CN114878392A - 一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置及试验方法，包括架体、岩石试样、钻杆、钻头、监测组件和控制系统，其中，所述岩石试样设置在所述架体内，所述钻杆设置在所述架体上，所述钻头连接在所述钻杆的下端，所述钻头位于所述岩石试样的上方，所述钻头的下端安装有滚刀，所述钻杆带动所述钻头旋转和上下移动，所述滚刀能够对所述岩石试样进行破岩；所述监测组件与控制系统连接，所述控制系统能够控制所述试验装置的运行。利用该试验装置能够进行不同围压工况下的竖井滚刀破岩试验，在研究软岩破岩刀具类型的适宜性方面做出探索，为矿井钻井法施工选择合适刀具，减少刀具磨损或刀具更换次数，缩短施工工期，提高破岩效率，节约成本。

Description

一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及煤矿竖井钻井法施工技术研究领域，特别涉及一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置及试验方法。

背景技术

开发矿产资源正在向深度进发，大直径钻头全断面钻井法凿井已在白垩系和侏罗系砂岩中实施，从“一扩成井”到“一钻成井”再到“一钻完井”已成为现实。然而白垩系、侏罗系砂岩构造层次多变，矿物成分颗粒大多呈弱胶结状态，强度较低，孔隙率较大，遇水作用易泥化，工程力学性质呈现复杂多样性。截止目前，滚刀破岩试验台大多针对TBM(TunnelBoring Machine，隧道掘进机)设备，且采取直线破岩方式，如岩石试件不固定，需要在动力设备前提下作横向和竖向移动，滚刀只做上下运动，与钻井法凿井滚刀破岩工况出入较大，与实际破岩工况不符。截止目前，鲜见钻井法凿井在破岩刀具类型适宜性研究及机械参数的滚刀破岩试验台的装置。

