一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的岩石耐磨性数字钻进测试系统包括用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。本发明专利技术还涉及岩石耐磨性数字钻进测试方法。本发明专利技术通过监测钻具数字响应信息，获取岩石钻进过程的单位钻进位移量，用于评价不同质量岩石的耐磨性，以指导硬岩隧道掘进机合理选用滚刀参数、提高施工效率和降低成本。

A digital drilling test system and method for rock wear resistance

【技术实现步骤摘要】
一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法
本专利技术涉及隧道及地下工程
，尤其涉及不同质量岩石耐磨性的数字钻进测试系统及方法。
技术介绍
全断面掘进机法（TBM）安全、快速掘进逐渐是隧道工程领域的前沿热点问题，在硬岩隧道工程TBM施工过程中，滚刀会因受到岩石反作用而损伤，滚刀寿命和掘进效率往往取决于岩石耐磨性。工程经验表明在掌握岩石耐磨性的情况下，合理设置滚刀刚度和优化滚刀间距，将能够大幅度增加TBM滚刀寿命。而且，TBM施工预测模型通常将岩石耐磨性作为重要参数。因此，预先评价岩石耐磨性，对于TBM隧道合理选用滚刀、提高施工效率、降低成本具有重要意义。目前，广泛应用的岩石耐磨性评估方法是塞查尔试验。这种方法是利用重物加载到钢针上，针尖作用于平整的岩石表面滑动，以磨损后的针尖宽度来评价岩石耐磨性，并命名为CAI。塞查尔试验解决了岩石耐磨性难以测定的问题，在工程起到了积极作用，但实际应用中也反映了一些问题。塞查尔试验需要在显微镜下精细测量钢针磨损后针尖的直径，测量不便利，而且钢针一次性使用后就废弃。一些案例证明了钢针硬度、试验条件和地质力学性能对测试结果有显著影响。此外，用于岩石耐磨性评估的还有挪威的磨损测试法，这种方法是将岩石碾成颗粒直径小于1mm的岩粉，用其摩擦旋转的刀具，以刀具磨损程度判断岩石耐磨性，但是这种方法操作十分复杂，仅用于特隆赫姆挪威科技大学提出的TBM性能分析模型的岩石耐磨性指标。因此，岩石耐磨性的预测是隧道及地下工程领域面临的技术难题。数字钻进技术的发展可为岩石耐磨性测试提供了新思路。钻探是岩土工程中最常用的勘探方法，数字钻进测试技术是利用信息化技术提升和完善钻探技术。大量的现场和室内数字钻进试验表明数字钻进参数与工程岩体力学参数具有很好的相关性。目前岩土
已经成功实现了由钻孔试验获取岩石单轴抗压强度，通过小尺寸钻进试验预测岩石黏聚力和内摩擦角。而且，数字钻进技术还能够应用到岩体原位测试，例如，基于仪器装备的钻孔技术实现了岩层界面辨识和地层质量划分，通过钻进数据的波动性来计算岩体完整性。尽管如此，目前对于不同质量条件的岩石耐磨性的数字钻进技术方面还暂未开展和应用。与此同时，利用数字钻进技术开展快捷、连续和原位测试岩石物理和力学参数的新方法研究具有重要价值。因此，亟待研发一种能够应用TBM法硬岩隧道工程岩石耐磨性的数字钻进试验设备，即一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法。
技术实现思路
本专利技术公开了一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法，通过推进扭矩、推进压力和钻进位移等监测钻具数字响应信息，获取岩石钻进过程的单位时间的钻进位移，用于计算岩石的耐磨性，以指导硬岩隧道掘进机合理选用滚刀参数、提高施工效率和降低成本。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种岩石耐磨性数字钻进测试系统包括：用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。通过采用上述技术方案，克服了传统钻进装置中转动部分在上部产生的问题，即，上部结构复杂，使得挠度大、容易偏离中心线摆动，而像本专利技术这样把转动装置设置到下部就会简化结构并使整个测试系统更稳定。进一步地，所述数字钻进装置包括钻头、钻杆、夹持件、加压泵、加压伸缩头、移动平台和导轨，其中加压泵安装在移动平台的顶部的上表面上，加压伸缩头安装在移动平台的顶部的下表面上并与加压泵连接，导轨安装在移动平台的顶部和底部之间，夹持件安装在导轨上并能沿导轨运动，钻杆固定设置在夹持件上，钻头设置在钻杆的下端。进一步地，岩石固定装置包括底座、紧固件和卡槽，其中紧固件和卡槽均设置在底座上，紧固件和卡槽通过螺栓连接，以便将待测试的岩石卡紧。进一步地，转动装置包括电机和转动盘，其中电机设置为能驱动转动盘转动，转动盘设置为能使卡槽以及固定在卡槽内的岩石一起转动。进一步地，数字传感器包括：安装在钻杆上用于监测钻杆扭转状态的扭矩传感器；安装在导轨上用于监测加压泵向下施加竖向力的压力传感器；以及安装在移动平台上用于监测钻头进尺的位移传感器。进一步地，机架包括水平支架、竖直支架、斜支架以及用于固定整个岩石耐磨性数字钻进测试系统的底座支架，其中水平支架水平地设置在底座支架上部；竖直支架竖直地设置在水平支架上；斜支架连接在水平支架和竖直支架上。进一步地，竖直支架包括横梁，其中横梁与移动平台连接，以便横梁与移动平台一起在竖直支架上上下移动。本专利技术的另一目的在于还提供一种利用岩石耐磨性数字钻进测试系统对岩石进行耐磨性测试的测试方法，其包括以下操作步骤：步骤1，调节机架的水平状态和竖直状态；步骤2，将待测试的岩石固定在岩石固定装置上；步骤3，启动并调节数字钻进装置；步骤4，启动数字传感器；步骤5，启动转动装置，使岩石以一定转动角速度运转一定时间；以及步骤6，获得传感器的输出数据，以便计算岩石的耐磨性的参数。进一步地，步骤1包括：调节底座支架使底座能够保持水平状态；调节竖直支架和水平支架使导轨保持竖直状态；步骤2包括：将岩石放置并侧面紧贴至卡槽，用紧固件压紧岩石和卡槽，用螺栓使岩石固定紧，上下和前后推动和扭动岩石确保不会发生滑动或转动；步骤3包括：调节横梁至合适高度，使钻头的底部和岩石的顶部处以同一水平面，同时，调节移动平台的位置，使钻头与岩石的中心线尽量重合；以及接通加压泵电源，加压伸缩头产生竖向位移，使钻头底部压紧岩石的中心位置，接通电机的电源；步骤4包括：启动扭矩传感器监测钻头在旋转过程中的扭转力，运行压力传感器监测加压泵产生的竖向压力，运行位移传感器监测钻进孔的深度，同时检查扭矩、压力和位移的数据输出是否正常；步骤5包括：启动转动盘，使岩石开始稳定转动，钻头向下钻进，实时采集和保存推进扭矩、推进压力和钻进位移等钻具响应信息。进一步地，步骤6包括：根据钻具响应信息计算岩石钻进过程的单位钻进位移量，利用单位钻进位移量和耐磨性的关系：，插值计算岩石的耐磨性的参数。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的岩石耐磨性数字钻进测试系统，操作简单，能通过数字钻进装置、岩石固定装置和转动装置实现钻头在岩石中的稳定钻进，并通过数字传感器实时获取压力、扭矩和位移岩石钻进参数，用于评价岩石的耐磨性。而且钻杆、钻头及数字传感器等组件均可以重复利用，使得测试岩石耐磨性测试的成本较低，具有良好经济效益。获取的岩石耐磨性参数对于TBM法硬岩隧道合理选用滚刀参数、选定滚刀间距、提高施工效率、降低成本具有重要意义。附图说明图1是本专利技术的岩石耐磨性数字钻进测试系统透视图。图2是本专利技术的岩石耐磨性数字钻进测试系统侧视图。图3是本专利技术的岩石耐磨性数字钻进测试系统正视图。图4是本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，包括：用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，/n其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。/n

