CN116539404B - 高应力岩体孔内破岩试验装置及岩体可切割性评价方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及岩体力学实验的领域，尤其是涉及一种高应力岩体孔内破岩实验装置及岩体可切割性评价方法，包括：底座，用于承载岩样；三向围压加载机构，用于对岩样的各竖直侧以及顶侧施加压力；主臂，能够回转及竖直运动的设置底座上侧，所述主臂下降能够穿过三向围压加载机构上侧并延伸至岩样的孔内；孔壁切割刀具，对置的设置于主臂的周面相对侧，能够随主臂竖直运动对岩样的孔壁竖直切割；孔底切割刀具，设置于主臂的下端，能够随主臂回转对岩样的孔底面切割。本申请具有能够实现对岩样的孔壁直线切割与孔底旋转切割的破岩实验装置，用于研究对岩石内部力学特性参数和可切割性的评价，便于指导实际破岩过程中机械设备的选型及机械参数的设计。

Description

高应力岩体孔内破岩试验装置及岩体可切割性评价方法

技术领域

本申请涉及岩体力学试验的领域，尤其是涉及一种高应力岩体孔内破岩试验装置及岩体可切割性评价方法。

背景技术

随着人类经济和科学技术的发展，人类对矿产资源需求量在不断增加，以致地球浅部可利用矿产资源被大量消耗，于是人们慢慢将目光投入到深部岩样矿产资源的开采。目前开采深地矿产资源的方式主要有钻爆法和非爆机械化开采，而传统的钻爆法存在工艺复杂、安全性差、生产效率较低、工作条件差等缺点，与目前矿业所倡导的高效、安全、绿色、智能化、自动化等原则相悖。

而非爆机械化破岩相较于钻爆法具有作业连续性好、施工质量高、劳动强度小、破岩扰动损伤小等优点，因此研究非爆机械化破岩很有必要。非爆机械化破岩是一个十分复杂的过程，受到如岩石性质、地应力条件、刀具性能等多方面因素的影响，岩样的力学特性参数和可切割性对非爆机械化破岩有着重要影响。

目前有关模拟岩样处于高应力状态下破坏的室内试验装置主要是岩体真三轴试验机，但目前的真三轴实验设备主要针对岩样的表面切割破岩试验，而针对岩石内部钻孔后，岩样的孔壁与孔底的切割破岩试验，传统的真三轴试验机便难以实验。

因此亟需提供一种能够实现对岩石的孔壁与孔底切割的破岩试验装置，用于研究对岩石内部力学特性和可切割性的评价，便于指导实际破岩过程中机械设备的选型及机械参数的设计。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，实现对岩石的孔壁与孔底的切割破岩实验，用于研究对岩石内部力学特性和可切割性的评价，本申请提供一种高应力岩体孔内破岩实验装置及岩体可切割性评价方法。

第一方面，本申请提供的一种高应力岩体孔内破岩实验装置，采用如下的技术方案：一种高应力岩体孔内破岩实验装置，包括：

底座，用于承载岩样；

三向围压加载机构，用于对岩样的各竖直侧以及顶侧施加压力；

主臂，能够回转及竖直运动的设置底座上侧，所述主臂下降能够穿过三向围压加载机构上侧并延伸至岩样的孔内；

孔壁切割刀具，对置的设置于主臂的周面相对侧，能够随主臂竖直运动对岩样的孔壁竖直切割；

孔底切割刀具，设置于主臂的下端，能够随主臂回转对岩样的孔底面切割。

通过采用上述技术方案，作业时，将岩样置于底座上侧，通过三向围压施加盒对岩样的各竖直侧以及顶侧施加压力，模拟高应力环境下岩样状态，然后通过主臂竖直向下运动至孔内，通过主臂两侧对置的孔壁切割刀具能够对孔壁竖直切割，当主臂带动孔底切割刀具运动至孔底切割刀具下降至侵入孔底面后，再通过主臂旋转，即可实现对孔底的岩样的进行旋转切割，综上实现了对岩样的孔壁与孔底的切割破岩实验，以便于研究对岩石内部力学特性和可切割性的评价，便于指导设备选型、参数设计。

可选的，所述三向围压加载机构包括：

多个侧向加载板，水平活动的设置于底座，各侧向加载板运动能够抵压于岩样的各竖直侧；顶侧加载板，竖直活动的设置于底座，顶侧加载板运动能够抵压于岩样的上侧，所述顶侧加载板上开设有让位孔，用于主臂的穿过。

通过采用上述技术方案，作业时，将岩样置于底座上侧之后，通过侧向加载板趋向岩样方向运动，能够抵压于岩样的各竖直侧，通过顶侧加载板下降，能够抵压于岩样的上侧，从而实现模拟岩样处于高围压环境下的状态，而采用的让位孔，则可以实现主臂运动至穿过顶侧加载板并插入岩样开设的孔内。

