CN116907974B - 一种便携手持式岩石力学参数测试仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便携手持式岩石力学参数测试仪器及方法，涉及岩石力学参数测试技术领域，本发明提供的便携手持式岩石力学参数测试仪器包括外壳、动力源、数据采集控制器和钻头机构；动力源和数据采集控制器安装于外壳内，钻头机构用于对原位的目标岩石进行钻进；动力源通过至少部分数据采集控制器与钻头机构连接，动力源用于带动钻头机构相对于外壳转动以及沿外壳的轴向相对于外壳移动；数据采集控制器与动力源电连接，数据采集控制器用于获取钻头机构的钻进数据并控制动力源的驱动状态，以使钻头机构以恒速或恒压状态钻进。上述测试装置可进行现场的原位测试，无需制作标准试样，保证测试结果准确性，试验过程更简便、易操作。

Description

一种便携手持式岩石力学参数测试仪器及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学参数测试技术领域，尤其是涉及一种便携手持式岩石力学参数测试仪器及方法。

背景技术

岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决采矿工程、水利、土木工程等领域中的岩石工程问题。现有的岩石力学参数测试方法有直接法和间接法，相关的测试装置有单轴压缩测试仪、双轴压缩测试仪、点载荷仪、回弹仪等。

直接测量岩石强度是业界公认的测试方法，测试时须采用标准试样、标准设备与流程。间接法测量岩石强度也经常被工程人员所使用，常用的仪器有点荷载仪和回弹仪，其特点是，测试时对试样要求不高，采用标准设备与流程，且重量小能在现场使用。

现有的测试装置中，直接测量法中，试样制备复杂，从采样到试验周期长，不适用于在现场使用；间接测量法的点荷载测试中，岩样不标准的情况下数据离散性大，且无法原位测量，回弹硬度测试无法对岩屑进行测试。

现有技术中的一种岩石强度测试装置，其端部设有用于容纳试样的样杯，通过钻进法测试岩石强度，因此其仍需制作适合仪器大小的试样来满足试验需要，且试样尺寸大小在极大程度上影响测试效果，相较于对岩体进行原位测试，结果偏差很大。

因此，如何提供一种能够在原位进行测试的便携手持式岩石力学参数测试仪器及方法是本领域技术人员需解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石力学参数测试装置及方法，可根据实际需要选择合适的模式进行现场的原位测试，无需制作标准试样，保证测试结果准确性，试验过程更简便、易操作。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种便携手持式岩石力学参数测试仪器，包括外壳、动力源、数据采集控制器和钻头机构；

所述动力源和所述数据采集控制器安装于所述外壳内，所述钻头机构用于对原位的目标岩石进行钻进；

所述动力源通过至少部分所述数据采集控制器与所述钻头机构连接，所述动力源用于带动所述钻头机构相对于所述外壳转动以及沿所述外壳的轴向相对于所述外壳移动；

所述数据采集控制器与所述动力源电连接，所述数据采集控制器用于获取所述钻头机构的钻进数据并控制所述动力源的驱动状态，以使所述钻头机构以恒速或恒压状态钻进。

进一步地，所述钻头机构以恒速钻进时，所述数据采集控制器所采集到的钻进数据至少包括用于计算岩石力学参数的钻进推力、钻进扭矩、钻进速度和转动速度；

所述钻头机构以恒压钻进时，所述数据采集控制器所采集到的钻进数据至少包括用于计算岩石力学参数的钻进推力、钻进扭矩、钻进速度和转动速度。

进一步地，所述动力源包括推进机构和转动机构；

所述转动机构沿所述外壳的轴向方向与所述外壳滑动配合，所述转动机构的动力输出端通过至少部分所述数据采集控制器与所述钻头机构连接，以带动所述钻头机构相对于所述外壳转动；

所述推进机构的动力输出端与所述转动机构连接，以带动所述转动机构和所述钻头机构沿所述外壳的轴向相对于所述外壳移动。

进一步地，所述钻头机构包括钻头组件,所述钻头组件通过第一转轴与至少部分所述数据采集控制器间传递扭矩。

进一步地，所述钻头组件与所述第一转轴固定连接；

或者所述钻头组件沿所述第一转轴的轴向与所述第一转轴滑动配合;所述钻头机构还包括保压组件，所述保压组件设于所述钻头组件与所述第一转轴之间，所述保压组件用于配合所述动力源保证所述钻头机构以恒压模式钻进。

