实地应力状态。本发明能够将钻孔取样损伤与地应力这个单一影响因素关联，有利于研究深部岩体处于高地应力环境中钻孔取样损伤。通过对钻取的岩芯进行室内实验，有利于探知高地应力环境中岩体的力学行为，为深部岩体工程提供更加精确的岩体力学参数。本发明适用于高地应力环境钻孔取样损伤研究。
附图说明
图1为本发明实施例中钻孔取芯试验系统整体示意图。
图2为图1中剖面A-A结构布置图。
图3取芯框架内部结构图。
图4固定顶部盖板示意图。
图5为盖板固定装置示意图。
附图标记：1-取芯框架；2-支撑底座；3-固定卡槽；4-滑移轨道；5-轴向加载千斤顶；6-球铰；7-加压板；8-受压板；9-待钻岩块；10-固定板；11-顶部盖板；12-取芯孔；13-滑轮；14-门型支架；15-支撑板；16-钻孔电机；17-钻头；18-轨道支撑架；19-液压油管；20-液压油站；21-伺服控制系统；22-计算机，23-围压加载千斤顶，24-第一卡块，25-第二卡块，26-螺栓。
具体实施方式
为了更加清楚明白地解释本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
如图1和图2所示，一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验系统，主要包括取芯框架1、钻孔取芯系统和三轴加载系统。所述取芯框架1用于放置待钻岩块9并安装三轴加载系统。所述三轴加载系统能够对待钻岩块9进行三轴加卸载并保持设定压力，使待钻岩块9处于真三轴应力状态，三轴加载系统包括三个千斤顶、被动受力板和液压油站20，三个千斤顶分别为两个水平方向的围压加载千斤顶23和一个竖直向上的轴向加载千斤顶5，所述围压加载千斤顶23布置在取芯框架1的两个相邻侧壁，所述轴向加载千斤顶5布置在取芯框架1的底板，三个千斤顶型号一样，行程均为200mm，每个千斤顶头部有加压板7，可以与待钻岩块9紧密贴合并增加接触面积，所述加压板7与千斤顶之间有球铰6，能根据加压板7与千斤顶之间的夹角自动调节，防止产生局部应力集中，所述被动受力板由两个紧贴在取芯框架1内侧壁的受压板8和中心预留有取芯孔12的顶部盖板11组成。
如图3所示，所述受压板8布置在围压加载千斤顶23的对面(即一个受压板8和一个围压加载千斤顶23相对分布在待钻岩块9两侧)，所述待钻岩块9为方形岩块，本实施例中尺寸为300mm×300mm×300mm，放置在加压板7、受压板8以及顶部盖板11之间。本发明中取芯框架1应既要承受钻孔取样系统和三轴加压装置的重量，又要支撑千斤顶加载时产生的压力，因此应具备较大的刚度和承重性，外部基本尺寸为2500mm×2500mm×1000mm，取芯框架1应放置在支撑底座2上，支撑底座2锚固在地面。
如图1至3所示，取芯框架1上两侧设有轨道支撑架18，轨道支撑架18上设有滑移轨道4，所述顶部盖板11底部设有滑轮13，能够通过取芯框架1和轨道支撑架18上的滑移轨道4进行移动，方便安装待钻岩块9，也可以实现钻头17钻取待钻岩块9不同位置。在三轴加载过程中，所述顶部盖板11能够通过取芯框架1中预留的固定卡槽3和固定板10进行固定，可实现为竖直向加载过程中提供被动力。此外，顶部盖板11中间预留有盖板取样孔，方便钻头17钻取真三轴应力状态下的待钻岩块9。
如图1所示，所述液压油站20与千斤顶之间通过液压油管19和控制阀门进行连接，伺服控制系统21控制液压油站20和控制阀门同时为三个千斤顶供油。所述伺服控制系统21通过计算机22控制，通过位移控制或压力控制方式能够同时操纵三个千斤顶进行加载和卸载功能，还需要能够在达到设定压力值后保持稳定，以保证钻孔取芯系统能够安全顺利地钻取岩芯。为了模拟深部岩体高地应力状态，结合深部岩体工程所处的地应力水平，所述三轴加载系统能够施加待钻岩块9表面最大荷载为70Mpa。
钻孔取芯系统主要包括门型支架14、支撑板15、钻孔电机16和钻头17组成。所述钻孔电机16安装在支撑板15上，所述支撑板15通过升降装置安装在门型支架14上，支撑板15可以沿着竖直轨道实现上下滑移，该升降装置既可以为手动升降装置也可以为自动升降装置，包括但是不限于丝杠螺母机构、液压缸等，所述门型支架14安装在顶部盖板11上，顶部盖板11应具有足够的稳定性以保证钻头17工作时的稳定性。所述钻机采用自动化技术能够实现自动钻进，并利用行程开关实现完成取芯后钻机的自动停止。所述钻孔电机16采用功率不低于3KW的三相异步电动机，并可以实现钻进速度和钻头17转速的无极调节，可安装直径为25mm、50mm、75mm、100mm的钻头17，可以实现对不同种类的岩石钻取不同尺寸的岩芯。所述钻头17中设置有进水管，能够对钻头17内部通水，可以防止钻头17钻进过程中由于与岩石高速摩擦产生局部高温而损坏钻头17。