可选的，还包括：

钻臂，竖直活动的设置于底座的上侧，所述钻臂向下运动运动能够穿设过所述三向围压加载机构的上侧并对岩样钻孔。

通过采用上述技术方案，在将岩样固定于底座之后，可以首先通过钻臂竖直运动，对岩样进行钻孔，再完成岩样的钻孔后，再更换主臂竖直插设于岩样的孔中，对岩样孔壁或孔底切割实验，无需另外采用钻孔设备对岩样钻孔。

可选的，还包括：

承载架，水平设置，所述承载架竖直活动的设置于底座的上方；

回转接头，可转动的设置于承载架，用于连接主臂或钻臂。

回转驱动件，固定于承载架上侧，用于驱动回转接头转动。

通过采用上述技术方案，作业时，可以根据使用的需求将主臂或钻臂连接于回转接头上，再通过回转驱动件带动回转接头转动，即可带动主臂或钻臂旋转，然后继续通过承载架竖直运动，即可带动主臂或钻臂竖直运动，实现岩石的钻孔或切割。

可选的，所述孔壁切割刀具包括:

两第一截齿，对置且可摆动的设置于主臂的相对两侧，两第一截齿的切割端能够随转动凸出或回缩于主臂内；

两第一滚刀，对置且可相对运动的设置于主臂的相对两侧，两第一滚刀相对运动能够凸出或回缩于主臂内。

通过采用上述技术方案，作业时，当需要采用第一截齿对孔壁进行直线切割时，通过两第一滚刀回缩，并使两第一截齿摆动至切割端凸出于主臂的两侧，再通过主臂竖直运动，即可实现对岩样孔壁的竖直切割，当需要采用第一滚刀切割时，通过两第一滚刀相对运动至凸出于主臂，并使两第一截齿摆动至回缩于主臂内，即可通过主臂升降，通过第一滚刀对岩样孔壁进行直线切割。

可选的，孔壁切割刀具还包括：

两滑架，可相对运动的设置于主臂，两所述第一滚刀分别设置于两滑架；

滑套，可竖直活动的设置于主臂内；

两第一连杆，分别铰接于两滑架与滑套之间；

两第二连杆，分别铰接于两截齿于滑台之间；

随滑套活动至其行程上端，能够拖动两第一滚刀回缩于主臂内，并带动两第一截齿摆动至切割端凸出于主臂；

随滑套活动至其行程下端，能够推动两第一滚刀凸出于主臂并带动两第一截齿摆动至其切割端回缩于主臂内；

随滑套滑移至其行程中部，能够拖动两第一滚刀回缩于主臂内并带动两第一截齿摆动至其切割端回缩于主臂内。

通过采用上述技术方案，第一方面，采用螺杆带动滑套滑移，稳定性强，滑套不会受两第一连杆或两第二连杆的推动而活动，第二方面当第一滚刀或第一截齿与切割孔壁时，受到的力不会传递至用于驱动螺杆转动的伺服电机，对驱动元件的负担小。

可选的，所述孔底切割刀具包括：

第一活动座，可竖直运动的设置于主臂的两侧下端；

两第二截齿，分别可摆动的设置于第一活动座下端，随所述第一活动座运动，能够带动第二截齿凸出或回缩于所述主臂的下端。

通过采用上述技术方案，作业时，可以通过第一活动座带动两第二截齿凸出或回缩于主臂的下端，如此，可以实现在主臂带动竖直切割刀具作业时，避免孔底切割刀具干涉。

可选的，所述孔底切割刀具包括：

第二活动座，可竖直运动的设置于主臂的下端；

两连接臂，竖直设置于第二活动座下侧，两连接臂的下端均转动设置有第二滚刀，随第二活动座运动，能够带动第二滚刀凸出或回缩于活动座。

通过采用上述技术方案，作业时，可以通过第二活动座带动两第二滚刀凸出或回缩于主臂的下端，如此，可以实现在主臂带动竖直切割刀具作业时，避免孔底切割刀具干涉。

可选的，所述第二活动座运动能够使其下侧与主臂下端平齐；

所述第二活动座下侧固定有第三双向缸；

所述第三双向缸的两伸缩杆固定于两连接臂并能够带动两连接臂相对运动。

通过采用上述技术方案，作业时，第二活动座运动使其下侧与主臂下端平齐后，通过第三双向缸带动两连接臂趋向背离方向运动，可以实现两第二滚刀的距离调节，且此时，两连接臂背离第二滚刀的一端均能够抵接于主臂下端，从而可以对第二滚刀作业时提供支撑，保证两第二滚刀作业的稳定性。