进一步地，所述钻头组件与所述第一转轴固定连接时，所述推进机构包括第一电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮和丝杆；所述第一电机固装于所述外壳内；所述第一锥齿轮与所述第一电机的动力输出端连接；所述第二锥齿轮围绕所述外壳的轴向与所述外壳转动配合，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合；所述丝杆的一端沿所述外壳的轴向与所述外壳滑动配合，另一端穿过所述第二锥齿轮与所述转动机构固接，所述丝杆与所述第二锥齿轮螺纹配合。

进一步地，所述保压组件包括挡板和弹性件，所述挡板套装于所述第一转轴上，所述弹性件套设于所述第一转轴的外部，且所述弹性件的两端分别与所述钻头组件和所述挡板相抵。

进一步地，所述钻头组件包括钻杆和夹头，所述夹头通过所述第一转轴与至少部分所述数据采集控制器间传递扭矩，所述钻杆与所述夹头可拆卸连接。

第二方面，本发明还提供一种原位岩石力学参数测试方法，采用上述方案所述的便携手持式岩石力学参数测试仪器，包括：

将所述钻头机构伸出所述外壳的端部与待测岩石接触贴合，打开装置开关；

钻进过程中，钻头机构与待测岩石保持接触贴合，并以恒速或恒压状态持续钻进至钻头机构中的钻杆完全没入待测岩石；

钻进过程中，所述数据采集控制器采集并记录所述钻头机构钻进时的钻进数据并由显示器显示；

钻进完成后，拆卸所述钻头机构上的钻杆，采集钻杆磨损数据。

本发明提供的便携手持式岩石力学参数测试仪器能够以恒速或恒压状态进行现场的原位测试。

恒速状态：手持外壳，保持外壳固定不动，动力源带动钻头机构沿外壳的轴向相对于外壳恒速移动，同时带动钻头机构相对于外壳转动，实现钻头机构的恒速钻进。钻进过程中，钻头机构伸出外壳的端部与岩石保持接触贴合，持续钻进一定距离，与此同时，数据采集控制器采集并记录钻头机构的钻进数据，根据上述数据可获得岩石的力学参数。

恒压状态：手持外壳，保持外壳固定不动，动力源带动钻头机构沿外壳的轴向相对于外壳移动，同时带动钻头机构相对于外壳转动，实现钻头机构的钻进。钻进过程中，钻头机构伸出外壳的端部与岩石保持接触贴合，持续恒压钻进一定距离，与此同时，数据采集控制器采集并记录钻头机构的钻进数据，根据上述数据可获得岩石的力学参数。

在上述钻进过程中，也可以通过数据采集控制器获取钻头机构的钻进数据并控制动力源的驱动状态，以保证钻头机构以恒速或恒压状态钻进。

相对于现有技术来说，本发明第一方面提供的便携手持式岩石力学参数测试仪器能够以恒速或恒压模式钻进，无需制作标准试样，从根本上解决了试样尺寸对测试结果的影响，保证测试结果准确、可靠，且试验过程更简便、易操作。

相对于现有技术来说，本发明第二方面提供的原位岩石力学参数测试方法可实现现场原位测试，测试过程中可对钻进数据进行采集并显示、保存，钻进完成后，可拆卸钻头机构上的钻杆，采集钻杆磨损数据，配合上述钻进数据共同对岩石的力学参数进行计算，测试结果不受所制备试样的影响，测试结果更加可靠，测试步骤更加简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种便携手持式岩石力学参数测试仪器的内部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第二种便携手持式岩石力学参数测试仪器的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第三种便携手持式岩石力学参数测试仪器的内部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种便携手持式岩石力学参数测试仪器的外部结构示意图。

图标：1-外壳；11-限位座；2-数据采集控制器；3-钻头机构；31-钻头组件；311-钻杆；312-夹头；32-第一锁紧结构；33-保压组件；331-挡板；332-弹性件；34-第二锁紧结构；4-推进机构；41-第一电机；42-第一锥齿轮；43-第二锥齿轮；431-安装座；432-锥齿轮本体；44-丝杆；5-转动机构；51-第二电机；52-第二减速器；6-第一转轴；61-限位块；7-移动座；8-显示屏。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明第一方面的实施例在于提供一种便携手持式岩石力学参数测试仪器，如图1所示，包括外壳1、动力源、数据采集控制器2和钻头机构3；