【技术特征摘要】
1.一种岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，包括：用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，
其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。


2.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述数字钻进装置包括钻头（1）、钻杆（2）、夹持件（3）、加压泵（4）、加压伸缩头（5）、移动平台（6）和导轨（7），其中加压泵（4）安装在移动平台（6）的顶部的上表面上，加压伸缩头（5）安装在移动平台（6）的顶部的下表面上并与加压泵（4）连接，导轨（7）安装在移动平台（6）的顶部和底部之间，夹持件（3）安装在导轨（7）上并能沿导轨运动，钻杆（2）固定设置在夹持件（3）上，钻头（1）设置在钻杆（1）的下端。


3.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述岩石固定装置包括底座（12）、紧固件和卡槽（9），其中紧固件和卡槽（9）均设置在底座（12）上，紧固件和卡槽（9）通过螺栓连接，以便将待测试的岩石卡紧。


4.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述转动装置包括电机（13）和转动盘（14），其中电机（13）设置为能驱动转动盘（14）转动，转动盘（14）设置为能使卡槽（9）以及固定在卡槽（9）内的岩石（8）一起转动。


5.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述数字传感器包括：安装在钻杆（2）上用于监测钻杆扭转状态的扭矩传感器（15）；安装在导轨（7）上用于监测加压泵（4）向下施加竖向力的压力传感器（16）；以及安装在移动平台（6）上用于监测钻头（1）进尺的位移传感器（17）。


6.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述机架包括水平支架（19）、竖直支架（20）、斜支架（21）以及用于固定整个岩石耐磨性数字钻进测试系统的底座支架（24），其中水平支架（19）水平地设置在底座支架（24）上部；竖直支架（20）竖直地设置在水平支架（19）上；斜支架（21）连接在水平支架（19）和...

【专利技术属性】
技术研发人员：司富安，王玉杰，曹瑞琅，许仙娥，段世委，赵宇飞，刘立鹏，李坤，
申请(专利权)人：水利部水利水电规划设计总院，江河水利水电咨询中心，
类型：发明
国别省市：北京;11