因此，需要一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置及试验方法，对指导破岩机理研究具有重要工程实践意义，该发明由安徽省高校研究生科研项目资助(YJS20210385)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置及试验方法，利用该试验装置能够进行不同围压工况下的竖井滚刀破岩试验，在研究软岩破岩刀具类型的适宜性方面做出探索，为矿井钻井法施工选择合适刀具，减少刀具磨损或刀具更换次数，缩短施工工期，提高破岩效率，节约成本。该试验装置弥补了现有技术中滚刀类型固定、位置固定、岩体转动钻头不转、工况单一等不足。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，包括架体、岩石试样、钻杆、钻头、监测组件和控制系统，其中，所述岩石试样设置在所述架体内，所述钻杆设置在所述架体上，所述钻头连接在所述钻杆的下端，所述钻头位于所述岩石试样的上方，所述钻头的下端安装有滚刀，所述钻杆带动所述钻头旋转和上下移动，所述滚刀能够对所述岩石试样进行破岩；所述监测组件与控制系统连接，所述监测组件能够对试验中的数据进行采集，所述控制系统能够控制所述试验装置的运行。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，所述架体为框架结构，所述架体包括底座、立柱和顶板，所述立柱设置有四根，所述底座设置有四个，每个所述立柱的下端延伸至一个所述底座内，所述立柱的顶端与所述顶板连接；所述底座的下端连接有固定板，所述固定板通过第一螺栓固定在地基基础上；优选地，还包括第一加腋板，所述底座的周围设置有多个所述第一加腋板，所述第一加腋板与所述底座和所述固定板均连接。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，还包括管套，所述管套穿过所述顶板并与所述顶板固定连接，所述钻杆的上端位于所述顶板的上方，所述钻杆的下端穿过所述管套后延伸至所述顶板的下方，所述钻杆能够在所述管套内上下移动；优选地，位于所述顶板上方的所述管套周围和所述顶板下方的所述管套周围均设置有第二加腋板，所述第二加腋板与所述顶板和所述管套均连接；优选地，所述钻头和所述钻杆通过法兰以及第二螺栓连接；优选地，所述管套为钢结构圆管，所述管套的内径大于所述钻杆的直径。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，所述顶板上设置有竖向液压缸和旋转液压缸，所述竖向液压缸的输出端与所述钻杆连接，所述竖向液压缸能够驱动所述钻杆上下移动；所述旋转液压缸的输出端与所述钻杆连接，所述旋转液压缸能够驱动所述钻杆旋转；所述竖向液压缸和所述旋转液压缸均与所述控制系统连接。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，还包括支档面板，所述支档面板设置在所述架体中部，所述立柱穿过所述支档面板，所述支档面板与所述立柱固定连接，在所述支档面板上设置有第一通孔，所述钻头为圆柱形结构，所述钻头由所述第一通孔穿过所述支档面板，所述钻头的侧壁与所述第一通孔的内壁之间为间隙配合关系，所述支档面板用于限制所述钻头的位置不发生偏移或摆动；优选地，所述支档面板为钢结构部件。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，还包括刀盘和刀座，所述刀盘为圆柱体结构，所述刀盘的上端与所述钻头的下端连接，所述刀座安装在所述刀盘的下表面上，所述刀座能够沿所述刀盘的径向移动，所述刀座用于安装所述滚刀；优选地，所述刀盘的下表面沿所述刀盘的径向设置有凹槽，所述刀座通过所述凹槽与所述刀盘滑动连接，所述刀座设置有第三螺栓，所述第三螺栓能够将所述刀座位于所述刀盘上的位置进行固定；优选地，安装所述滚刀的所述刀座设置有多个；优选地，所述滚刀为刮刀、镶齿楔形滚刀或球齿滚刀中的一种，所述刀座与所述滚刀匹配；优选地，所述第三螺栓设置有4～6颗。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，还包括支撑板，所述立柱穿过所述支撑板并与所述支撑板固定连接，所述支撑板竖向设置有第二通孔；所述架体内的地基基础上设置有基座，所述基座上设置有试样槽，所述岩石试样设置在所述试样槽内，所述岩石试样为圆柱体结构，所述试样槽为圆环状结构，所述试样槽环绕所述岩石试样，所述第二通孔的直径大于所述试样槽的直径；所述岩石试样位于所述第二通孔内，所述第二通孔的内壁设置有若干径向液压缸，在所述试样槽与所述径向液压缸对应的位置设置有位置标记点，所述径向液压缸的输出端在所述位置标记点处与所述试样槽抵接，所述径向液压缸能够对所述岩石试样进行加压，所述径向液压缸与所述控制系统连接；优选地，沿所述第二通孔的轴向设置有两排所述径向液压缸，每排所述径向液压缸沿所述第二通孔周向均匀分布且位于同一平面；优选地，所述试样槽材质为不锈钢，所述试样槽由多块钢板拼接而成；优选地，所述径向液压缸设置有32个；优选地，所述岩石试样的高度大于所述试样槽的高度100mm-200mm；优选地，所述岩石试样的直径大于所述钻头的直径100mm-200mm。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，所述监测组件包括三向力传感器、转速传感器和位移传感器，所述三向力传感器、所述转速传感器和所述位移传感器均设置在所述刀座上，所述三向力传感器、所述转速传感器和所述位移传感器均与所述控制系统连接；所述三向力传感器用于采集所述竖向液压缸所施加的压力数据，所述转速传感器用于采集所述钻头的转速数据，所述位移传感器用于采集所述钻头的竖向位移数据。

进一步地，在上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置中，所述监测组件包括压力传感器，所述压力传感器与所述控制系统连接；所述压力传感器设置在所述径向液压缸内，所述压力传感器能够采集所述径向液压缸对所述岩石试样施加压力的数据。

另一方面，提供了一种利用上述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

步骤S1，制定试验方案并完成试验装置的架设；

首先架设立柱，利用第一螺栓将立轴紧固在地基基础上；在立柱上安装支档面板和顶板，在顶板上安装钻杆，在钻杆上安装钻头，钻杆与钻头之间通过法兰以及第二螺栓固定连接；制作钢筋混凝土的基座和支撑板，架体内的地基基础上就地制作钢筋混凝土的基座和支撑板，对架体所有钢结构固定连接处进行焊接、焊缝处理和喷涂工艺，并使第一通孔、钻头的刀盘中心与第二通孔中心严格对中，确保架体结构各部分完工验收合格；

步骤S2，S1步骤完成后，按照试验方案要求，在钻头上安装刀盘、刀座、滚刀、三向力传感器、力矩传感器、转速传感器和位移传感器，滚刀数量为1-3枚，然后安装竖向液压缸和旋转液压缸，将三向力传感器、力矩传感器、转速传感器与控制系统连接，进行试验装置的测试；