动力源和数据采集控制器2安装于外壳1内，钻头机构3用于对原位的目标岩石进行钻进；

动力源通过至少部分数据采集控制器2与钻头机构3连接，动力源用于带动钻头机构3相对于外壳1转动以及沿外壳1的轴向相对于外壳1移动；

数据采集控制器2与动力源电连接，数据采集控制器2用于获取钻头机构3的钻进数据并控制动力源的驱动状态，以使钻头机构3以恒速或恒压状态钻进。

上述实施例所提供的便携手持式岩石力学参数测试仪器能够以恒速或恒压状态进行现场的原位测试：

1）恒速状态

手持外壳，保持外壳1固定不动，动力源带动钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1恒速移动，同时带动钻头机构3相对于外壳1转动，实现钻头机构3的恒速钻进。钻进过程中，钻头机构3伸出外壳1的端部与岩石保持接触贴合，持续钻进一定距离，与此同时，数据采集控制器2采集并记录钻头机构3的钻进数据，根据上述数据可获得岩石的力学参数。

2）恒压状态

手持外壳，保持外壳1固定不动，动力源带动钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1移动，同时带动钻头机构3相对于外壳1转动，实现钻头机构的钻进。钻进过程中，钻头机构3伸出外壳的端部与岩石保持接触贴合，持续恒压钻进一定距离，与此同时，数据采集控制器2采集并记录钻头机构3的钻进数据，根据上述数据可获得岩石的力学参数。

在上述钻进过程中，也可以通过数据采集控制器2获取钻头机构3的钻进数据并控制动力源的驱动状态，以保证钻头机构3以恒速或恒压状态钻进。

例如，钻进速度偏大或钻进压力过大时，可以通过数据采集控制器2控制动力源减小推进速度；钻进速度偏小或钻进压力过小时，可以通过数据采集控制器2控制动力源增加推进速度。从而保证钻头机构给予岩石恒定的压力或钻头机构具有恒定的钻进速度。

上述钻进压力和钻进速度可以通过数据采集控制器2来获得。

可以理解的是，上述外壳1的轴向为钻头机构3的钻进方向，为便于表述，以下均称为外壳1的轴向。

相对于现有技术来说，上述实施例所提供的便携手持式岩石力学参数测试仪器能够以恒速或恒压状态钻进，无需制作标准试样，从根本上解决了试样尺寸对测试结果的影响，保证测试结果准确、可靠，且测试步骤更加简单，提高测试准确率。

在一些实施例中，如图1所示，动力源包括推进机构4和转动机构5，推进机构4可控制钻头机构3沿外壳1的轴向移动，转动机构5可控制钻头机构3相对于外壳1转动。

推进机构4和转动机构5相互独立，在工作时不会发生相互影响，如此可实现钻头机构3仅沿外壳1的轴向移动而不相对于外壳1转动；或者钻头机构3仅相对于外壳1转动而不沿外壳1的轴向移动；或者钻头机构3沿外壳1的轴向移动的同时相对于外壳1转动；或者钻头机构3不沿外壳1的轴向移动的同时不相对于外壳1转动。

在一些实施例中，推进机构4和转动机构5均安装于外壳1内，沿外壳1的轴向，可以推进机构4位于转动机构5靠近钻头机构3的一侧，也可以推进机构4位于转动机构5背离钻头机构3的一侧。

在至少一个实施例中，推进机构4位于转动机构5背离钻头机构3的一侧。以图1为例进行具体说明，转动机构5沿外壳1的轴向方向与外壳1滑动配合，转动机构5的动力输出端通过至少部分数据采集控制器2与钻头机构3连接，以带动数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3相对于外壳1转动；推进机构4的动力输出端与转动机构5连接，以带动转动机构5、数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1移动。

因此，在推进机构4启动，转动机构5不启动时，转动机构5、数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1移动；推进机构4不启动，转动机构5启动时，数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3相对于外壳1转动；推进机构4启动，转动机构5启动时，转动机构5、数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1移动，同时，数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3相对于外壳1转动；推进机构4不启动，转动机构5不启动时，转动机构5、数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3均相对于外壳1静止。

