岩体强度参数钻进实时测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种岩体强度参数钻进实时测量系统，用于岩土工程中岩体力学参数的原位测试，属于岩土工程勘测技术领域。本发明专利技术所述系统包括数据采集系统和数据分析系统，通过数据采集系统获取钻机工作时钻柱上的轴压力、排碴流量、钻头位移、钻柱转速、力矩以及钻柱上的轴向加速度；通过分析单元，获取岩体强度参数。该系统可用于旋转钻机，在破坏式钻进中获得岩体抗压强度、抗剪强度、杨氏模量、波松比、内摩擦角及内聚力，实现钻进过程中岩体强度参数的实时、连续确定，并生成上述参数随孔深变化曲线及钻孔柱状剖面图。该系统解决了室内测试不准确的限制，无须取样、加工及室内测试，易于安装，操作简单，自动化程度及测试精度高。

【技术实现步骤摘要】
岩体强度参数钻进实时测量系统
本专利技术属于岩土工程勘测
，涉及一种岩体强度参数钻进实时测量系统，用于岩土工程中岩体力学参数的原位测试。
技术介绍
目前，在地质及岩土工程等勘察中，获取岩体强度参数的常规方法是通过钻探取样，然后按照一定试验标准加工成试样，在材料试验机上进行测试，获取其强度参数。但这样获取的强度指标通常是岩石而非岩体的强度指标，因此须对岩石强度进行折减以求得岩体强度指标。但这样获得的岩体强度指标是一个估计值，通常为岩石强度的1/7-/1/15，波动很大，难以准确确定，误差大。为了获得原位条件下的岩体强度参数，除上述方法外，还采用耦合测试和原位测试方法来获得。耦合测试是采用三轴材料试验机，通过对原位条件下的压力、温度及渗流等进行耦合模拟，以获得岩体强度参数。如美国MTS系列以及国产TAW系列材料模拟测试系统。但耦合测试受到两个方面的限制：(1)试件尺寸。较小的岩石试样一般为完整试样，难以反映岩体复杂的节理、层理等结构面。(2)耦合条件难以确定。岩体所处温度、应力等条件通常根据经验判断。这样，使得耦合测试结果难以表征原位情况下的岩体强度。此外，耦合测试对试件加工要求等非常严苛，试验成本很高。原位测试方法要求先在测试点凿掘硐室，加工岩体试块，然后通过试验装置/设施进行现场测试。岩体强度原位测试方法的主要缺点是：(1)前期准备工程量大，测试装备/设施笨重，安装困难，试验条件受限；(2)前期扰动大；(3)测试参数有限。如现场直剪试验。同样，难以保证真实的原位条件，难以保证参数的准确性，且测试成本很高。本专利技术基于旋转钻进岩石破碎原理，通过采集钻孔机或钻探机的钻进工作参数，通过分析建立岩体主要强度参数的确定方法，并实现强度参数随孔深或地层的变化，生成岩体强度参数的钻孔柱状图。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供克服现有岩体强度参数测试不准确、测试工作量大、耗时长、非连续、费用高等局限性的岩体强度参数实时测试系统。本专利技术所述岩体强度参数钻进实时测量系统，其特征在于，该系统包括数据采集系统和数据分析系统。所述数据采集系统包括数据感应单元和数据放大、转换与集成单元；所述数据感应单元，由压力传感器，流量传感器，位移传感器，加速度传感器，转速传感器，扭矩传感器构成；其中，所述压力传感器用于采集钻机钻柱及钻头的前进或后退产生动力荷载时的液体或气体压力，所产生的电信号输出为电信号；所述流量传感器用于采集钻进液的流量，所产生的电信号通过标定输出为电信号；所述位移感器用于采集柱(钻头)的轴向位移及轴向速度的变化；输出信号为位移；所述加速度传感器用于监测钻机在旋转钻进过程中，在钻柱轴向所产生的振动加速度，输出电信号；所述转速传感器用于监测钻机在钻进过程中，钻柱及钻头的旋转速度，输出信号为转速；所述扭矩传感器为动态扭矩传感器，用于监测钻机在旋转钻进过程中在钻柱及钻头上产生的扭矩，输出为电信号；以上传感器均为数字式传感器，其中输出的电信号，可以设置为电压、电阻及电流，分别为mv、mΩ及mA，通过标定为相应的直接可读物理量。位移、转速输出为直接可读物理量，属系统前置参数，在测试时仍需进行标定和校验。钻速由分析单元通过钻柱/钻头位移的时间关系计算获得。所述数据采集单元，由放大器、数字应变仪和数据集成盒构成；其中，所述电信号均为数字信号，经所述放大器放大后通过所述数字应变仪进入所述数据集成盒，所述钻头位移及转速信号直接进入数据集成盒，进行数据集成然后上传到所述数据分析单元；所述数据分析单元，由计算机，打印机和外部显示单元组成，所述计算机通过程序对所述信号数据进行分析、存储和输出，并实时生成数据表和图形。所述放大器与所述数字应变仪采用CR-655接口电缆传输数据，所述数字应变仪与所述数据集成盒通过RS-232C接口电缆传输数据，所述数据集成盒与数据分析单元采用CR-553B接口电缆传输数据。