步骤S3，按试验方案要求制作圆柱状岩石试样，岩石试样外围设置组合钢板形成试样槽，将岩石试样及试样槽置于基座上，在试样槽和支撑板之间加设径向液压缸，并使径向液压缸的输出端对准试样槽上预先设置的位置标记点，然后调试径向液压缸，通过压力传感器观测岩石试样的围压达到试验预设值；

步骤S4，步骤S3完成后再次核实液压缸和监测设备功能完整，确保信号正常，然后根据破岩试验方案设定的钻进参数和滚刀参数实施破岩；

步骤S5，搜集记录相关试验数据与图表，收集破岩后的岩渣粒径组分和质量，保存试验输出数据，保留试验岩样被破痕迹；

步骤S6，按照试验设计，重复试验步骤S2-S5。

分析可知，本发明公开一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置及试验方法，该试验装置最大限度的在室内模拟钻井法滚刀破岩的真实场景，具有高度试验仿真性，取得的研究成果具有实际意义。避免了钻杆和钻头在旋转给进的过程中横向摇晃带来的弊端，减少动力设施，节约成本。滚刀位置可调，避免了滚刀位置固定带来的单一研究工况带来的弊端，最大限度发挥和拓展了试验台多功能效益。用单个刀座安装不同类型的滚刀，用以研究钻井法中不同刀具类型的钻头在不同位置的刀间距、齿距、排距、钻压、转速、贯入度和刀具转速等参数成为可能，通过研究白垩系和侏罗系砂岩的破岩机理，减少实际工程中刀具的更换次数，延迟刀具寿命，提高破岩效率，对指导破岩机理研究具有重要工程实践意义。该试验装置在研究软岩破岩刀具类型的适宜性方面做出探索，为矿井钻井法施工选择合适刀具，减少刀具磨损或刀具更换次数，缩短施工工期，提高破岩效率，节约成本。弥补了现有技术中滚刀类型固定、位置固定、岩体转动钻头不转、工况单一等不足。

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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的刀盘、刀座和滚刀装配的立体结构示意图。

图3为本发明一实施例的刀盘、刀座和滚刀装配的平面结构示意图。

图4为本发明一实施例的顶板布置的立体结构示意图。

图5为本发明一实施例的支档面板的立体结构示意图。

图6为本发明一实施例的支撑板的立体结构示意图。

图7为本发明一实施例的支撑板、径向液压缸、试样槽和岩石试样装配的结构示意图。

图8为本发明一实施例的试样槽与岩石试样装配的立体结构示意图。

附图标记说明：1架体；10底座；11立柱；12顶板；13第一加腋板；14管套；15第二加腋板；16竖向液压缸；17旋转液压缸；18固定板；19第一螺栓；2岩石试样；20基座；3钻杆；30法兰；31第二螺栓；4钻头；40刀盘；41刀座；42滚刀；43凹槽；44第三螺栓；45三向力传感器；46转速传感器；47位移传感器；5支档面板；50第一通孔；6支撑板；60第二通孔；61径向液压缸；62试样槽；63压力传感器；64位置标记点。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。

如图1至图8所示，根据本发明的实施例，提供了一种适用于研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，包括架体1、岩石试样2、钻杆3、钻头4、监测组件和控制系统，其中，岩石试样2设置在架体1内，钻杆3设置在架体1上，钻头4连接在钻杆3的下端，钻头4位于岩石试样2的上方，钻头4的下端安装有滚刀42，钻杆3带动钻头4旋转和上下移动，滚刀42能够对岩石试样2进行破岩；监测组件与控制系统连接，监测组件能够对试验中的数据进行采集，控制系统能够控制试验装置的运行。该试验装置尤其适用于针对白垩系和侏罗系砂岩在不同围压工况下的竖井滚刀破岩的研究，最大限度的在室内模拟钻井法滚刀破岩的真实场景，具有高度试验仿真性，取得的研究成果具有实际意义。