推进机构4推进时，推进距离不小于等于5cm。

需要说明的是，凡是能够带动数据采集控制器2的上述部分和钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1移动的机构都可以是上述实施例所提及的推进机构4。例如推进机构4包括电机以及与电机连接的曲柄滑块机构，或者推进机构4包括液压缸，或者推进机构4包括推杆电机等。

在一些实施例中，如图1所示，推进机构4包括第一电机41、第一锥齿轮42、第二锥齿轮43和丝杆44，其中：

第一电机41固装于外壳1内；

第一锥齿轮42与第一电机41的动力输出轴连接，第一电机41带动第一锥齿轮42转动，第一锥齿轮42的转动轴向垂直于外壳1的轴线；

第二锥齿轮43围绕外壳1的轴向与外壳1转动配合，第二锥齿轮43与第一锥齿轮42啮合，第一锥齿轮42可在第一锥齿轮42的带动下相对于外壳1转动；

丝杆44穿过第二锥齿轮43与转动机构5固接，从而在转动机构5的限定下阻止丝杆44相对于外壳1转动，丝杆44与第二锥齿轮43螺纹配合。

在使用时，第一电机41启动，第一锥齿轮42随之转动，同时第一锥齿轮42带动第二锥齿轮43转动，由于第二锥齿轮43与丝杆44螺纹配合，且丝杆44无法相对于外壳1转动，使得丝杆44沿外壳1的轴向发生移动，从而带动转动机构5沿外壳1的轴向移动。

可以理解的是，上述丝杆44沿外壳1的轴向延伸。丝杆44可以与转动机构5键连接实现固定，也可以通过销子等结构与转动机构5固定连接。

具体地，第二锥齿轮43可以包括安装座431和锥齿轮本体432，锥齿轮本体432背离第一锥齿轮42的一端设有与丝杆44螺纹配合的轴套，轴套与安装座431通过轴承转动配合，安装座431固定安装于外壳1内。

上述轴承为能承受轴向力的轴承，例如推力球轴承或推力滚子轴承。

为保证丝杆44在移动时更加的稳定，丝杆44背离转动机构5的一端可以沿外壳1的轴向与外壳1滑动配合。外壳1内设有限位座11，限位座11内具有限位槽，丝杆44的端部伸入限位槽并沿外壳1的轴向与限位槽滑动配合。

在一些实施例中，如图1所示，转动机构5包括第二电机51和第二减速器52；第二电机51与推进机构的动力输出端连接，且第二电机51沿外壳1的轴向与外壳1滑动配合；第二减速器52连接于第二电机51的动力输出端和至少部分数据采集控制器2之间，且第二减速器52沿外壳1的轴向与外壳1滑动配合。在使用时，第二电机51的动力可通过第二减速器52传递至数据采集控制器2的上述部分。

具体地，第二电机51与外壳1的滑动配合可通过滑块和滑槽的配合来实现，例如，外壳1的内壁上设有滑槽，滑槽的延伸方向平行于外壳1的轴向，第二电机51的外表面设有与滑槽滑动配合的滑块，从而实现第二电机51与外壳1的滑动配合。第二减速器52与外壳1的滑动配合结构同理，为节省篇幅，在此不再详细说明。

当推进机构4包括丝杆44时，丝杆44可以与第二电机51固定连接，第一电机41动作时，能够通过丝杆44带动第二电机51相对于外壳1滑动。

在一些实施例中，钻头机构3以恒速钻进时，数据采集控制器2所采集到的钻进数据包括用于计算岩石力学参数的钻进推力、钻进扭矩、钻进速度和转动速度。

在一些实施例中，钻头机构3以恒压钻进时，数据采集控制器2所采集到的钻进数据包括用于计算岩石力学参数的钻进推力、钻进扭矩、钻进速度和转动速度。

上述钻进推力为钻头机构3给予原位岩石的推力，钻进扭矩为钻头机构3钻进时所受到的扭矩，钻进速度为钻头机构3钻进时向原位岩石内推进的速度，转动速度为钻头机构3钻进时的转速。

