CN116026714B - 一种水平孔岩石硬度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石硬度测量技术领域，公开了一种水平孔岩石硬度测量装置，包括行走装置和里氏硬度计，行走装置包括圆柱形的套管和布置在套管上的驱动轮；套管内还设置有绕套管的中心线转动装配的固定座和与固定座传动连接的驱动结构，里氏硬度计固定装配在固定座上，套管上设置有沿套管的径向延伸的检测孔，检测孔供里氏硬度计的检测端穿过；还包括与里氏硬度计、行走装置以及驱动结构均控制连接的控制器。在控制器的控制信号下行走装置的驱动轮带动套管在水平孔内移动，适用于在山区隧道内大埋深、小尺寸的水平孔工况；控制器驱动固定座转动至里氏硬度计与检测孔同轴的状态，对水平孔的孔壁进行撞击，获取水平孔内岩石硬度数据。

Description

一种水平孔岩石硬度测量装置

技术领域

本发明涉及岩石硬度测量技术领域，特别是涉及一种水平孔岩石硬度测量装置。

背景技术

近年来，随着长距离大埋深隧道工程的增加，传统的垂直钻孔勘察方法遇到很大挑战。如果仍然使用传统的垂直钻孔勘察方法会面临很多问题，如所获得的地层信息不能满足工程设计需要，有效钻进长度过低，钻孔过深，钻孔数目过多，造价过高，受地形限制大等问题。

水平定向钻技术采用具有导向控向的设备在不开挖地表的情况下铺设供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线，该工法已经比较成熟，且具有精度高，造价低等优点。利用水平定向钻机沿隧道延伸方向钻进勘察，具有地形适应性好，地质硬度获取容易、信息多，有效钻进长度长等优点，可以解决传统方法存在的问题，将是一种很好的替代技术，具有广阔的应用前景。

随着水平定向钻技术的兴起，对钻孔范围内的岩石硬度测量方法提出了更高的要求。由于里氏硬度计在使用和操作上较为便捷，在实际工程中应用广泛，

如授权公告号为CN217359439U的专利公开了一种管道内部硬度检测装置，包括操纵杆、万向装置、行走装置、硬度检测装置，操纵杆具有前端和后端，其后端设有开关，万向装置套设在操纵杆上，所述行走装置与万向装置连接；硬度检测装置转动连接在操纵杆的前端，且与开关通过电线电性连接。

上述的管道内部硬度检测装置利用行走装置进入管道内，检测人员通过操纵杆驱动硬度检测装置对管道内部进行硬度检测，但是通过操纵杆控制检测的方式仅适用于长度有限的管道。受限于山区隧道工程高海拔、施工环境恶劣以及水平孔大埋深，小尺寸，孔内环境复杂等特点，岩石硬度测量装置难以到达一定深度，同时里氏硬度计检测时岩石孔内会因振动脱落石屑，对检测过程造成影响，从而无法的得到孔内完整的岩石硬度数据。

发明内容

本发明的目的是：提供一种水平孔岩石硬度测量装置，以解决现有技术中的岩石硬度测量装置无法获得水平孔内岩石硬度数据的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水平孔岩石硬度测量装置，包括行走装置和布置在所述行走装置上的里氏硬度计，所述行走装置包括圆柱形的套管和布置在所述套管上的驱动轮，所述驱动轮用于驱动所述套管在水平孔内移动；

所述套管内还设置有绕所述套管的中心线转动装配的固定座和与所述固定座传动连接的驱动结构，所述里氏硬度计固定装配在所述固定座上，所述套管上设置有沿所述套管的径向延伸的检测孔，所述检测孔供所述里氏硬度计的检测端穿过；