进一步地，如图1所示，架体1为框架结构，架体1包括底座10、立柱11和顶板12，立柱11设置有四根，底座10为圆筒结构，底座10设置有四个，每个立柱11的下端延伸至一个底座10内，立柱11的顶端与顶板12连接；底座10的下端连接有固定板18，固定板18通过第一螺栓19固定在地基基础上，底座10、立柱11、顶板12和固定板18组成的框架结构能够承载竖向液压缸16和旋转液压缸17并保证试验装置总体处于安全状态。底座10、立柱11和顶板12均为钢结构，保证试验装置的稳定性。优选地，还包括第一加腋板13，底座10的周围设置有多个第一加腋板13，第一加腋板13与底座10和固定板18均通过焊接的方式连接。第一加腋板13的设置增加底座10和固定板18的连接强度，使架体1能够将试验装置的荷载有效传递给地基基础。

进一步地，如图1和图4所示，还包括管套14，管套14穿过顶板12并与顶板12固定连接，钻杆3的上端位于顶板12的上方，钻杆3的下端穿过管套14后延伸至顶板12的下方，钻杆3能够在管套14内上下移动，管套14用于引导钻杆3的方向，防止钻杆3在试验过程中发生偏移，保证实验的顺利进行。优选地，位于顶板12上方的管套14周围和顶板12下方的管套14周围均设置有多个第二加腋板15，第二加腋板15与顶板12和管套14均通过焊接的方式连接，第二加腋板15的设置加强了管套14与顶板12的连接强度。优选地，钻头4和钻杆3通过法兰30以及第二螺栓31连接，钻杆3和钻头4通过法兰30以及第二螺栓31牢牢紧固在一起，确保钻杆3带动钻头4旋转给进；优选地，管套14为钢结构圆管，管套14的内径略大于钻杆3的直径，管套14与钻杆3之间为间隙配合关系，确保钻杆3不发生横向位移。

进一步地，顶板12上设置有竖向液压缸16和旋转液压缸17，顶板12为竖向液压缸16和旋转液压缸17正常工作提供平台。竖向液压缸16的输出端与钻杆3连接，竖向液压缸16能够驱动钻杆3上下移动；旋转液压缸17的输出端与钻杆3连接，旋转液压缸17能够驱动钻杆3旋转，利用竖向液压缸16和旋转液压缸17驱动钻杆3带动钻头4旋转给进，模拟钻井法滚刀42破岩的真实场景；竖向液压缸16和旋转液压缸17均与控制系统连接，控制系统能够对竖向液压缸16和旋转液压缸17进行控制。

进一步地，如图1和图5所示，还包括支档面板5，支档面板5设置在架体1中部，立柱11穿过支档面板5，支档面板5与立柱11固定连接，在支档面板5上设置有第一通孔50，钻头4为圆柱形结构，钻头4由第一通孔50穿过支档面板5，钻头4的侧壁与第一通孔50的内壁之间为间隙配合关系，支档面板5用于限制钻头4的位置不发生偏移或摆动；优选地，支档面板5为与周边的立柱11连接的中空的钢结构部件。支档面板5为钻头4的上下运动提供导向，在试验过程中，防止钻头4横向摇晃，保证钻杆3的垂直度，保证试验数据的可靠性。第一通孔50的直径比钻头4的刀盘40的直径略大，支档面板5对平衡钻头4工作状态起必要的辅助作用。

进一步地，如图2和图3所示，还包括刀盘40和刀座41，刀盘40为圆柱体结构，刀盘40的上端与钻头4的下端连接，刀盘40的直径与钻头4的直径一致，刀座41安装在刀盘40的下表面上，刀座41能够沿刀盘40的径向移动，刀座41用于安装滚刀42；优选地，刀盘40的下表面沿刀盘40的径向设置有凹槽43，在本发明的一实施例中，凹槽43设置有两个，刀座41通过两个凹槽43与刀盘40滑动连接，如此设置能够使滚刀42在钻头4上的位置可调。刀座41设置有第三螺栓44，第三螺栓44能够将刀座41位于刀盘40上的位置进行固定，在试验过程中，第三螺栓44松动，刀座41可以在刀盘40的凹槽43上滑动，精确调整刀座41所需的位置后，通过拧紧第三螺栓44使刀座41与刀盘40牢牢锁定，进而实现对滚刀42位置的调整，通过对不同滚刀42刀间距要求进行试验，优化钻头4的布置。优选地，安装滚刀42的刀座41设置有多个，根据试验需要可以设置两个以上刀座41同时进行破岩，在本发明的一实施例中，安装有滚刀42的刀座41设置有两个，两个刀座41相对于刀盘40圆心对称设置；优选地，根据试验方案与要求确定滚刀42和刀座41的类型，滚刀42可以为不同类型和不同规格的刮刀、镶齿楔形滚刀42或球齿滚刀42等滚刀中的一种，刀座41与滚刀42匹配，并形成可靠连接；优选地，第三螺栓44设置有4～6颗。刀座41与刀盘40通过第三螺栓44与凹槽43连接，刀座41可以在凹槽43内灵活调节，一旦位置固定下来，用第三螺栓44将刀座41与刀盘40紧固连接，不产生丝毫相对滑动与转动。