岩石力学参数计算见下式：

式中，α为钻头前角；为钻头端磨损面接触摩擦角；/>为压碎区与完好区岩石摩擦角；C为岩石粘聚力；/>为岩石内摩擦角；/>为定义量，使用旧钻头时的切削比能；/>为定义量，使用新钻头时的切削比能；/>为定义量，切削强度；F_t为钻头作用时的法向力，即钻进推力；F_n为钻头作用时的切向力，可由钻进时扭矩求得；A为切削有效垂向截面积；D为钻头直径；d为切削深度；Q_c为岩石的强度。

经大量试验表明，测试所得的钻进扭矩、钻进推力、转动速度、钻进速度之间存在数学关系，钻进速度或钻进推力恒定，同种岩石测试所得的其余参数基本保持不变。

另外，岩石抗压强度、巴西劈裂强度、点荷载及回弹硬度与钻进率之间存在很强的数学关系。岩石钻进参数与岩石抗压强度和抗拉强度的乘积存在很强的指数关系。也可以通过对已知岩石力学参数的岩样进行试验，通过数学方法拟合钻进参数与岩石力学参数的关系，得出数学关系式，由此通过钻进参数，计算岩石力学参数。

在一些实施例中，如图1所示，数据采集控制器2包括力传感器、扭矩传感器、编码器、数据存储器和控制器等。

其中，力传感器可用于获取钻头机构3给予原位岩石的钻进推力，其可以设置在丝杆44与第二电机51之间，或者设置在第一转轴6与钻头机构3之间等，凡是能够测得钻头机构3给予原位岩石钻进推力的位置均可。

扭矩传感器可用于获取钻头机构3所受到的钻进扭矩，扭矩传感器可安装于转动机构5的动力输出端和钻头机构3之间的第一转轴6上，从而能够得到钻头机构3钻进时所受到的扭矩。

编码器可以设置在转动机构5上，用来检测转动机构5动力输出轴的实际转动角度，从而计算得到转动机构5的实际转速，上述实际转速等于钻头机构3钻进时的转速。编码器还可以设置在第一电机上，用来检测第一电机动力输出轴的转动圈数，从而计算得到丝杆44的移动速度，上述移动速度等于钻头机构3钻进时向原位岩石内推进的速度。

上述力传感器、扭矩传感器和编码器的使用原理和安装方式为公知的技术，为节省篇幅，在此不再详细说明。

可以理解的是，上述钻进推力、钻进扭矩、钻进距离和转动速度均属于钻进数据。数据存储器可用于存储上述各个钻进数据并在外壳1上的显示屏上显示。

在一些实施例中，如图1所示，钻头机构3包括钻头组件31，钻头组件31与数据采集控制器2之间通过第一转轴6传递扭矩。

在一些实施例中，如图1所示，钻头组件31与第一转轴6固定连接，通过控制推进机构4的恒速推进实现便携手持式岩石力学参数测试仪器的恒速工作状态。

在上述实施例的基础上，如图1所示，为保证推进机构4的推进精度，推进机构4优选包括第一电机41、第一锥齿轮42、第二锥齿轮43和丝杆44。

当然，在上述实施例的基础上，也可以通过数据采集控制器2对钻进速度的反馈调节，来调整推进机构4的推进速度，来实现便携手持式岩石力学参数测试仪器的恒速工作状态。

上述便携手持式岩石力学参数测试仪器具有恒速状态，具体过程如下：推进机构4带动转动机构5、数据采集控制器2中的扭矩传感器和钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1移动，同时转动机构5带动数据采集控制器2中的扭矩传感器和钻头机构3相对于外壳转动，实现钻头机构3的钻进。钻进过程中，钻头组件31与岩石保持接触贴合，持续钻进一定距离，当钻进速度大于第一阈值时，钻头组件31相对于第一转轴6移动，并通过第一电机41、第一锥齿轮42、第二锥齿轮43和丝杆44减小钻头组件31钻进速度。与此同时，数据采集控制器2采集并记录钻头机构的钻进扭矩、钻进压力、钻进速度和转动速度，保证钻头机构3给予岩石恒定的钻进速度。

在另一些实施例中，如图2所示，钻头组件31沿第一转轴6的轴向与第一转轴6滑动配合;钻头机构3还包括保压组件33，保压组件33设于钻头组件31与第一转轴6之间，保压组件33用于配合动力源保证钻头机构3以恒压模式钻进。