所述数字应变仪的工作电压为12V。所述数据集成盒的工作电压为12V。本专利技术的有益效果是，由于采用上述技术方案，该系统通过数据感应单元和数据采集单元获取钻机工作时钻柱上的轴压力、钻孔排碴流量、钻头位移、钻柱及钻头转速、钻柱力矩以及钻柱上的轴向加速度；通过分析单元，对钻头钻进过程中的受力、能量及岩石破坏机理进行分析，获取岩体强度参数。该系统可用于一切旋转钻探机及钻孔机，在破坏式钻进中获得原位条件下岩体抗压强度、抗剪强度、杨氏模量、波松比、内摩擦角及内聚力，实现钻进过程中岩体强度参数的实时、连续确定，并生成上述参数随孔深变化曲线及强度参数可视化钻孔柱状剖面图。该系统无须取样、加工及室内测试，易于安装，操作简单，自动化程度及测试精度高。附图说明图1是本专利技术岩体强度参数钻进实时测量系统的系统构造图；图2是本专利技术在实例中压力传感器的连接图。图3是本专利技术在实例中转速传感器的布置图。图4是本专利技术在实例中钻头位移传感器的布置图。图5是本专利技术在实例中钻柱扭矩传感器的布置图。图6是本专利技术在实例中钻柱轴向加速度传感器的布置图。图7是本专利技术在实例中数据分析系统功能模块图。图中：1.驱动马达10.压力表2.减速箱11.压力传感器3.滑块12.信号线缆4.减速箱输出轴13.连接头5.钻杆14.转速传感器6.钻头15.位移传感器7.传动部16.光束8.标准靶17.扭矩传感器9.压力阀18.加速度传感器具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。如图1所示，本专利技术岩体强度参数钻进实时测量系统，该系统包括数据采集系统和数据分析系数，其中数据采集系统由数据感应单元和数据放大转换与集成单元；数据感应单元包括压力传感器P，用来监测钻机在钻柱轴向上产生荷载时的液体或气体压力。对于液压旋转式钻机，荷载包括钻柱沿钻架钻进或退出运动的压力，即轴压力和调压力；一般需要2个压力传感器，作用于钻柱的荷载与钻孔方式有关，视钻孔机或钻探机的类型会有所改变。在岩土工程钻进中，一般采用气动或液压驱动。但流体介质的改变，一般只会改变压力幅值及动力效率，而监测原理相同。不同之处是液压驱动的压力通常比气动时高出数倍到数十倍。因此，不同的驱动方式，选择的压力传感器的量测范围会有所变化；流量传感器Q主要用来测量钻进液的流量；加速度传感器a主要用于监测钻机的轴向振动，通过分析振动及钻进液的变化情况可以判断地层的变化，借助其他手段可以进一步判断地层岩性；转速传感器用来监测钻柱(钻头，下同)的转速；位移传感器用来监测钻柱的位置变化和在钻柱轴向的钻进位移；扭矩传感器用以监测钻柱上力矩的变化；所述各传感器感测获得的数据上传到数据采集单元的放大与集成单元。放大器用以将电信号放大，它通过CR-655接口电缆与数字式应变仪相连，并通过RS-232C接口电缆将数据输入到数据集成盒；数据集成盒，将感应单元输入的数据进行集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩体强度参数钻进实时测量系统，其特征在于，该系统包括数据数据采集系统和数据分析系统；/n所述数据采集系统包括数据感应单元和数据放大及集成单元，数据采集单元由压力传感器，流量传感器，转速传感器，位移传感器，扭矩传感器，加速度传感器构成；所述传感器均为数字式传感器；/n所述数据放大与集成单元，由放大器、数字应变仪和数据集成盒构成；其中，所述传感器的电信号通过放大器传输到数字应变仪进入所述数据集成盒，所述位移、转速信号经直接进入所述数据集成盒，所有数据信号经集成后上传到所述数据分析单元；/n所述数据分析单元，由计算机及其它终端构成，所述计算机通过程序对所述数据分析、存储和输出，对钻进过程中岩体强度参数进行实时、连续测试。/n

【技术特征摘要】
1.一种岩体强度参数钻进实时测量系统，其特征在于，该系统包括数据数据采集系统和数据分析系统；
所述数据采集系统包括数据感应单元和数据放大及集成单元，数据采集单元由压力传感器，流量传感器，转速传感器，位移传感器，扭矩传感器，加速度传感器构成；所述传感器均为数字式传感器；
所述数据放大与集成单元，由放大器、数字应变仪和数据集成盒构成；其中，所述传感器的电信号通过放大器传输到数字应变仪进入所述数据集成...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭卓英，刘文静，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11