进一步地，如图6所示，还包括支撑板6，支撑板6为钢筋混凝土结构，立柱11穿过支撑板6并与支撑板6固定连接，支撑板6竖向设置有第二通孔60；架体1内的地基基础上设置有基座20，基座20上设置有试样槽62，岩石试样2设置在试样槽62内，岩石试样2为圆柱体结构，试样槽62为圆环状结构，在本发明的一实施例中，试样槽62为圆形钢板，试样槽62环绕岩石试样2，岩石试样2为圆柱体，依据试验方案确定岩石试样2的尺寸用以保证与试样槽62紧密接触，第二通孔60的直径大于试样槽62的直径，第二通孔60的直径需要考虑径向液压缸61的长度，试样槽62下方的基座20可以将在破岩过程中产生的竖向力直接传递给地基基础。岩石试样2位于第二通孔60内，第二通孔60的内壁设置有若干径向液压缸61，在试样槽62上设置有与径向液压缸61相对应的位置标记点64；径向液压缸61的输出端在位置标记点64处与试样槽62抵接，径向液压缸61能够对岩石试样2进行加压，径向液压缸61与控制系统连接；优选地，沿第二通孔60的轴向设置有两排径向液压缸61，每排径向液压缸61沿第二通孔60周向均匀分布且位于同一平面，试样槽62上的位置标记点64也设置有两排，并且使同一排位置标记点64处于同一平面，保证试样槽62受力均匀。岩石试样2周边的径向液压缸61需要分两排均匀布置，使试样槽62均匀受力，用以模拟竖井某深度岩石实际受力状态；优选地，试样槽62材质为不锈钢，为了便于安装与拆卸试样槽62由多块钢板拼接而成。优选地，径向液压缸61设置有32个，每排设置有16个径向液压缸61；优选地，岩石试样2的高度大于试样槽62的高度100mm-200mm，其中高出试样槽62上端30mm-50mm的岩石试样2用于装置调试，其余高度的岩石试样2可用作破岩试验，岩石试样2的上端位于试样槽62之上；优选地，岩石试样2的直径大于钻头4的直径。岩石试样2呈圆柱形，岩石试样2与试样槽62之间没有空隙，岩石试样2的高度比试样槽62略高，岩石试样2的直径比刀盘40的直径大100mm-200mm，如此设置可以避免滚刀42切割岩石试样的边缘，使试验过程与真实工况保持一致。岩石试样2坐落在基座20上。径向液压缸61对准径向液压缸61上的位置槽对岩石试样2进行加压，利用支撑板6对径向液压缸61进行支撑。

进一步地，监测组件还包括三向力传感器45、转速传感器46和位移传感器47，三向力传感器45、转速传感器46和位移传感器47均设置在刀座41上；三向力传感器45用于采集竖向液压缸16所施加的压力数据，转速传感器46用于采集钻头4的转速数据，位移传感器47用于采集头的竖向位移数据。三向力传感器45、转速传感器46和位移传感器47均通过电缆线与控制系统可靠连接。当滚刀42设置多枚时，与每个滚刀42连接的刀座41上均设置有一个三向力传感器45、一个转速传感器46和一个位移传感器47。

进一步地，监测组件还包括压力传感器63，压力传感器63设置在径向液压缸61内，压力传感器63能够采集径向液压缸61对岩石试样2施加压力的数据。压力传感器63通过电缆线与控制系统可靠连接，压力传感器63用于采集径向液压缸61所施加的围压数据，控制系统通过压力传感器63能够控制径向液压缸61所产生的围压。