上述便携手持式岩石力学参数测试仪器具有恒压状态，具体过程如下：推进机构4带动转动机构5、数据采集控制器2中的扭矩传感器和钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1移动，同时转动机构5带动数据采集控制器2中的扭矩传感器和钻头机构3相对于外壳转动，实现钻头机构3的钻进。钻进过程中，钻头组件31与岩石保持接触贴合，持续钻进一定距离，当钻进压力大于第一阈值时，钻头组件31相对于第一转轴6移动，并通过保压组件33减小钻头组件31端部所受到的压力。与此同时，数据采集控制器2采集并记录钻头机构的钻进扭矩、钻进压力、钻进速度和转动速度，也可以根据钻进压力控制推进机构4的推进速度，保证钻头机构3给予岩石恒定的压力。

在上述实施例的基础上，推进机构4可不采用第一电机41、第一锥齿轮42、第二锥齿轮43和丝杆44的配合方式，推进机构4可以采用推杆电机等结构。

为使得上述实施例所提供的便携手持式岩石力学参数测试仪器还具有恒速状态，如图3所示，钻头机构3还可以包括第一锁紧结构32，钻头组件31与第一转轴6间设有第一锁紧结构32，第一锁紧结构32用于锁定钻头组件31相对于第一转轴6的位置，或解除钻头组件31相对于第一转轴6位置的锁定。

在恒压状态下，第一锁紧结构32解除钻头组件31相对于第一转轴6位置的锁定。在恒速状态下，第一锁紧结构32锁定钻头组件31相对于第一转轴6的位置。推进机构4带动转动机构5、数据采集控制器2中的扭矩传感器和钻头机构3沿外壳1的轴向相对于外壳1恒速移动，同时转动机构5带动数据采集控制器2中的扭矩传感器和钻头机构3相对于外壳转动，实现钻头机构3的恒速钻进。

具体地，如图3所示，为避免钻头组件31自第一转轴6上脱落，第一转轴6的左端凸设有限位块61，限位块61伸入钻头组件31内，并用于与钻头组件31内腔的右壁抵接，从而防止钻头组件31自第一转轴6上脱落。

为保证第一转轴6转动时的稳定性，第一转轴6外设有移动座7，移动座7沿外壳1的轴向与外壳1滑动配合，第一转轴6与移动座7之间通过轴承转动配合。

上述轴承可以为能够承受一定轴向力的调心滚子轴承、交叉滚子轴承或深沟球轴承等。

移动座7与外壳1的滑动配合结构相似于第二电机51与外壳1的滑动配合结构，为节省篇幅，在此不再详细说明。

需要说明的是，第一锁紧结构32的可选结构形式有多种，例如第一锁紧结构32包括锁紧螺钉，或者第一锁紧结构包括凸轮机构，凸轮与钻头组件31转动连接，转动凸轮时，凸轮的外表面能够压紧在第一转轴6上，或者远离第一转轴6，从而锁定或解除锁定钻头组件31相对于第一转轴6的位置。

在一些实施例中，如图3所示，第一锁紧结构32可以包括锁紧螺钉，钻头组件31开设有插装孔，锁紧螺钉穿过插装孔螺接于第一转轴6端部的螺纹孔内，限定钻头组件31相对于第一转轴6的轴向位置。

当需要解除钻头组件31相对于第一转轴6位置的锁定时，可以取下锁紧螺钉，由于钻头组件31沿所述第一转轴6的轴向与第一转轴6滑动配合，钻头组件31能够跟随第一转轴6转动。

在一些实施例中，如图2和3所示，保压组件33包括挡板331和弹性件332，挡板331套装于第一转轴6上，弹性件332套设于第一转轴6的外部，且弹性件332的两端分别与钻头组件31和挡板331相抵。

在使用时，如图3所示，钻头组件31和挡板331之间的弹性件332处于蓄力状态，能够令钻头组件31内腔的右壁压紧在限位块61上，当钻进压力大于第一阈值时，钻头组件31相对于第一转轴6向右移动，挤压弹性件332，从而保证钻头组件31端部所承受的压力不会发生显著增加，与此同时，数据采集控制器2控制推进机构4减小推进速度，进一步减小钻进压力，以使钻头机构3以恒压模式钻进。