还包括与所述里氏硬度计、所述行走装置以及所述驱动结构均控制连接的控制器，所述控制器用于向所述里氏硬度计、所述行走装置以及所述驱动结构分别传输控制信号。

优选地，所述套管的外侧还设置有沿所述套管的径向活动装配的支护板，所述支护板沿所述套管的周向间隔布置有至少两个，各所述支护板在径向活动行程中具有向内贴合在所述套管外侧的贴合状态和向外径向支撑在水平孔的内壁上的支撑状态，所述支护板上还设置有在处于支撑状态时与所述检测孔同轴的预制孔。

优选地，所述套管内周向间隔布置有若干个与所述支护板一一对应的传动杆，各所述支护板分别与所述传动杆固定连接。

优选地，所述传动杆沿所述套管的轴向间隔布置有两组，两组所述传动杆与各所述支护板的轴向两端分别固定连接。

优选地，所述固定座为固定圆盘，所述固定圆盘上设置有径向延伸的卡槽，所述里氏硬度计嵌装在所述卡槽内。

优选地，所述驱动结构包括电动机和与所述电动机传动连接的驱动盘，所述驱动盘与所述固定圆盘贴合固定连接。

优选地，所述检测孔沿所述套管的周向间隔布置有四个，四个所述检测孔成十字形均布。

优选地，所述套管的前端还布置有环形灯和摄像头，所述摄像头用于采集水平孔内的图像并将图像信息传输给所述控制器，所述控制器上设置有显示屏。

优选地，所述套管内还设置有红外线测距仪，所述红外线测距仪用于检测行走装置的行走距离并将距离信号传输给所述控制器，所述控制器用于判断距离信号并向所述行走装置传输行走信号或停止信号。

优选地，所述套管内还布置有用于检测套管的实时姿态的陀螺仪，所述陀螺仪与所述控制器信号连接。

本发明实施例一种水平孔岩石硬度测量装置与现有技术相比，其有益效果在于：通过控制器向行走装置、里氏硬度计和驱动结构传输控制信号，在控制信号下行走装置的驱动轮可带动套管在水平孔内移动，适用于在山区隧道内大埋深、小尺寸的水平孔工况；里氏硬度计布置在套管内，利用套管对里氏硬度计进行保护，减少脱落的石屑对里氏硬度计精度的影响；驱动结构可驱动固定座绕套管的中心线转动，进而带动里氏硬度计周向转动，控制器可驱动固定座转动至里氏硬度计与检测孔同轴的状态，里氏硬度计的检测端穿过检测孔对水平孔的孔壁进行撞击，完成硬度检测，从而获取水平孔内岩石硬度数据。

附图说明

图1是本发明的水平孔岩石硬度测量装置的结构示意图；

图2是图1的水平孔岩石硬度测量装置省略套管以及支护板后的结构示意图；

图3是图1的水平孔岩石硬度测量装置的套管以及支护板的分解示意图；

图4是本发明的水平孔岩石硬度测量装置的控制器的结构示意图；

图5是本发明的水平孔岩石硬度测量装置在水平孔的倾斜段内的状态示意图；

图6是本发明的水平孔岩石硬度测量装置在水平孔的水平段内的状态示意图。

图中，1、套管，101、检测孔，2、驱动轮，3、充电装置，4、里氏硬度计，5、固定圆盘，6、电动机，7、驱动盘，8、控制器，81、显示屏，82、控制键，9、支护板，10、传动杆，11、环形灯，12、摄像头，13、红外线测距仪，14、陀螺仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种水平孔岩石硬度测量装置的优选实施例，如图1至图6所示，该水平孔岩石硬度测量装置包括行走装置、里氏硬度计4、固定座、驱动结构和控制器8，里氏硬度计4、固定座、驱动结构均布置在行走装置上，控制器8与行走装置、里氏硬度计4、固定座、驱动结构均控制连接以传输控制信号，实现远程操作，便于在山区隧道工程高海拔、施工环境恶劣以及水平孔大埋深，小尺寸，孔内环境复杂的工况下使用。

