CN114000866B - 岩体结构特征随钻测试装置及方法 - Google Patents

岩体结构特征随钻测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩体结构特征随钻测试装置及方法，所述岩体结构特征随钻测试装置包括模具装置、钻机装置、声波探测装置以及至少一个显示器，模具装置用于制作含裂隙岩体试件，且包括开口向上的半封闭式箱体、安装于半封闭式箱体上端的安装架以及安装于安装架上的至少一个钢片，半封闭式箱体的一侧壁设有可启闭的侧门，钢片位于半封闭式箱体的腔体内，以使钢片伸入岩体模型内产生缝隙，用于模拟岩体内的结构面，钻机装置设置于半封闭式箱体的一侧，钻机装置包括控制监测装置和钻进单元，声波探测装置设置于半封闭式箱体的开口上方，以监测钻进过程中的声波特征。本发明能够实现岩体试件结构特征参数的随钻实时获取与定量评价。

Description

岩体结构特征随钻测试装置及方法
技术领域
本发明涉及室内实验设备技术领域，特别是涉及一种岩体结构特征随钻测试装置及方法。
背景技术
岩体中的裂隙结构面对地下工程的建造与长期运行安全有重要影响，天然岩体内部存在大量裂隙，在其内部含有不同角度、长度和宽度的裂隙结构面，这些裂隙结构面严重削弱了岩体的强度和稳定性，因此提前获取岩体结构面的分布情况对于地下工程支护方案设计尤为重要。数字钻探技术为岩体裂隙探测提供了新思路，其核心是建立岩体裂隙参数与随钻参数的理论关系。但现场岩石存在取样困难、裂隙难以控制、运输成本高等问题，目前没有一种裂隙岩样制作装置用于裂隙岩样的室内钻探试验，导致无法建立岩体结构特征与随钻参数的理论关系，进而无法实现现场裂隙特征的准确获取。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩体结构特征随钻测试装置及方法，其优点是：能够批量、快速制作多种预设角度与宽度裂隙的类岩体试件，无需将真实的岩体运到实验室中，解决了现场含裂隙岩石的取样困难、裂隙无法控制、运输成本高的问题，同时便于试验测试并节省了试验成本。进一步，通过开展本发明中提供的模具装置制作出来的裂隙岩石试件的钻探试验，研究岩石裂隙与随钻参数的响应关系，能够快速准确测试岩体结构面分布情况，为工程现场岩体裂隙探测提供理论基础。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，包括模具装置、钻机装置、声波探测装置以及至少一个显示器，模具装置用于制作含裂隙岩体试件，且包括开口向上的半封闭式箱体、安装于半封闭式箱体上端的安装架以及安装于安装架上的至少一个钢片，半封闭式箱体的一侧壁设有可启闭的侧门，钢片位于半封闭式箱体的腔体内，以使钢片伸入岩体模型内产生缝隙用于模拟岩体内的结构面。钻机装置设置于半封闭式箱体的一侧，钻机装置包括控制监测装置和钻进单元，所述钻机装置有两种控制模式，可精确控制（钻进速度，钻头转速）或（钻进压力，钻头转速）两组参数的任意一组。声波探测装置设置于半封闭式箱体的开口上方，以监测钻进过程中的声波特征，显示器与控制监测装置和声波探测装置电连接，以显示监测信息。本发明能够实现岩体试件结构特征参数的随钻实时获取与定量评价。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置还可以是：
钻进单元包括钻杆和安装于钻杆一端的钻头，其中，钻头与侧门相对设置。
安装架包括第一支架，第一支架包括安装于半封闭式箱体一端的第一支臂组件和安装于第一支臂组件上的第一悬臂组件，钢片可拆卸式安装于第一悬臂组件上。
安装架还包括第二支架，第二支架包括安装于半封闭式箱体另一端的第二支臂组件和安装于第二支臂组件上的第二悬臂组件，第二悬臂组件与第一悬臂组件连接且钢片设置于第二悬臂组件与第一悬臂组件之间。
第一支臂组件和第二支臂组件均包括卡板、紧固螺丝、螺杆以及两个螺母，卡板的高度方向的中部开设有与半封闭式箱体的上端插接的凹槽，凹槽的底壁上开设有第一螺纹孔，紧固螺丝安装于第一螺纹孔中，以可调节式固定卡板的位置，螺杆的下端与卡板的上端固接，两个螺母均安装于螺杆上，第一悬臂组件的一端套设在螺杆上且设置于两个螺母之间。