具体地，上述弹性件332可以为螺旋弹簧。

上述挡板331可以固定在第一转轴6上，其沿第一转轴6的轴向相对于第一转轴6的位置不可调整。

在一些其他的实施例中，挡板331沿第一转轴6的轴向相对于第一转轴6的位置可调。如图3所示，挡板331沿第一转轴6的轴向与第一转轴6活动配合，挡板331与第一转轴6之间设有第二锁紧结构34，第二锁紧结构34用于锁定挡板331相对于第一转轴6的位置，或解除挡板331相对于第一转轴6位置的锁定。

需要说明的是，如图3所示，当挡板331左调时，钻头组件31相对于第一转轴6向右移动的瞬间所对应的第一阈值变大；当挡板331右调时，钻头组件31相对于第一转轴6向右移动的瞬间所对应的第一阈值变小。从而可设计多等级恒压模式，不同等级下所对应的第一阈值大小不同（当钻进压力大于预设的第一阈值时，数据采集控制器2控制推进机构4减小推进速度）。

需要说明的是，第二锁紧结构34的可选结构形式与第一锁紧结构32的可选结构形式相类似，为节省篇幅，在此不再一一举例。

以图3为例进行具体说明，第二锁紧结构34包括与第一转轴6螺纹配合的螺母，挡板331可以与第一转轴6螺纹配合。转动挡板331后，可实现挡板331沿第一转轴6的轴向位置的调节，调节完毕后，可转动螺母，使得螺母抵紧在挡板331背离弹性件332的一侧，从而锁定挡板331相对于第一转轴6的位置；当需要调整挡板331的位置时，向右拧松螺母即可。

在一些实施例中，如图1所示，钻头组件31包括钻杆311和夹头312，夹头312与数据采集控制器2中的扭矩传感器之间通过第一转轴6传递扭矩，夹头312内具有允许夹头312相对于第一转轴6轴向移动的内腔，钻杆311与夹头312可拆卸连接，钻杆311用于对目标岩石进行钻进。

钻杆311与夹头312的可拆卸连接方式类似于现有的电动螺丝刀。

具体地，钻杆311的大于等于5cm。

在一些实施例中，如图4所示，外壳1上安装有显示屏8，显示屏8用于显示装置运行过程中的钻进扭矩、钻进压力、钻进速度等数据。

具体地，外壳1可以具有一定的防尘防水性能。

上述岩石力学参数测试装置的供电电源可以为蓄电池，也可以为外接电。

本发明第二方面的实施例在于提供一种原位岩石力学参数测试方法，本发明第二方面的实施例提供的原位岩石力学参数测试方法采用上述便携手持式岩石力学参数测试仪器，包括：

将钻头机构3伸出外壳1的端部与待测岩石接触贴合，打开装置开关，选择恒速或恒压模式；

钻进过程中，钻头机构3与待测岩石保持接触贴合，持续钻进至钻头机构3中的钻杆311完全没入待测岩石；

钻进过程中，数据采集控制器2采集并记录钻头机构3钻进时的钻进数据并由显示器保存并显示；

钻进完成后，拆卸钻头机构3上的钻杆311，采集钻杆311磨损数据。

相对于现有技术来说，本发明第二方面提供的原位岩石力学参数测试方法可实现现场原位测试，测试过程中可对钻进数据进行采集并显示、保存。钻进完成后，可拆卸钻头机构上的钻杆，采集钻杆磨损数据，配合上述钻进数据共同对岩石的力学参数进行计算，测试结果不受所制备试样的影响，测试结果更加可靠，测试步骤更加简单。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种便携手持式岩石力学参数测试仪器，其特征在于，包括外壳（1）、动力源、数据采集控制器（2）和钻头机构（3）；

所述动力源和所述数据采集控制器（2）安装于所述外壳（1）内，所述钻头机构（3）用于对原位的目标岩石进行钻进；

所述动力源通过至少部分所述数据采集控制器（2）与所述钻头机构（3）连接，所述动力源用于带动所述钻头机构（3）相对于所述外壳（1）转动以及沿所述外壳（1）的轴向相对于所述外壳（1）移动；

所述数据采集控制器（2）与所述动力源电连接，所述数据采集控制器（2）用于获取所述钻头机构（3）的钻进数据并控制所述动力源的驱动状态，以使所述钻头机构（3）以恒速或恒压状态钻进；