行走装置包括套管1和驱动轮2，套管1为空心圆柱形结构，内部形成用于装配里氏硬度计4的装配腔，以对内部的里氏硬度计4等元件进行保护。驱动轮2共有四个，四个驱动轮2成矩形结构分布在套管1的底部，套管1的后端装配有充电装置3，充电装置3用于为该水平孔岩石硬度测量装置提供动力。在电力的驱动下，驱动轮2可使行走装置行进或者停下。

固定座绕套管1的中心线转动装配在套管1内，驱动结构布置在套管1的后端并且与驱动座传动连接，驱动结构用于驱动固定座绕套管1的中心线转动。里氏硬度计4固定装配在固定座上，固定座转动时可以带动里氏硬度计4绕套管1的中心线转动，从而对水平孔的孔壁进行硬度测量。

套管1上设置有检测孔101，检测孔101沿套管1的径向延伸布置，检测孔101供里氏硬度计4的检测端穿过。固定座带动里氏硬度计4转动的过程中里氏硬度计4具有与检测孔101同轴的状态，里氏硬度计4的检测端穿过检测孔101后与水平孔的孔壁撞击接触，从而完成硬度检测。在检测孔101处，里氏硬度计4可以根据需要进行多次检测，以选择检测结果的均值作为测量值，提高检测精度；在某一位置检测完成后，控制器8可以控制行走装置移动至另一位置继续进行检测。

控制器8上设置有遥控天线，控制器8与该水平孔岩石硬度测量装置的各个元件通过无线信号控制连接。控制器8上设置有若干个控制键82，分别控制开机、关机、测量、倒车等动作，用于向里氏硬度计4、行走装置以及驱动结构分别传输控制信号，以实现对该水平孔岩石硬度测量装置的远程控制。

该水平孔岩石硬度测量装置通过控制器8向行走装置、里氏硬度计4和驱动结构传输控制信号，在控制信号下行走装置的驱动轮2可带动套管1在水平孔内移动，适用于在山区隧道内大埋深、小尺寸的水平孔工况；里氏硬度计4布置在套管1内，利用套管1对里氏硬度计4进行保护，减少脱落的石屑对里氏硬度计4精度的影响；驱动结构可驱动固定座绕套管1的中心线转动，进而带动里氏硬度计4周向转动，控制器8可驱动固定座转动至里氏硬度计4与检测孔101同轴的状态，里氏硬度计4的检测端穿过检测孔101对水平孔的孔壁进行撞击，完成硬度检测，从而获取水平孔内岩石硬度数据。

优选地，套管1的外侧还设置有沿套管1的径向活动装配的支护板9，支护板9沿套管1的周向间隔布置有至少两个，各支护板9在径向活动行程中具有向内贴合在套管1外侧的贴合状态和向外径向支撑在水平孔的内壁上的支撑状态，支护板9上还设置有在处于支撑状态时与检测孔101同轴的预制孔。

支护板9沿套管1的周向间隔布置有至少两个，多个支护板9使得其可以在套管1的径向上移动，具有展开与收缩的状态变化。在本实施例中，支护板9共有四个，四个支护板9均匀分布。支护板9处于支撑状态时预制孔与套管1上的检测孔101同轴，可以保证里氏硬度计4依次穿过预制孔、检测孔101后与水平孔的孔壁接触，实现硬度检测。预制孔可以为支护板9上开设的孔，也可以为支护板9张开之后相邻两个支护板9之间的空间。

行走装置在前后行走时，支护板9沿径向向内移动并贴合在套管1的外侧，此时支护板9处于贴合状态，减小整个装置的体积，便于行进；行走装置停下后由里氏硬度计4检测水平孔的硬度时，支护板9沿套管1的径向向外移动至径向支撑在水平孔的内壁上，此时支护板9处于支撑状态，多个支护板9支撑在水平孔上可以保证套管1、里氏硬度计4的姿态，使得在硬度检测的过程中里氏硬度计4与水平孔的孔壁贴合并维持在相互垂直的状态，提高检测结果的准确性。