第一悬臂组件和第二悬臂组件均包括立板、平板以及螺栓，立板上沿长度方向开设有条形孔，平板固接于立板的一端，平板上开设有通孔，平板通过通孔套设于螺杆上，平板设置于两个螺母之间，钢片通过螺栓可调节式安装于条形孔上。
钻机装置还包括第一升降台装置，钻杆安装于第一升降台装置上，以对钻头的钻进高度进行调节。
还包括第二升降台装置，模具装置设置于第二升降台装置上，以对模具装置的高度进行调节。
还包括n形钢架和压紧螺杆，n形钢架的下端固接于第二升降台装置上，n形钢架的上端板开设有第二螺纹孔，压紧螺杆安装于第二螺纹孔中，以在钻进时压紧模具装置中的岩体模型。
本发明目的还提供一种岩体结构特征随钻测试方法，采用上述的岩体结构特征随钻测试装置，包括：向半封闭式箱体中注入水泥砂浆等类岩石材料，将钢片的一部分伸入类岩石材料中；待类岩石材料凝固后，形成含裂隙岩体试件；将钢片从安装架上拆除并抽离含裂隙岩体试件；将侧门开启；开启钻机装置，钻进单元对含裂隙岩体试件进行钻进，显示器显示控制监测装置得到的随钻参数随钻进深度的变化曲线；开启声波探测装置，声波探测装置对钻头的钻进过程进行监测，显示器显示声波探测装置得到的声波探测特征参数随钻进深度的变化曲线，通过所述曲线变化规律分析，定量获取岩体试件裂隙宽度、角度、位置等结构特征参数。
本发明所涉及的一种岩体结构特征随钻测试装置，相对于现有技术而言具有的优点是：由于包括模具装置，实现了可在室内制作含裂隙岩体的试件，从而实现了无需将真实的岩体运到实验室中，解决了现场含裂隙岩石的取样困难、裂隙无法控制、运输成本高的问题。由于还包括钻机装置、声波探测装置以及显示器，从而实现了可在室内的含裂隙岩体试件的制作现场随钻测试含裂隙岩体试件，得到随钻参数随钻进深度的变化曲线以及声波探测特征参数随钻进深度的变化曲线，从而实现了便于试验测试以及节省试验成本的效果。另外，通过开展本发明中提供的模具装置制作出来的裂隙岩石试件的钻探试验，研究岩石裂隙与随钻参数的响应关系，能够快速准确测试岩体结构面分布情况，为工程现场岩体裂隙探测提供理论基础。
附图说明
图1为本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置的立体结构图。
图2为本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置的模具装置的放大图。
图3为本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置的安装架的立体图。
图号说明
1、模具装置；11、半封闭式箱体；111、侧门；12、安装架；121、第一支架；1211、第一支臂组件；12111、卡板；12112、紧固螺丝；12113、螺杆；12114、螺母；1212、第一悬臂组件；12121、立板；12122、平板；12123、螺栓；122、第二支架；1221、第二支臂组件；1222、第二悬臂组件；13、钢片；
2、钻机装置；21、控制监测装置；22、钻杆；23、钻头；24、第一升降台装置；
3、声波探测装置；
4、显示器；
5、第二升降台装置；
6、n形钢架；
7、压紧螺杆。
具体实施方式
下面结合附图的图1至图3对本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置及方法作进一步详细说明。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，包括模具装置1、钻机装置2、声波探测装置3以及显示器4。
模具装置1用于制作含裂隙岩体试件，且包括开口向上的半封闭式箱体11、安装于半封闭式箱体11上端的安装架12以及安装于安装架12上的钢片13。
半封闭式箱体11的一侧壁设有可启闭的侧门111，以在对岩体模型进行钻进时，打开或拆下侧门111，使钻进单元进入半封闭式箱体11中进行钻进作业。