所述钻头机构（3）以恒速钻进时，所述数据采集控制器（2）所采集到的钻进数据至少包括用于计算岩石力学参数的钻进推力、钻进扭矩、钻进速度和转动速度；

所述钻头机构（3）以恒压钻进时，所述数据采集控制器（2）所采集到的钻进数据至少包括用于计算岩石力学参数的钻进推力、钻进扭矩、钻进速度和转动速度；

所述岩石力学参数包括岩石粘聚力、岩石内摩擦角和岩石强度；

所述岩石力学参数计算见下式：

式中，α为钻头前角；为钻头端磨损面接触摩擦角；/>为压碎区与完好区岩石摩擦角；C为岩石粘聚力；/>为岩石内摩擦角；/>为定义量，使用旧钻头时的切削比能；/>为定义量，使用新钻头时的切削比能；/>为定义量，切削强度；F_t为钻头作用时的法向力，即钻进推力；F_n为钻头作用时的切向力，可由钻进时扭矩求得；A为切削有效垂向截面积；D为钻头直径；d为切削深度；Q_c为岩石的强度；

所述动力源包括推进机构（4）和转动机构（5）；

所述转动机构（5）沿所述外壳（1）的轴向方向与所述外壳（1）滑动配合，所述转动机构（5）的动力输出端通过至少部分所述数据采集控制器（2）与所述钻头机构（3）连接，以带动所述钻头机构（3）相对于所述外壳（1）转动；

所述推进机构（4）的动力输出端与所述转动机构（5）连接，以带动所述转动机构（5）沿所述外壳（1）的轴向相对于所述外壳（1）移动；

所述钻头机构（3）包括钻头组件（31）,所述钻头组件（31）通过第一转轴（6）与至少部分所述数据采集控制器（2）间传递扭矩；

所述钻头组件（31）与所述第一转轴（6）固定连接；

或者所述钻头组件（31）沿所述第一转轴（6）的轴向与所述第一转轴（6）滑动配合;所述钻头机构（3）还包括保压组件（33），所述保压组件（33）设于所述钻头组件（31）与所述第一转轴（6）之间，所述保压组件（33）用于配合所述动力源保证所述钻头机构（3）以恒压模式钻进；

所述保压组件（33）包括挡板（331）和弹性件（332），所述挡板（331）套装于所述第一转轴（6）上，所述弹性件（332）套设于所述第一转轴（6）的外部，且所述弹性件（332）的两端分别与所述钻头组件（31）和所述挡板（331）相抵。

2.根据权利要求1所述的便携手持式岩石力学参数测试仪器，其特征在于，所述钻头组件（31）与所述第一转轴（6）固定连接时，所述推进机构（4）包括第一电机（41）、第一锥齿轮（42）、第二锥齿轮（43）和丝杆（44）；所述第一电机（41）固装于所述外壳（1）内；所述第一锥齿轮（42）与所述第一电机（41）的动力输出端连接；所述第二锥齿轮（43）围绕所述外壳（1）的轴向与所述外壳（1）转动配合，所述第二锥齿轮（43）与所述第一锥齿轮（42）啮合；所述丝杆（44）的一端沿所述外壳（1）的轴向与所述外壳（1）滑动配合，另一端穿过所述第二锥齿轮（43）与所述转动机构（5）固接，所述丝杆（44）与所述第二锥齿轮（43）螺纹配合。

3.根据权利要求1所述的便携手持式岩石力学参数测试仪器，其特征在于，所述钻头组件（31）包括钻杆（311）和夹头（312），所述夹头（312）通过所述第一转轴（6）与至少部分所述数据采集控制器（2）间传递扭矩，所述钻杆（311）与所述夹头（312）可拆卸连接。

4.一种原位岩石力学参数测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的便携手持式岩石力学参数测试仪器，包括：

将所述钻头机构（3）伸出所述外壳（1）的端部与待测岩石接触贴合，打开装置开关；

钻进过程中，钻头机构（3）与待测岩石保持接触贴合，并以恒速或恒压状态持续钻进至钻头机构（3）中的钻杆（311）完全没入待测岩石；

钻进过程中，所述数据采集控制器（2）采集并记录所述钻头机构（3）钻进时的钻进数据并由显示器显示；

钻进完成后，拆卸所述钻头机构（3）上的钻杆（311），采集钻杆（311）磨损数据。