可选的，还包括：

传感装置，设置于主臂，包括力传感器以及速度传感器；

数据采集设备，用于接收力传感器传输的力学数据以及主臂的推进速度旋转速度并于显示器显示。

通过采用上述技术方案，作业时，通过数据采集设备接收力传感器检测的数据以及主臂的推进速度和旋转速度，并于显示器上显示，可以得到岩样切割过程中的具体力学参数，从而便于后续对岩样的可切割性评价。

第二方面，本申请还提供岩体可切割性评价方法，采用如下方法：

一种岩体可切割性等级评价方法，包括以下步骤：

获取若干不同种类岩体的多个切割沿程参数，作为第一数据；

获取若干不同种类岩体的多个力学特性参数，作为第二数据；

提取第一数据作为输入层数据，提取第二数据作为输出层数据，通过多元大数据处理构建岩体力学特性参数回归预测模型；

处理第二数据，对各项力学特性参数划分不同等级；

基于各项力学特性参数的不同等级评价岩体的可切割性等级，并作为第三数据；

提取第一数据作为输入层数据，提取第三数据作为输出层数据，通过多元大数据处理构建岩体可切割性等级回归预测模型；

获取单一岩体的切割沿程参数，利用岩体力学特性参数回归预测模型，得出岩体的力学特性参数，基于得出的岩体力学参数等级，利用岩体可切割性等级回归预测模型，得出岩体可切割性等级。

通过采用上述技术方案，在实现对岩体的单独评价可切割性时，仅需在实验室内对岩体进行孔壁切割实验，获得岩体切割沿程参数，然后直接通过岩体力学特性参数回归预测模型以及岩体可切割性等级回归预测模型即可获得岩体力学特性参数及评价岩体可切割性等级。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.作业时，将岩样置于底座上侧，通过三向围压施加盒对岩样的各竖直侧以及顶侧施加压力，模拟高应力环境下岩样状态，然后通过主臂竖直向下运动至孔内，通过主臂两侧对置的孔壁切割刀具能够对孔壁竖直切割，当主臂带动孔底切割刀具运动至孔底切割刀具下降至侵入孔底面后，再通过主臂旋转，即可实现对孔底的岩样的进行旋转切割，综上实现了对岩样的孔壁与孔底的切割破岩实验，以便于研究对岩石内部力学特性和可切割性的评价，指导实际破岩过程中机械设备的选型及机械参数的设计；

2.作业时，当需要采用第一截齿对孔壁进行直线切割时，通过两第一滚刀回缩，并使两第一截齿摆动至切割端凸出于主臂的两侧，再通过主臂竖直运动，即可实现对岩样孔壁的竖直切割，当需要采用第一滚刀切割时，通过两第一滚刀相对运动至凸出于主臂，并使两第一截齿摆动至回缩于主臂内，即可通过主臂升降，通过第一滚刀对岩样孔壁进行直线切割；

3.在实现对岩体的力学特性参数获取及评价可切割性等级时，仅需在实验室内对岩体进行孔壁切割实验，获得岩体切割沿程参数，然后直接通过岩体力学特性参数回归预测模型以及岩体可切割性等级回归预测模型即可获得岩体力学特性参数及评价岩体可切割性。

附图说明

图1是申请实施例1中高应力岩体孔内破岩实验装置的整体结构示意图；

图2是申请实施例1中高应力岩体孔内破岩实验装置的承载架结构示意图；

图3是申请实施例1中高应力岩体孔内破岩实验装置的孔壁直线切割刀具示意图；

图4是申请实施例1中高应力岩体孔内破岩实验装置的孔底旋转切割刀具示意图；

图5是图4中A部的放大示意图；

图6是申请实施例2中高应力岩体孔内破岩实验装置的整体结构示意图；

图7是申请实施例3中高应力岩体孔内破岩实验装置的主臂结构示意图。

附图标记说明：

1、底座；11、立架；12、顶板；13、举升缸；

2、三向围压加载机构；21、侧向加载板；211、立板；212、水平推缸；22、顶侧加载板；23、支撑柱；24、支撑板；241、竖直推缸；25、让位孔；26、滑臂；261、螺杆；262、驱动电机；

3、承载架；31、回转接头；32、回转驱动件；

4、钻臂；

5、主臂；51、滑槽；511、第一活动座；512、第一推动缸；513、蜗杆；514、回转件；52、容置槽；521、第二活动座；522、第二推动缸；523、连接臂；524、第三双向缸；53、螺柱；531、伺服电机；54、滑套；55、第一连杆；56、第二连杆；

6、孔壁切割刀具；61、第一截齿；611、第一双向缸；62、第一滚刀；621、滑架；622、第二双向缸；

7、孔底切割刀具；71、第二截齿；711、蜗轮；72、第二滚刀。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说。