如图5所示，为了进一步提高顶部盖板11的稳定性，在盖板底部的导轨滑块结构安装情况下还设置了盖板固定装置，所述盖板固定装置包括设于取芯框架1外侧的固定卡槽3和可拆卸的固定板10，所述固定板10下端设有与固定卡槽3配合的第一卡块24，上端设有与顶部盖板11边沿配合的第二卡块25，第一卡块24、第二卡块25和固定板10的本体一起组成了C字形的卡和结构。当顶部盖板11移动到取芯框架1内待钻岩块9正上方时，移动到位，将固定板10下端的第一卡块24卡在取芯框架1外侧的固定卡槽3内，将固定板10上端的第二卡块25卡在顶部盖板11边沿上，将固定板10通过螺栓26固定在取芯框架1或者顶部盖板11上，可以保证顶部盖板11满足钻头17工作时的稳定性。
需要说明的是，伺服控制系统21、液压油站20和计算机22均为已有成熟产品，并非本发明独特设计，本发明利用伺服控制系统21、液压油站20和计算机22对千斤顶的精准控制配合本发明千斤顶的安装方式来解决本发明的技术问题，使得本发明能够实现真三轴加载岩石钻孔取芯试验。
本发明的具体实施方式如下：
步骤1：打开仪器开关，将顶部盖板11滑移至一端，并将待钻岩块9放置在轴向加载千斤顶5顶部的加压板7上，并使待钻岩块9的两个侧边与两个受压板8紧贴。操控计算机22通过液压油站20使两个水平向千斤顶进行加载，并维持在较小的压力，以实现待钻岩块9的位置固定。
步骤2：移动顶部盖板11至与取芯框架1顶部位置，安装好盖板固定装置的固定板10。操控计算机22通过液压油站20使竖向千斤顶进行加载，使待钻岩块9固定。在计算机22中设置三轴加载的路径和目标压力值，控制三个千斤顶按照设定的应力路径进行加载，并维持在设定的压力值。
步骤3：启动钻孔取芯系统，打开水管开关，开启钻孔电机16，根据不同岩性设置不同钻进速度和钻头17转速。待取出岩芯后，关闭钻机，关闭水管开关，打开盖板固定装置，移动顶部盖板11至合适位置，进行下一次取芯操作。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种真三轴加载的岩石钻孔取芯试验方法，采用的岩石钻孔取芯试验系统包括三轴加载系统、取芯框架和钻孔取芯系统，所述取芯框架内部用于放置待钻岩块和三轴加载系统，所述三轴加载系统能够对待钻岩块进行三向加卸载并保持设定压力，使待钻岩块处于真三轴应力状态，所述钻孔取芯系统安装在取芯框架顶部，能够对真三轴应力状态下的待钻岩块进行钻芯取样；
所述三轴加载系统包括三个千斤顶和液压油站，三个千斤顶分别为两个水平方向的围压加载千斤顶和一个竖直向上的轴向加载千斤顶，所述轴向加载千斤顶安装在取芯框架内底部，两个围压加载千斤顶安装在取芯框架内两个相邻的侧壁上，三个千斤顶加载方向互相垂直，所述液压油站用于为三个千斤顶供油；
三个千斤顶的前部均设有增加与待钻岩块接触面积的加压板；所述千斤顶的前部与加压板之间通过能增加自由度的球铰相连；
所述三轴加载系统还包括被动受力板，所述被动受力板由两个紧贴在取芯框架的受压板和中心预留有取芯孔的顶部盖板组成，其中每个受压板均安装在围压加载千斤顶相对一侧的取芯框架内侧壁上，所述顶部盖板安装在取芯框架的顶部，待钻岩块为放置在加压板、受压板以及顶部盖板之间的方形岩块；
所述顶部盖板通过导轨滑块结构安装在取芯框架顶部，通过水平移动顶部盖板进行取芯框架内待钻岩块的取放，顶部盖板和取芯框架之间设有能将两者竖直方向固定的盖板固定装置；
所述盖板固定装置包括设于取芯框架外侧的固定卡槽和可拆卸的固定板，所述固定板下端设有与固定卡槽配合的第一卡块，上端设有与顶部盖板边沿配合的第二卡块；
所述钻孔取芯系统采用门式结构，包括门型支架、支撑板和钻机，所述门型支架固定在顶部盖板上，所述支撑板通过升降装置安装在门型支架上，所述钻机安装在支撑板上，钻机上的钻头与顶部盖板上的取芯孔对齐；
其特征在于，岩石钻孔取芯试验方法包括如下步骤：
步骤1、将顶部盖板移至一侧，并将待钻岩块放置在竖向加载千斤顶的加压板上，并使待钻岩块的两个侧边与向受压板紧贴；
步骤2、通过液压油站控制千斤顶加载，首先控制两个水平向的围压加载千斤顶对待钻岩块施加一个较小的接触压力，确保待钻岩块侧面与水平向的加压板和受压板紧密贴合，再将顶部盖板移动至取芯框架中心，并通过盖板固定装置将顶部盖板与取芯框架在竖直方向固定好，通过液压油站控制轴向加载千斤顶对岩样轴向施加一个接触压力；
步骤3、通过液压油站使三轴加载装置按照一定的应力路径对待钻岩块进行三轴加载，并在设计压力值保持稳定；
步骤4、启动钻孔取芯系统，打开钻孔取芯系统的水管开关，操控钻机钻取处于真三轴应力状态下的待钻岩块，取芯完毕后，关闭钻机和水管开关，通过液压油站操控三轴加载系统卸载，完成试验。
2.根据权利要求1所述的岩石钻孔取芯试验方法，其特征在于：所述导轨滑块结构包括设于取芯框架顶部两侧的滑移轨道和安装在顶部盖板底部在滑移轨道上滑动行走的滑轮。
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