监测组件通过三向力传感器45、转速传感器46、位移传感器47和压力传感器63，可以监测破岩过程中的各向力时程、钻头4的转速、钻头4的竖向位移及钻杆3的扭矩实况，各向力时程指的是在特定的钻进参数下，滚刀法向力、滚刀切向力与滚刀侧向力(纵坐标)随时间(横坐标)变化的图形，它反映的是一个有起伏的动态的关系曲线，控制系统通过监测组件所采集的压力数据、钻头4的转速数据、钻头4的位移数据和围压数据对竖向液压缸16、旋转液压缸17和径向液压缸61进行控制，并将监测组件所采集的数据进行存储。

在试验结束后，控制系统能够根据试验数据输出实验报表与实验曲线，利用实验报表与实验曲线对不同类型和不同规格的滚刀在不同刀间距、不同钻压、不同转速情况下的破岩效率进行研究。利用不同类型和不同规格的滚刀42进行试验，可以对滚刀42的齿距、排距、贯入度和刀具转速进行研究。齿距、排距是楔齿滚刀属性，由试验研究方案确定，可以根据相关要求特约厂家定制。贯入度是试验前设定的钻进参数，再通过设定其他参数或由此获取的试验数据，可以评价破岩效率。齿距、排距、贯入度和刀具转速都是研究破岩机理的前提条件，是影响破岩效率的主要因数。滚刀42的刀座41随刀盘40转动，同时滚刀42围绕刀轴被迫自转，滚刀42自转动力取决于刀盘40的转速。刀盘40的转速取决于旋转液压缸17的动力，由此可知，只要知道滚刀40半径和刀座41的位置，就可以由钻头4带动的刀盘40的转速推知滚刀42的刀具转速。

本发明还公开了一种利用上述的适用于研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

步骤S1，制定试验方案并完成试验装置的架设，试验装置的架设要求架设环境采光通风良好，架体1高度不受限制，如果在室内架设，考虑安装方便，建议室内净高不宜小于4.80m。地基基础强度和稳定性要有可靠保证；根据试验方案选定岩石试样2和滚刀42类型及参数，滚刀42的参数包括贯入度、刀间距和钻压等，明确试验结束要求；

首先架设立柱11，利用第一螺栓19将立轴紧固在地基基础上；在立柱11上安装支档面板5和顶板12，在顶板12上安装钻杆3，在钻杆3上安装钻头4，钻杆3与钻头4之间通过法兰30以及第二螺栓31固定连接；制作钢筋混凝土的基座20和支撑板6，架体1内的地基基础上就地制作钢筋混凝土的基座20和支撑板6，对架体1所有钢结构固定连接处进行焊接、焊缝处理和喷涂工艺，并使第一通孔50、钻头4的刀盘40中心与第二通孔60中心严格对中，确保架体1各部分完工验收合格。

步骤S2，S1步骤完成后，按照试验方案要求，在钻头4上安装刀盘40、刀座41、滚刀42、三向力传感器45、力矩传感器、转速传感器46和位移传感器47，滚刀42数量为1-3枚，然后安装竖向液压缸16和旋转液压缸17，将三向力传感器45、转速传感器46、位移传感器47与控制系统连接。然后进行试验装置的测试，启动竖向液压缸16和旋转液压缸17进行测试，钻杆3旋转上下给进运动应自如，管套14、支档面板5作用明显；调试三向力传感器45、转速传感器46、位移传感器47，启动监测设备，监测测试数据信号正常，为后续试验所需的动力设备及测试硬件做好充分准备。

步骤S3，按试验方案要求制作圆柱状岩石试样2，可以采用相似材料现场模拟制作或来自钻井现场取芯试样，岩石试样2直径比刀盘40大100-200mm。外围设置组合钢板形成试样槽62，将岩石试样2及试样槽62置于基座20上，在试样槽62和支撑板6之间加设径向液压缸61，并使径向液压缸61的输出端对准试样槽62上预先设置的位置标记点64；调试径向液压缸61，通过压力传感器63观测岩石试样2的围压达到试验预设值。

步骤S4，步骤S3完成后再次核实竖向液压缸16、旋转液压缸17、径向液压缸61和监测组件功能完整，确保信号正常。然后根据破岩试验方案设定的钻进参数和滚刀42的参数实施破岩。破岩初始数据可能出现数据波动，需分析原因给予正确处理。

步骤S5，根据岩石试样2、滚刀42的类型及参数搜集记录相关试验数据与图表，收集破岩后的岩渣粒径组分和质量，保存试验输出数据，保留试验岩样被破痕迹，供分析、研究破岩机理之用。