本申请实施例第一方面公开一种高应力岩体孔内破岩实验装置，主要用于实现对岩石的孔壁与孔底的切割破岩实验。

实施例1，

参照图1，一种高应力岩体孔内破岩实验装置，包括底座1，底座1呈长矩形的板状结构，底座1的两侧均竖直固定有立架11，两立架11的上侧之间水平固定有顶板12。

参照图1，底座1的中部设置有三向围压加载机构2，用于容置试样，并对试样施加围压。具体的，三向围压加载机构2包括四个侧向加载板21以及一顶侧加载板22，相邻侧向加载板21相互垂直，从而使四个侧向加载板21围绕呈矩形框状结构，各侧向加载板21均沿垂直于侧向加载板21所在面的方向滑移于底座1，底座1对应各侧向加载板21相背离的一侧均竖直固定有立板211，立板211上均固定有水平推缸212，较佳的，水平推缸212可以采用四个，四个各水平推缸212呈中心对称的对应侧向加载板21设置，四个水平推缸212的伸缩杆均固定于各侧向加载板21，如此，当水平推缸212推动各侧向加载板21趋向相互靠近方向运动，即可实现抵压于底座1上岩样的四个竖直侧面。

参照图1，底座1上还竖直固定有多根支撑柱23，多根支撑柱23的上端固定有水平设置的支撑板24，顶侧加载板22水平设置于支撑板24下侧的，支撑板24下侧竖直固定有多个竖直推缸241，同样的，竖直推缸241也可以采用四个，四个竖直推缸241以中心对称的方式对应顶侧加载板22设置，多个竖直推缸241的伸缩杆均朝下固定于顶侧加载板22，通过竖直推缸241的伸缩杆延伸，即可带动顶侧加载板22向下运动至抵推于岩样的上侧，支撑板24以及顶侧加载板22对应岩样上侧中心位置处出成型有让位孔25，用于后续的岩样的钻孔。

参照图1，综上，试验时，将岩样置于底座1上侧多个侧向加载板21与顶侧加载板22之间，然后，通过水平推缸212与竖直推缸241分别推动侧向加载板21与顶侧加载板22同时趋向岩样方向运动，抵推于岩样的各竖直侧以及顶侧并施加预设的压力，即可模拟高应力环境下岩体状态，以便于后续的岩体实验。

参照图1，两立架11之间水平设置有承载架3，承载架3的两端分别竖直滑移于两立架11，两立架11内均固定有举升缸13，举升缸13的伸缩杆朝上设置并固定于承载架3，作业时，举升缸13的伸缩杆伸缩，即可实现承载架3的竖直运动。

参照图1和图2，承载架3的中部转动连接有回转接头31，且承载架3的上侧还固定有诸如电机的回转驱动件，用以驱动回转接头31转动，回转接头31用于连接钻臂4或切割臂。

参照图1和图2，当钻臂4连接于回转接头31下侧后，通过承载架3带动回转接头31下降，且回转接头31同步带动钻臂4竖直向下运动，钻臂4穿过支撑板24以及顶侧加载板22的让位孔25后，即可对岩样的上表面钻设竖孔。

参照图2，当完成岩样的钻孔后，将钻臂4取下，更换切割臂，再次通过承载架3带动回转接头31下降和/或回转接头31同步带动切割臂竖直向下运动，即可实现对岩样孔的孔壁或孔底进行切割。

具体的，切割臂包括竖直切割臂具以及孔底切割臂两种，

参照图3，竖直切割臂与孔底切割臂均包括主臂5，主臂5均呈长柱状结构，主臂5的上端用于与回转接头31连接。

区别在于，竖直切割臂的主臂设置有孔壁切割刀具6，孔底切割臂的主臂设置有孔底切割刀具7。

参照图3，孔壁切割刀具包括两第一截齿61以及两第一滚刀62。

两第一截齿61对置的固定于切割臂的相对两侧，且两第一截齿61的尾端均铰接于主臂5，随两第一截齿61的摆动，两第一截齿61的切割端均能够凸出主臂5的相对两侧，主臂5内竖直滑移有水平设置的第一双向缸611，第一双向缸611的两伸缩杆分别铰接于两第一截齿61，随第一双向缸611带动两伸缩杆伸缩，能够带动两第一截齿61摆动，从而调节两第一截齿61的摆动角度。作业时，通过第一双向缸611竖直运动，并带动两伸缩杆延伸，即可带动两第一截齿61转动，使两第一截齿61凸出于主臂5的相对两侧，从而在主臂5插入岩样的孔内后，继续竖直运动，即可通过两第一截齿61对孔壁进行竖直切割。