钢片13位于半封闭式箱体11的腔体内，以使钢片13伸入岩体模型内产生缝隙用于模拟岩体内的结构面。钢片13的数量不限于为一个，也可以为多个钢片13紧密贴合或相间隔排列，领域技术人员可根据实际需要选择钢片13的数量。
钻机装置2设置于半封闭式箱体11的一侧，钻机装置2包括控制监测装置21和钻进单元，所述钻机装置2有两种控制模式，可精确控制（钻进速度，钻头转速）或（钻进压力，钻头转速）两组参数的任意一组。
声波探测装置3设置于半封闭式箱体11的开口上方，以监测钻进过程中的声波特征。
显示器4与控制监测装置21和声波探测装置3电连接，以显示监测信息。当然，显示器4的数量不限于为一个，也可以为多个，例如，其中一个显示器4与控制监测装置21电连接，另一个显示器4与声波探测装置3电连接，本领域技术人员可根据实际需要选择显示器4的数量。
工作原理：向半封闭式箱体11中注入水泥砂浆等类岩石材料，将钢片13的一部分伸入类岩石材料中；待类岩石材料凝固后，形成含裂隙岩体试件；将钢片13从安装架12上拆除并抽离含裂隙岩体试件；将侧门111开启；开启钻机装置2，钻头23对含裂隙岩体试件进行钻进，显示器4显示控制监测装置21得到的随钻参数随钻进深度的变化曲线；开启声波探测装置3，声波探测装置3对钻头23的钻进过程进行监测，显示器4显示声波探测装置3得到的声波探测特征参数随钻进深度的变化曲线，无需将真实的岩体运到实验室中，解决了现场含裂隙岩石的取样困难、裂隙无法控制、运输成本高的问题。由于可在含裂隙岩体试件的制作现场进行随钻测试含裂隙岩体试件，得到随钻参数随钻进深度的变化曲线以及声波探测特征参数随钻进深度的变化曲线，从而实现了便于试验测试以及节省试验成本的效果。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：钻进单元包括钻杆22和安装于钻杆22一端的钻头23，其中，钻头23与侧门111相对设置。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：安装架12包括第一支架121，第一支架121包括安装于半封闭式箱体11一端的第一支臂组件1211和安装于第一支臂组件1211上的第一悬臂组件1212，钢片13可拆卸式安装于第一悬臂组件1212上。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：安装架12还包括第二支架122，第二支架122包括安装于半封闭式箱体11另一端的第二支臂组件1221和安装于第二支臂组件1221上的第二悬臂组件1222。
第二悬臂组件1222与第一悬臂组件1212连接，以增强结构稳定性，且钢片13被夹持于第二悬臂组件1222与第一悬臂组件1212之间，从而实现对钢片13的安装角度固定的效果。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：第一支臂组件1211和第二支臂组件1221均包括卡板12111、紧固螺丝12112、螺杆12113以及两个螺母12114。
卡板12111的高度方向的中部开设有与半封闭式箱体11的上端插接的凹槽，凹槽的底壁上开设有第一螺纹孔。例如，半封闭式箱体11的上端设有外翻边，卡板12111的凹槽与外翻边插接。
紧固螺丝12112安装于第一螺纹孔中，以可调节式固定卡板12111的位置。优选紧固螺丝12112为吊环螺丝，从而实现便于手动调节的效果。
螺杆12113的下端与卡板12111的上端固接。
两个螺母12114均安装于螺杆12113上，第一悬臂组件1212的一端套设在螺杆12113上且设置于两个螺母12114之间。优选螺母12114为蝶形螺母，从而实现便于手动调节的效果。例如，当需要对钢片13的角度调节时，手动旋松其中一个螺母12114即可调节第一悬臂组件1212以及钢片13的角度，从而实现根据需要制造出相适配角度的裂隙的类岩体试件。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：第一悬臂组件1212和第二悬臂组件1222均包括立板12121、平板12122以及螺栓12123。