优选地，套管1内周向间隔布置有若干个与支护板9一一对应的传动杆10，各支护板9分别与传动杆10固定连接。

传动杆10沿套管1的径向导向穿装在套管1内，以保证可驱动支护板9沿套管1的径向移动。传动杆10移动时可驱动支护板9径向移动，从而改变支护板9的状态。在本实施例中，传动杆10共有四个，四个支护板9与四个传动杆10一一对应连接。

优选地，传动杆10沿套管1的轴向间隔布置有两组，两组传动杆10与各支护板9的轴向两端分别固定连接。

两组传动杆10间隔布置，使得支护板9的前后两端均与传动杆10固定连接，增加支护板9的稳定性，使得支护板9处于支撑状态时前后段均可与水平孔的孔壁贴合，受力均匀。在本实施例中，传动杆10共有八个，每个支护板9的前后两端各连接一个传动杆10；两组传动杆10之间通过主轴联动，支护板9安置在四个驱动轮2的中点处，以使套管1在支护板9处于支撑状态时保持受力平衡。

优选地，固定座为固定圆盘5，固定圆盘5上设置有径向延伸的卡槽，里氏硬度计4嵌装在卡槽内。

固定圆盘5转动装配在套管1内，里氏硬度计4卡装在固定圆盘5内的径向延伸的卡槽上，使得其检测端可以沿套管1的径向移动，垂直撞击水平孔的孔壁，实现硬度检测。

优选地，驱动结构包括电动机6和与电动机6传动连接的驱动盘7，驱动盘7与固定圆盘5贴合固定连接。

电动机6作为常用的驱动件，通过电力进行驱动，简化了驱动结构的布置形式。在本实施例中，驱动盘7与固定圆盘5之间通过四根销钉固定连接，套管1后端的充电装置3为电动机6提供电力，电动机6通过齿轮带动驱动盘7转动，从而带动固定圆盘5转动。

优选地，检测孔101沿套管1的周向间隔布置有四个，四个检测孔101成十字形均布。

检测孔101沿套管1的周向间隔布置有四个，里氏硬度计4每转动90度进行一次检测，每次检测可以采集多次硬度数据，四个检测孔101可以供里氏硬度计4对水平孔孔壁的四个方位分别进行硬度检测，即在水平孔的同一截面内的不同方向进行检测，提高检测精度。在本实施例中，每一个检测孔101处里氏硬度计4可以进行多次检测，采集多次的数据后进行分析。

优选地，套管1的前端还布置有环形灯11和摄像头12，摄像头12用于采集水平孔内的图像并将图像信息传输给控制器8，控制器8上设置有显示屏81。

控制器8通过其上的控制键82控制环形灯11和摄像头12进行工作，环形灯11可以对水平孔内进行照明，摄像头12在照明条件下可以获取水平孔内的图像信息，并将图像信息传输给控制器8，控制器8通过显示屏81可以显示图像信息，便于操作人员控制行走装置前进或者后退。

优选地，套管1内还设置有红外线测距仪13，红外线测距仪13用于检测行走装置的行走距离并将距离信号传输给控制器8，控制器8用于判断距离信号并向行走装置传输行走信号或停止信号。

红外线测距仪13可以实时记录行走装置的行进距离，并将距离信号传输给控制器8，并通过显示屏81供操作人员实时观察，根据距离信息操作人员可以控制里氏硬度计4每间隔一段固定的设置距离采集检测岩石的硬度，即实现等距离或者变距离检测。