参照图3，两第一滚刀62同样对置的固定于主臂5的相对两侧，两第一滚刀62的轴线相互平行且均水平设置，主臂5对应两第一滚刀62的位置均设置有滑架621，主臂5对应两滑架621之间固定有第二双向缸622，第二双向缸622的两伸缩杆分别固定于两滑架621，两第一滚刀62均转动连接于两化滑架621，随第一双向缸611伸缩杆伸缩，即可推动两第一滚刀62的切割刃凸出于主臂5的相对侧，而随第二双向缸622的伸缩杆回缩，即可拖动两第一滚刀62回缩于主臂5内。如此，当需要采用两第一滚刀62对岩样的孔壁进行直线切割时，通过两第一滚刀62凸出于主臂5相对两侧，而使两第一截齿61摆动回主臂5内，即可通过两第一滚刀62作业，反之将第一滚刀62回缩回主臂5内，再将两第一截齿61的切割端摆动至凸出于主臂5进行切割作业即可。当停止作业后，便可将两第一截齿61与两第一滚刀62同步收入主臂5便可。

参照图4，孔底切割刀具7包括两第二截齿71以及两第二滚刀72。

参照图4和图5，主臂5两侧下端对称开设有竖直设置的滑槽51，滑槽51内竖直滑移有第一活动座511，主臂5上还固定有第一推动缸512，用于推动第一活动座511竖直运动，两第二截齿71分别设置于第一活动座511的下侧，且两第二截齿71的尾端均铰接于第一活动座511，且第二截齿71的尾端固端固定有蜗轮711，第一活动座511上还转动设置有蜗杆513，蜗杆513啮合于蜗轮711；第一活动座511还固定有能够驱动蜗杆513转动的诸如电机之类的回转件514，如此，回转件514带动蜗杆513转动，即可通过蜗轮711带动第二截齿71摆动。

参照图4和图5，当需要使用第二截齿71对岩样的孔底进行切割时，通过两第一推动缸512推动两第一活动座511向下运动至截齿下侧与主臂5的下端平齐，然后通过伺服电机531带动第二截齿71转动，调节两第二截齿71的角度，然后通过主臂5下降带动第二截齿71侵入岩样的孔底，再通过主臂5带动两第二截齿71旋转，即可实现岩样孔底的切割。

参照图4，主臂5的轴线位置处下端竖直开设有容置槽52，容置槽52内竖直滑移有第二活动座521，主臂5对应第二活动座521的上侧竖直固定有第二推动缸522，第二推动缸522的伸缩杆朝下固定于第二活动座521，用于带动第二活动座521竖直运动。第二活动座521的下侧竖直设置有两连接臂523，且两连接臂523沿相互靠近或远离的方向滑移于第二活动座521下侧，第二活动座521上还固定有第三双向缸524，第三双向缸524的两伸缩杆固定板于两连接臂523，并能够带动两连接臂523同时趋向相互靠近或远离的方向运动。

参照图5，两第二滚刀72分别转动连接于两连接臂523的下端，作业时，第二活动座521运动直至其下侧与主臂5下端平齐后，通过第三双向缸524带动两连接臂523趋向背离方向运动，可以实现两第二滚刀72的距离调节，且此时，两连接臂523背离第二滚刀72的一端均能够抵接于主臂5下端，从而可以对第二滚刀72作业时提供支撑，保证两第二滚刀72作业的稳定性。

实施例2，

参照图6，一种高应力岩体孔内破岩实验装置，与实施例1相比，差异在于，孔壁切割刀具6与孔底切割刀具7设置于同一主臂5，且采用滑臂26替代实施例1中的支撑柱23，以实现承载架3能够带动顶侧加载板22移动至多个侧向加载板21合围的岩样放置区的一侧，从而便于岩样的取放。

参照图6，具体的，底座1的宽度方向两侧均竖直设置有滑臂26，滑臂26的上端固定于承载架3，滑臂26下端沿底座1的长度方向滑移于底座1，底座1上对应滑臂26的滑移位置处转动设置有螺杆261，滑臂26下端螺纹连接于螺杆261，且底座1对应螺杆261的一端固定有驱动电机262，驱动电机262带动螺杆261转动，即可带动滑臂26沿底座1的长度方向滑移，从而调整承接架的位置，以便于岩样出料或上料。

综上，与实施例1相比，优点在于，承载架3能够带动顶侧加载板22移动至多个侧向加载板21合围的岩样放置区的一侧，从而便于岩样的取放。

实施例3，一种高应力岩体孔内破岩实验装置，与实施例1相比，差异在于：

参照图7，同一主臂5的上同时设置孔底切割刀具7以及孔壁切割刀具6，孔壁切割刀具6位于孔底切割刀具7上方，如此实现采用一根主臂5可以根据选择实现孔底或孔壁切割。

此外，本实施例中还提出了另外一种孔壁切割刀具6的形式，以下进行详细描述：参照图7，主臂5的轴线位置处转动连接有竖直设置的螺柱53，螺柱53上螺纹连接有滑套54，滑套54竖直滑移于主臂5内，主臂5对应螺柱53的上端固定有伺服电机531，伺服电机531的输出轴固定于螺柱53。伺服电机531带动螺柱53转动，即可带动滑套54竖直滑移。