立板12121上沿长度方向开设有条形孔，以便于调节固定位置。
平板12122固接于立板12121的一端，平板12122上开设有通孔，平板12122通过通孔套设于螺杆12113上，平板12122设置于两个螺母12114之间，以及
钢片13上开设有安装孔，钢片13通过螺栓12123可调节式安装于立板12121的条形孔上。例如，将多个钢片13同一平面横向排列，或将多个钢片13纵向叠加，本领域技术人员可根据需要的不同规格的裂隙，选择钢片13的排列方式。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：钻机装置2还包括第一升降台装置24，钻杆22安装于第一升降台装置24上，以对钻头23的钻进高度进行调节。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：还包括第二升降台装置5，模具装置1设置于第二升降台装置5上，以对模具装置1的高度进行调节。
本发明的一种岩体结构特征随钻测试装置，请参考图1至图3相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是：还包括n形钢架6和压紧螺杆7，n形钢架6的下端固接于第二升降台装置5上，n形钢架6的上端板开设有第二螺纹孔，压紧螺杆7安装于第二螺纹孔中，以在钻进时压紧模具装置1中的岩体模型。
优选将声波探测装置3安装于n形钢架6上，当然，声波探测装置3不限于安装于n形钢架6上，例如，人工手持或另外设置支架，本领域技术人员可根据实际需要选择声波探测装置3的安装位置。
本发明还提供一种岩体结构特征随钻测试方法，采用上述的岩体结构特征随钻测试装置，包括：
向半封闭式箱体11中注入水泥砂浆等类岩石材料，将钢片13的一部分伸入类岩石材料中。
待类岩石材料凝固后，形成含裂隙岩体试件。
将钢片13从安装架12上拆除并抽离含裂隙岩体试件。
将侧门111开启。
开启钻机装置2，钻头23对含裂隙岩体试件进行钻进，显示器4显示控制监测装置21得到的随钻参数随钻进深度的变化曲线。
开启声波探测装置3，声波探测装置3对钻头23的钻进过程进行监测，显示器4显示声波探测装置3得到的声波探测特征参数随钻进深度的变化曲线，通过所述曲线变化规律分析，定量获取岩体试件裂隙宽度、角度、位置等结构特征参数。
上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，包括：
模具装置（1），用于制作含裂隙岩体试件，且包括开口朝上的半封闭式箱体（11）、安装于所述半封闭式箱体（11）上端的安装架（12）以及安装于所述安装架（12）上的至少一个钢片（13），所述半封闭式箱体（11）的一侧壁设有可启闭的侧门（111），所述钢片（13）位于所述半封闭式箱体（11）的腔体内，以使所述钢片（13）伸入岩体模型内产生缝隙用于模拟岩体内的结构面，
钻机装置（2），设置于所述半封闭式箱体（11）的一侧，所述钻机装置（2）包括控制监测装置（21）和钻进单元，所述钻机装置（2）的控制模式包括钻进速度和钻头转速控制模式或钻进压力和钻头转速控制模式；
声波探测装置（3），设置于所述半封闭式箱体（11）的开口的上方，以监测钻进过程中的声波特征，以及
至少一个显示器（4），所述显示器（4）与所述控制监测装置（21）和所述声波探测装置（3）电连接，以显示监测信息；
向所述半封闭式箱体（11）中注入类岩石材料，将所述钢片（13）的一部分伸入所述类岩石材料中；
待所述类岩石材料凝固后，形成含裂隙岩体试件；
将所述钢片（13）从所述安装架（12）上拆除并抽离所述含裂隙岩体试件；
将所述侧门（111）开启；
开启所述钻机装置（2），所述钻进单元对所述含裂隙岩体试件进行钻进，所述显示器（4）显示所述控制监测装置（21）得到的随钻参数随钻进深度的变化曲线；开启所述声波探测装置（3），所述声波探测装置（3）对钻头（23）的钻进过程进行监测，所述显示器（4）显示所述声波探测装置（3）得到的声波探测特征参数随钻进深度的变化曲线，通过所述曲线变化规律分析，定量获取岩体试件裂隙宽度、角度、位置的结构特征参数。