优选地，套管1内还布置有用于检测套管1的实时姿态的陀螺仪14，陀螺仪14与控制器8信号连接。

陀螺仪14可以检测套管1的状态，判断套管1是水平还是倾斜，当装置的运动方向发生改变时，陀螺仪受到外力会立刻倾斜，一段时间后又回归平衡，根据陀螺仪的状态可以测定套管处于倾斜状态还是水平状态。水平孔在钻孔时具有倾斜段和水平段，当操作人员通过显示屏81显示的摄像信息确定装置处于倾斜段时，操作人员通过控制器可以控制行走装置匀速行驶；当操作人员通过显示屏81显示的摄像信息确定装置处于水平段时，操作人员通过红外线测距仪13反馈的距离信号操纵行走装置行走固定的距离，再由里氏硬度计4检测水平孔的岩石硬度。

综上，本发明实施例提供一种水平孔岩石硬度测量装置，其通过控制器向行走装置、里氏硬度计和驱动结构传输控制信号，在控制信号下行走装置的驱动轮可带动套管在水平孔内移动，适用于在山区隧道内大埋深、小尺寸的水平孔工况；里氏硬度计布置在套管内，利用套管对里氏硬度计进行保护，减少脱落的石屑对里氏硬度计精度的影响；驱动结构可驱动固定座绕套管的中心线转动，进而带动里氏硬度计周向转动，控制器可驱动固定座转动至里氏硬度计与检测孔同轴的状态，里氏硬度计的检测端穿过检测孔对水平孔的孔壁进行撞击，完成硬度检测，从而获取水平孔内岩石硬度数据。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，包括行走装置和布置在所述行走装置上的里氏硬度计，所述行走装置包括圆柱形的套管和布置在所述套管上的驱动轮，所述驱动轮用于驱动所述套管在水平孔内移动；

所述套管内还设置有绕所述套管的中心线转动装配的固定座和与所述固定座传动连接的驱动结构，所述里氏硬度计固定装配在所述固定座上，所述套管上设置有沿所述套管的径向延伸的检测孔，所述检测孔供所述里氏硬度计的检测端穿过；

还包括与所述里氏硬度计、所述行走装置以及所述驱动结构均控制连接的控制器，所述控制器用于向所述里氏硬度计、所述行走装置以及所述驱动结构分别传输控制信号；

所述套管的外侧还设置有沿所述套管的径向活动装配的支护板，所述支护板沿所述套管的周向间隔布置有至少两个，各所述支护板在径向活动行程中具有向内贴合在所述套管外侧的贴合状态和向外径向支撑在水平孔的内壁上的支撑状态，所述支护板上还设置有在处于支撑状态时与所述检测孔同轴的预制孔。

2.根据权利要求1所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述套管内周向间隔布置有若干个与所述支护板一一对应的传动杆，各所述支护板分别与所述传动杆固定连接。

3.根据权利要求2所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述传动杆沿所述套管的轴向间隔布置有两组，两组所述传动杆与各所述支护板的轴向两端分别固定连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述固定座为固定圆盘，所述固定圆盘上设置有径向延伸的卡槽，所述里氏硬度计嵌装在所述卡槽内。

5.根据权利要求4所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述驱动结构包括电动机和与所述电动机传动连接的驱动盘，所述驱动盘与所述固定圆盘贴合固定连接。

6.根据权利要求1-3任一项所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述检测孔沿所述套管的周向间隔布置有四个，四个所述检测孔成十字形均布。

7.根据权利要求1-3任一项所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述套管的前端还布置有环形灯和摄像头，所述摄像头用于采集水平孔内的图像并将图像信息传输给所述控制器，所述控制器上设置有显示屏。

8.根据权利要求1-3任一项所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述套管内还设置有红外线测距仪，所述红外线测距仪用于检测行走装置的行走距离并将距离信号传输给所述控制器，所述控制器用于判断距离信号并向所述行走装置传输行走信号或停止信号。

9.根据权利要求1-3任一项所述的水平孔岩石硬度测量装置，其特征在于，所述套管内还布置有用于检测套管的实时姿态的陀螺仪，所述陀螺仪与所述控制器信号连接。

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