步骤S6，按照试验设计，重复试验步骤S2-S5。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1)最大限度的在室内模拟钻井法滚刀42破岩的真实场景，具有高度试验仿真性，取得的研究成果具有实际意义。

2)避免了钻杆3和钻头4在旋转给进的过程中横向摇晃带来的弊端，减少动力设施，节约成本。

3)滚刀42位置可调，避免了滚刀42位置固定带来的单一研究工况带来的弊端，最大限度发挥和拓展了试验台多功能效益。

4)用单个刀座41安装不同类型的滚刀42，用以研究钻井法中不同刀具类型的钻头4在不同位置的刀间距、齿距、排距、钻压、转速、贯入度和刀具转速等参数成为可能，通过研究白垩系和侏罗系砂岩的破岩机理，减少实际工程中刀具的更换次数，延迟刀具寿命，提高破岩效率，对指导破岩机理研究具有重要工程实践意义。

5)该试验装置在研究软岩破岩刀具类型的适宜性方面做出探索，为矿井钻井法施工选择合适刀具，减少刀具磨损或刀具更换次数，缩短施工工期，提高破岩效率，节约成本。弥补了现有技术中滚刀42类型固定、位置固定、岩体转动钻头4不转、工况单一等不足。

以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (10)

1.一种研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，包括架体、岩石试样、钻杆、钻头、监测组件和控制系统，其中，

所述岩石试样设置在所述架体内，所述钻杆设置在所述架体上，所述钻头连接在所述钻杆的下端，所述钻头位于所述岩石试样的上方，所述钻头的下端安装有滚刀，所述钻杆带动所述钻头旋转和上下移动，所述滚刀能够对所述岩石试样进行破岩；

所述监测组件与控制系统连接，所述监测组件能够对试验中的数据进行采集，所述控制系统能够控制所述试验装置的运行。

2.根据权利要求1所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

所述架体为框架结构，所述架体包括底座、立柱和顶板，所述立柱设置有四根，所述底座设置有四个，每个所述立柱的下端延伸至一个所述底座内，所述立柱的顶端与所述顶板连接；

所述底座的下端连接有固定板，所述固定板通过第一螺栓固定在地基基础上；

优选地，还包括第一加腋板，所述底座的周围设置有多个所述第一加腋板，所述第一加腋板与所述底座和所述固定板均连接。

3.根据权利要求2所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

还包括管套，所述管套穿过所述顶板并与所述顶板固定连接，所述钻杆的上端位于所述顶板的上方，所述钻杆的下端穿过所述管套后延伸至所述顶板的下方，所述钻杆能够在所述管套内上下移动；

优选地，位于所述顶板上方的所述管套周围和所述顶板下方的所述管套周围均设置有第二加腋板，所述第二加腋板与所述顶板和所述管套均连接；

优选地，所述钻头和所述钻杆通过法兰以及第二螺栓连接；

优选地，所述管套为钢结构圆管，所述管套的内径大于所述钻杆的直径。

4.根据权利要求2所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

所述顶板上设置有竖向液压缸和旋转液压缸，所述竖向液压缸的输出端与所述钻杆连接，所述竖向液压缸能够驱动所述钻杆上下移动；

所述旋转液压缸的输出端与所述钻杆连接，所述旋转液压缸能够驱动所述钻杆旋转；

所述竖向液压缸和所述旋转液压缸均与所述控制系统连接。

5.根据权利要求2所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

还包括支档面板，所述支档面板设置在所述架体中部，所述立柱穿过所述支档面板，所述支档面板与所述立柱固定连接，在所述支档面板上设置有第一通孔，所述钻头为圆柱形结构，所述钻头由所述第一通孔穿过所述支档面板，所述钻头的侧壁与所述第一通孔的内壁之间为间隙配合关系，所述支档面板用于限制所述钻头的位置不发生偏移或摆动；

优选地，所述支档面板为钢结构部件。

6.根据权利要求4所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

还包括刀盘和刀座，所述刀盘为圆柱体结构，所述刀盘的上端与所述钻头的下端连接，所述刀座安装在所述刀盘的下表面上，所述刀座能够沿所述刀盘的径向移动，所述刀座用于安装所述滚刀；

优选地，所述刀盘的下表面沿所述刀盘的径向设置有凹槽，所述刀座通过所述凹槽与所述刀盘滑动连接，所述刀座设置有第三螺栓，所述第三螺栓能够将所述刀座位于所述刀盘上的位置进行固定；