参照图7，两滑架621与滑套54的上端之间设置有第一连杆55，第一连杆55的一端铰接于滑架621，且第一连杆55的另一端铰接于滑套54，随滑向下运动，能够拖动两第一连杆55向下摆动，从而使两滑架621趋向相互靠近方向运动，直至两第一滚刀62回缩于主臂5内，当滑套54向上运动时，即可通过两连杆推动两滑架621趋向相互远离的方向运动，从而使两第一滚刀62凸出于主臂5的相对两侧。

参照图7，两第一截齿61的尾端下侧与滑套54的下端之间均设置有第二连杆56，第二连杆56的一端铰接于第一截齿61，且第二连杆56的另一端铰接于滑套54。随滑套54向下运动，能够推动两第一截齿61的切割端趋向相互远离的方向摆动，使两第一截齿61凸出于主臂5的相对两侧。随滑套54向上运动，即可通过两连杆同步向上运动拖动两第一截齿61趋向相互靠近的方向摆动，从而使两第一截齿61回缩至主臂5内。

参照图7，此外的，当滑套54滑动至螺杆261的中部时，受第一连杆55以及第二连杆56的拉持作用，可以使两滑架621滑动至两第一滚刀62位于主臂5内，且两第一截齿61摆动至主补内，实现两第一滚刀62与两第一截齿61均位于主臂5内，实现第一滚刀62与第一截齿61的收纳。

与实施例1相比，本实施例的优势在于：

第一方面，采用螺杆261带动滑套54滑移，稳定性强，滑套54不会受两第一连杆55或两第二连杆56的推动而活动，第二方面当第一滚刀62或第一截齿61与切割孔壁时，受到的力不会传递至用于驱动螺杆261转动的伺服电机531，对驱动元件的负担小。

实施例4，一种高应力岩体孔内破岩实验装置，与上述实施例1-3相比，差异在于，还设置有传感装置以及数据采集装置。

传感装置包括固定于主臂5内的力传感器以及速度传感器，用于采集岩样的孔壁以及孔底切割过程中的力学参数，如孔壁直线切割过程的推进力F、法向力FN、直线切割速度V等参数以及孔底旋转切割过程的推进力F、扭矩T、旋转速度N、侵入率S等参数，数据采集系统采集传感装置采集的数据，最终将所有数据显示于显示器。

如此，在实验的过程中，即可通过传感设备以及数据采集系统的配合，即可将岩样孔壁直线切割过程中的参数以及岩样孔底旋转切割过程中的参数进行采集并显示，以便于实验人员通过参数测算及评价岩石可切割性。

本申请的第二方面还提供了一种岩体可切割性评价方法。

一种岩体可切割性评价方法，主要采用上述实施例中高应力岩体孔内破岩实验装置，采集获得孔壁直线切割过程的推进力F、法向力FN、直线切割速度V等参数以及孔底旋转切割过程的推进力F、扭矩T、旋转速度N、侵入率S等参数后进行处理，获得岩体的可切割性评价方法，以下详细描述：

一种岩体可切割性评价方法，包括以下步骤：

获取若干不同种类岩体的多个切割沿程参数，作为第一数据；

获取若干不同种类岩体的多个力学特性参数，作为第二数据；

提取第一数据作为输入层数据，提取第二数据作为输出层数据，通过多元大数据处理构建岩体力学特性参数回归预测模型；

处理第二数据，对各项力学特性参数划分不同等级；

基于各项力学特性参数的不同等级评价岩体的可切割性等级，并作为第三数据；

提取第一数据作为输入层数据，提取第三数据作为输出层数据，通过多元大数据处理构建岩体可切割性等级回归预测模型；

获取单一岩体的切割沿程参数，利用岩体力学特性参数回归预测模型，得出岩体的力学特性参数，基于得出的岩体力学参数等级，利用岩体可切割性等级回归预测模型，得出岩体可切割性等级。

具体的，岩体力学特性参数回归预测模型的构建包括以下步骤:

S1：岩体切割性能数据获得：

根据孔底旋转切割方块岩样过程的推进力、扭矩、旋转速度、侵入率等参数计算切割比能。

其具体公式如下：

SE1＝F/A+2πTN/AS

其中，A为切割岩样面积，F为推进力，T为扭矩，N为旋转速度，S为侵入率，SE1为切割比能。

根据孔壁直线切割方块岩样过程的推进力和法向力计算切割功，根据碎屑体积、切割功计算破岩比能。

破岩比能公式：式中，V为碎屑体积，由碎屑质量÷岩样密度算得；L为切割长度，由切割速度×切割时间算得；F为推进力；SE2为破岩比能。

S2：岩体强度参数获得：

通过单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验、rockindentation试验、CAI试验等测量计算大量不同种类岩体的力学特性参数，如单轴抗压强度、单轴抗拉强度以及岩体脆性指数；变形参数，如弹性模量以及泊松比；切割参数，如岩体压痕数据、CAI值。

S3：基于S1得到的刀具切割不同种类岩体的推进力、法向力及切割比能和破岩比能作为通过多元大数据处理构建岩体力学特性参数回归预测模型的输入层数据；

基于S2得到的不同种类岩体力学特性参数(强度参数、变形参数、切割参数)构建岩体力学特性参数数据库，此数据库作为通过多元大数据处理构建岩体力学特性参数回归预测模型的输出层数据；

采用输入层数据与输出层数据，通过多元大数据处理构建岩体力学特性参数回归预测模型。

通过比较分析室内试验得到的不同种类岩体力学特性参数构建关系模型。

如此，即可实现岩体力学特性参数回归预测模型的构建。

具体的，岩体可切割性等级回归预测模型的构建步骤包括：

S1将岩体力学特性参数回归预测模型构建时得到的刀具切割不同种类岩体的推进力、法向力及切割比能和破岩比能作为通过多元大数据处构建的岩体可切割性等级回归预测模型的输入层数据；

S2基于岩体力学特性参数回归预测模型构建时得到的不同种类岩体的不同力学特性参数，划分岩体力学特性参数等级区域；

S3基于岩体力学特性参数等级评价岩体可切割性等级；

S4将岩体可切割性等级作为通过多元大数据处构建的岩体可切割性等级回归预测模型的输出层数据；

S5采用设定的输入层数据与输出的层数剧通过多元大数据处构建的岩体可切割性等级回归预测模型。

如此，即可实现岩体可切割性等级回归预测模型的构建。

在获得岩体力学特性参数回归预测模型以及岩体可切割性等级回归预测模型后，直接选取所需要进行评价可切割性的岩体，进行岩体切割实验采集孔壁直线切割岩样过程中的切割沿程参数代入至岩体力学特性参数回归预测模型和岩体可切割性等级回归预测模型，得到岩体力学特性参数和岩体可切割性等级。

进一步的，基于岩体力学特性参数回归预测模型构建时得到的不同种类岩体的不同力学特性参数，划分岩体力学特性参数等级区域，具体采用以下方案：

(1)将测算所得的各项岩体力学特性参数单独列出；

(2)对单独列出的各项岩体力学特性参数分别设定多个取值范围；

(3)对各项岩体力学特性参数的多个取值范围分别设定不同的等级标准和/或分值。

岩体力学特性参数等级区域划分标准可采用如下方式列出：

其中，a1-a5、b1-b5均为设定的具体边界值，A1-A3、B1-B3、C1-C3、D1-D3、E1-E3数值分别为3、6、9。(即A1-3分，A2-6分，A3-9分；B1-3分，B2-6分，B3-6分；C1-3分，C2-6分，C3-9分；D1-3分，D2-6分，D3-9分；E1-3分,E2-6分，E3-9分)

进一步的，基于岩体力学特性参数等级评价岩体可切割性等级采用以下步骤：

(1)设立设性能评价指标，汇总各项岩体力学特性等级标准的总值，根据汇总后的各项标准总值设置不同的分值范围；

(2)基于不同的分值范围设立不同等级，作为岩体的可切割性等级标准。

如根据上述岩体力学特性参数等级区域划分标准，5种岩体力学特性参数总得分对岩体可切割性等级进行评分，可形成以下评分表：

其中，F1、G1、H1、I1、J1、K1、L1、M1均为设定的评分边界值，F1设为15分,G1设为21分，H1设为24分，I1设为30分，J1设为33分，K1设为39分，L1设为42分，M1设为45分。

综上，本实施例的实施效果为：

在实现对岩体的力学特性参数获取及评价可切割性等级时，仅需在实验室内对岩体进行孔壁切割实验，获得岩体切割沿程参数，然后直接通过岩体力学特性参数回归预测模型以及岩体可切割性等级回归预测模型即可获得岩体力学特性参数及评价岩体可切割性。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高应力岩体孔内破岩实验装置，其特征在于：

底座(1)，用于承载岩样；

三向围压加载机构(2)，用于对岩样的各竖直侧以及顶侧施加压力；

主臂(5)，能够回转及竖直运动的设置底座(1)上侧，所述主臂(5)下降能够穿过三向围压加载机构(2)上侧并延伸至岩样的孔内；

孔壁切割刀具(6)，对置的设置于主臂(5)的周面相对侧，能够随主臂(5)竖直运动对岩样的孔壁竖直切割；

孔底切割刀具(7)，设置于主臂(5)的下端，能够随主臂(5)回转对岩样的孔底面切割；

所述孔壁切割刀具(6)包括:

两第一截齿(61)，对置且可摆动的设置于主臂(5)的相对两侧，两第一截齿(61)的切割端能够随转动凸出或回缩于主臂(5)内；

两第一滚刀(62)，对置且可相对运动的设置于主臂(5)的相对两侧，两第一滚刀(62)相对运动能够凸出或回缩于主臂(5)内；

两滑架(621)，可相对运动的设置于主臂(5)，两所述第一滚刀(62)分别设置于两滑架(621)；

滑套(54)，可竖直活动的设置于主臂(5)内；

两第一连杆(55)，分别铰接于两滑架(621)与滑套(54)之间；

两第二连杆(56)，分别铰接于两截齿于滑台之间；

随滑套(54)活动至其行程上端，能够拖动两第一滚刀(62)回缩于主臂(5)内，并带动两第一截齿(61)摆动至切割端凸出于主臂(5)；

随滑套(54)活动至其行程下端，能够推动两第一滚刀(62)凸出于主臂(5)并带动两第一截齿(61)摆动至其切割端回缩于主臂(5)内；

随滑套(54)滑移至其行程中部，能够拖动两第一滚刀(62)回缩于主臂(5)内并带动两第一截齿(61)摆动至其切割端回缩于主臂(5)内。

2.根据权利要求1所述的高应力岩体孔内破岩实验装置，其特征在于，所述三向围压加载机构(2)包括：

多个侧向加载板(21)，水平活动的设置于底座(1)，各侧向加载板(21)运动能够抵压于岩样的各竖直侧；

顶侧加载板(22)，竖直活动的设置于底座(1)，顶侧加载板(22)运动能够抵压于岩样的上侧，所述顶侧加载板(22)上开设有让位孔(25)，用于主臂(5)的穿过。

3.根据权利要求1所述的高应力岩体孔内破岩实验装置，其特征在于,还包括：

钻臂(4)，竖直活动的设置于底座(1)的上侧，所述钻臂(4)向下运动能够穿设过所述三向围压加载机构(2)的上侧并对岩样钻孔。

4.根据权利要求1所述的高应力岩体孔内破岩实验装置，其特征在于，所述孔底切割刀具(7)包括：

第一活动座(511)，可竖直运动的设置于主臂(5)的两侧下端；

两第二截齿(71)，分别可摆动的设置于第一活动座(511)下端，随所述第一活动座(511)运动，能够带动第二截齿(71)凸出或回缩于所述主臂(5)的下端。

5.根据权利要求1所述的高应力岩体孔内破岩实验装置，其特征在于，所述孔底切割刀具(7)包括：

第二活动座(521)，可竖直运动的设置于主臂(5)的下端；

两连接臂(523)，竖直设置于第二活动座(521)下侧，两连接臂(523)的下端均转动设置有第二滚刀(72)，随第二活动座(521)运动，能够带动第二滚刀(72)凸出或回缩于活动座。

6.根据权利要求5所述的高应力岩体孔内破岩实验装置，其特征在于：所述第二活动座(521)运动能够使其下侧与主臂(5)下端平齐；

所述第二活动座(521)下侧固定有第三双向缸(524)；

所述第三双向缸(524)的两伸缩杆固定于两连接臂(523)并能够带动两连接臂(523)相对运动。

7.根据权利要求1所述的高应力岩体孔内破岩实验装置，其特征在于，还包括：

传感装置，设置于主臂(5)，包括力传感器以及速度传感器；

数据采集设备，用于接收力传感器传输的力学数据以及主臂(5)的推进速度旋转速度并于显示器显示。

8.一种应用权利要求1-7任意一项所述的高应力岩体孔内破岩实验装置的岩体可切割性等级评价方法，包括以下步骤：

获取若干不同种类岩体的多个切割沿程参数，作为第一数据；

获取若干不同种类岩体的多个力学特性参数，作为第二数据；

提取第一数据作为输入层数据，提取第二数据作为输出层数据，通过多元大数据处理构建岩体力学特性参数回归预测模型；

处理第二数据，对各项力学特性参数划分不同等级，基于各项力学特性参数的不同等级评价岩体的可切割性等级，并作为第三数据；

提取第一数据作为输入层数据，提取第三数据作为输出层数据，通过多元大数据处理构建岩体可切割性等级回归预测模型；

获取单一岩体的切割沿程参数，利用岩体力学特性参数回归预测模型，得出岩体的力学特性参数，利用岩体可切割性等级回归预测模型，得出岩体可切割性等级。