2.根据权利要求1所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，所述钻进单元包括钻杆（22）和安装于所述钻杆（22）一端的钻头（23），其中，所述钻头（23）与所述侧门（111）相对设置。
3.根据权利要求2所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，所述安装架（12）包括第一支架（121），所述第一支架（121）包括安装于所述半封闭式箱体（11）一端的第一支臂组件（1211）和安装于所述第一支臂组件（1211）上的第一悬臂组件（1212），所述钢片（13）可拆卸式安装于所述第一悬臂组件（1212）上。
4.根据权利要求3所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，所述安装架（12）还包括第二支架（122），所述第二支架（122）包括安装于所述半封闭式箱体（11）另一端的第二支臂组件（1221）和安装于所述第二支臂组件（1221）上的第二悬臂组件（1222），所述第二悬臂组件（1222）与所述第一悬臂组件（1212）连接且所述钢片（13）设置于所述第二悬臂组件（1222）与所述第一悬臂组件（1212）之间。
5.根据权利要求4所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，所述第一支臂组件（1211）和所述第二支臂组件（1221）均包括：
卡板（12111），所述卡板（12111）的高度方向的中部开设有与所述半封闭式箱体（11）的上端插接的凹槽，所述凹槽的底壁上开设有第一螺纹孔，
紧固螺丝（12112），安装于所述第一螺纹孔中，以可调节式固定所述卡板（12111）的位置，
螺杆（12113），下端与所述卡板（12111）的上端固接，以及
两个螺母（12114），两个所述螺母（12114）均安装于所述螺杆（12113）上，所述第一悬臂组件（1212）的一端套设在所述螺杆（12113）上且设置于两个所述螺母（12114）之间。
6.根据权利要求5所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，所述第一悬臂组件（1212）和所述第二悬臂组件（1222）均包括：
立板（12121），所述立板（12121）上沿长度方向开设有条形孔，
平板（12122），固接于所述立板（12121）的一端，所述平板（12122）上开设有通孔，所述平板（12122）通过所述通孔套设于所述螺杆（12113）上，所述平板（12122）设置于两个所述螺母（12114）之间，以及
螺栓（12123），所述钢片（13）通过所述螺栓（12123）可调节式安装于所述条形孔上。
7.根据权利要求1所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，所述钻机装置（2）还包括第一升降台装置（24），钻杆（22）安装于所述第一升降台装置（24）上，以对所述钻头（23）的钻进高度进行调节。
8.根据权利要求7所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，还包括第二升降台装置（5），所述模具装置（1）设置于所述第二升降台装置（5）上，以对所述模具装置（1）的高度进行调节。
9.根据权利要求8所述的岩体结构特征随钻测试装置，其特征在于，还包括n形钢架（6）和压紧螺杆（7），所述n形钢架（6）的下端固接于所述第二升降台装置（5）上，所述n形钢架（6）的上端板开设有第二螺纹孔，所述压紧螺杆（7）安装于所述第二螺纹孔中，以在钻进时压紧所述模具装置（1）中的岩体模型。
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