优选地，安装所述滚刀的所述刀座设置有多个；

优选地，所述滚刀为刮刀、镶齿楔形滚刀或球齿滚刀中的一种，所述刀座与所述滚刀匹配；

优选地，所述第三螺栓设置有4～6颗。

7.根据权利要求2所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

还包括支撑板，所述立柱穿过所述支撑板并与所述支撑板固定连接，所述支撑板竖向设置有第二通孔；

所述架体内的地基基础上设置有基座，所述基座上设置有试样槽，所述岩石试样设置在所述试样槽内，所述岩石试样为圆柱体结构，所述试样槽为圆环状结构，所述试样槽环绕所述岩石试样，所述第二通孔的直径大于所述试样槽的直径；

所述岩石试样位于所述第二通孔内，所述第二通孔的内壁设置有若干径向液压缸，在所述试样槽与所述径向液压缸对应的位置设置有位置标记点，所述径向液压缸的输出端在所述位置标记点处与所述试样槽抵接，所述径向液压缸能够对所述岩石试样进行加压，所述径向液压缸与所述控制系统连接；

优选地，沿所述第二通孔的轴向设置有两排所述径向液压缸，每排所述径向液压缸沿所述第二通孔周向均匀分布且位于同一平面；

优选地，所述试样槽材质为不锈钢，所述试样槽由多块钢板拼接而成；

优选地，所述径向液压缸设置有32个；

优选地，所述岩石试样的高度大于所述试样槽的高度100mm-200mm；

优选地，所述岩石试样的直径大于所述钻头的直径100mm-200mm。

8.根据权利要求6所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

所述监测组件包括三向力传感器、转速传感器和位移传感器，所述三向力传感器、所述转速传感器和所述位移传感器均设置在所述刀座上，所述三向力传感器、所述转速传感器和所述位移传感器均与所述控制系统连接；

所述三向力传感器用于采集所述竖向液压缸所施加的压力数据，所述转速传感器用于采集所述钻头的转速数据，所述位移传感器用于采集所述钻头的竖向位移数据。

9.根据权利要求7所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置，其特征在于，

所述监测组件包括压力传感器，所述压力传感器与所述控制系统连接；

所述压力传感器设置在所述径向液压缸内，所述压力传感器能够采集所述径向液压缸对所述岩石试样施加压力的数据。

10.一种利用权利要求1～9任意一项所述的研究砂岩竖井滚刀破岩的试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，制定试验方案并完成试验装置的架设；

首先架设立柱，利用第一螺栓将立轴紧固在地基基础上；在立柱上安装支档面板和顶板，在顶板上安装钻杆，在钻杆上安装钻头，钻杆与钻头之间通过法兰以及第二螺栓固定连接；制作钢筋混凝土的基座和支撑板，架体内的地基基础上就地制作钢筋混凝土的基座和支撑板，对架体所有钢结构固定连接处进行焊接、焊缝处理和喷涂工艺，并使第一通孔、钻头的刀盘中心与第二通孔中心严格对中，确保架体结构各部分完工验收合格；

步骤S2，S1步骤完成后，按照试验方案要求，在钻头上安装刀盘、刀座、滚刀、三向力传感器、力矩传感器、转速传感器和位移传感器，滚刀数量为1-3枚，然后安装竖向液压缸和旋转液压缸，将三向力传感器、力矩传感器、转速传感器与控制系统连接，进行试验装置的测试；

步骤S3，按试验方案要求制作圆柱状岩石试样，岩石试样外围设置组合钢板形成试样槽，将岩石试样及试样槽置于基座上，在试样槽和支撑板之间加设径向液压缸，并使径向液压缸的输出端对准试样槽上预先设置的位置标记点，然后调试径向液压缸，通过压力传感器观测岩石试样的围压达到试验预设值；

步骤S4，步骤S3完成后再次核实液压缸和监测设备功能完整，确保信号正常，然后根据破岩试验方案设定的钻进参数和滚刀参数实施破岩；

步骤S5，搜集记录相关试验数据与图表，收集破岩后的岩渣粒径组分和质量，保存试验输出数据，保留试验岩样被破痕迹；

步骤S6，按照试验设计，重复试验步骤S2-S5。

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