本发明专利技术公开了一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置，其包括锥形头、前气囊舱、管体、划痕机构、动力舱、后气囊舱以及充气管路、线缆管路，所述装置管体内安装有螺纹传动轴，通过螺纹传动实现划痕机构的直线运动，所述划痕机构通过伺服电缸实现对划痕法向力的精准控制，通过激光测距传感器实现对划痕深度的准确测量，并利用传输控制模块记录、输出划痕试验数据，实现对岩体可切割性参数的原位测试。基于该装置，本发明专利技术还提供一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测方法，利用基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置实现岩体可切割性的量化评估与三维可视化表征。切割性的量化评估与三维可视化表征。切割性的量化评估与三维可视化表征。
【技术实现步骤摘要】
一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置与方法
[0001]本专利技术涉及机械破岩
，尤其涉及一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置与方法。
技术介绍
[0002]传统的钻爆法施工在地下工程领域拥有着广泛的应用，但采用钻爆法施工所带来的一系列弊端也在日益凸显。例如，钻爆法施工会导致岩体的剧烈扰动，容易诱发岩爆等岩体动力灾害，还会带来高浓度粉尘，不利于工人健康作业。而相对于传统的钻爆法，基于机械刀具破岩的非爆机械化破岩技术具有扰动小、安全性高、绿色环保等优点，将是未来岩体工程开挖掘进的重要发展方向。
[0003]岩体可切割性是衡量岩体机械切割难易程度的关键指标，对其进行原位精准感知是掘进机型号优选、掘进机破岩参数调控、难开挖区域识别的基础。自然状态下，岩体内部存在各种各样的结构面，使得岩体具有非连续性、各向异性、非均匀性特征，以致岩体可切割性时空变化大，而目前尚缺乏岩体可切割性超前感知装备与技术，使得掘进机掘进参数(推进力、扭矩等)难以实现实时精细调控。此外，硬质岩石强度高、磨蚀性高、可切割性差，使得掘进机具损耗大、掘进效率低下，同样因为难以原位评估岩体可切割性，使得硬岩预裂提升可切割性无法精准实施，严重制约非爆机械破岩的规模化应用。因此，实现岩体可切割性原位精准感知，是保障岩体工程机械化、智能化掘进的前提。
[0004]当前，国内外学者提出了多种指标以评价岩体(石)可切割性，如破岩峰值荷载、峰值压痕深度、破岩比能等，但以上参数通常需要现场取样并通过室内试验获得，存在如下明显缺陷：(1)取样和室内测试往往需要耗费大量的人力、物力和时间成本；(2)只能提供取样位置少量的区域岩石信息，无法通过连续采样以获得岩体可切割性的三维空间变化规律；(3)取样时已破坏了岩石的原位环境(含水、地应力、温度、渗透压等)，以致室内试验结果无法精确反映原位岩体的可切割性。近年来，随着各类岩土体力学性质原位测试技术的发展，已经实现了岩体强度、内聚力、摩擦角等力学参数的原位评价，为岩体可切割性原位感知带来了曙光。
[0005]与室内破岩试验不同的是，岩石划痕试验是非破坏性试验，具有施加载荷小、扰动小等特点，更适合应用于原位监测。因此，若能获取岩体原位划痕参数，通过建立划痕参数与可切割性的联系，进而实现对岩体可切割性的监测与评估，将解决上述传统参数评估方法所暴露的系列缺陷。为了解决上述问题，实现对岩体可切割性原位监测与可视化表征，为掘进机优选、破岩参数精细调控及难开挖区域岩体可切割性精准改善提供关键理论支撑，进而保障岩体安全高效破碎与掘进，本专利技术提供一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置与方法。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置与方法，旨在通过岩
体可切割性原位监测装置实现对原位岩体可切割性的可视化表征，指导岩体工程现场施工时准确掌握前方岩体的可切割性变化，精准定位难开挖区域，实现对难开挖区域岩体的针对性改性，推动机械破岩技术的应用，提高机械破岩效率。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置，其特征在于，包括锥形头、前气囊舱、管体、划痕机构、动力舱、后气囊舱以及充气管路和线缆管路，所述锥形头、前气囊舱、管体、动力舱、后气囊舱为依次连接，所述管体呈中空形状，管体内部通过设置十字封隔板将内部空间均匀分为四部分，所述管体外壁上对应四部分空间处开设有四个相邻互呈90
°
的槽孔，封隔板与相邻槽孔间互呈45
°
，每部分独立空间内均安装有一螺纹传动轴，在每部分独立空间内的封隔板上还铺设有一条滑触线，所述划痕机构设置有四个，分别通过四个槽孔伸出管体外，并分别沿着槽孔做直线运动，十字封隔板中心沿管体中心线上贯穿有一条充气管路。
[0009]进一步地，所述前气囊舱由前充气室、前环形气囊组成，所述后气囊舱由后充气室、后环形气囊组成，所述环形气囊安装在充气室外，环形气囊与充气室之间开设有注气孔。
[0010]进一步地，所述划痕机构由扇形传动器以及设置于扇形传动器上的伺服电缸、传感适配构件、切割头组成，所述扇形传动器截面形状匹配管体内部各独立空间的横截面形状，扇形传动器中心开设有与螺纹传动轴相适配的螺纹孔，螺纹传动轴一端穿过扇形传动器后，连接动力舱内的微型电动机，另一端活动连接前气囊舱充气室的壁板，所述扇形传动器上还设置有供滑触线通过的通孔，滑触线所产生的电能可通过扇形传动器内部的传输线路传送至伺服电缸，所述伺服电缸连接在扇形传动器径向表面的中心。
[0011]进一步地，所述传感适配构件由元件舱、切割头适配器组成，所述元件舱上下两端均开设壁面螺纹，内置传输控制模块、电源模块、激光测距传感器，各部分通过隔板隔开，隔板中间均开设有导线孔，传输控制模块、电源模块、激光测距传感器间通过导线孔实现互联，在传感适配构件表面开设有激光孔，所述激光测距传感器射线端通过激光孔对准伺服电缸上表面，所述切割头适配器上下两端也均开设壁面螺纹，上部为内部带有螺纹的圆柱形凹槽，凹槽可与不同切割头相适配，下部与元件舱上端螺纹连接，所述伺服电缸在丝杠端部开有螺纹孔，元件舱下端与丝杠端部螺纹连接。
[0012]进一步地，所述充气管路一端连通前气囊舱的充气室，一端经动力舱和后气囊舱的充气室中心通向外界以作为充气接口，在后气囊舱的充气室内设置有连接充气管路的分管路。
[0013]进一步地，所述动力舱与管体连接的一侧舱壁上开设供四根螺纹传动轴和滑触线经过的孔洞，所述螺纹传动轴和滑触线经过孔洞后，所述螺纹传动轴端部置于所述动力舱内分别对应安设四台微型电动机，所述线缆管路从动力舱内开始沿管体中线延伸经后气囊舱的充气室后伸至装置外，线缆管路内布置有供给电动机、滑触线交流电的导线，所述充气管路在动力舱和后充气室内的一段管路布置于线缆管路内。
[0014]进一步地，岩体可切割性原位监测装置在工作中，可以通过前后环形气囊实现在钻孔内的调平以及定位，保证装置划痕过程的流畅与稳定。装置通过螺纹传动实现划痕机构的直线运动，划痕机构通过伺服电缸实现对划痕法向力的精准控制，通过激光测距传感
器实现对划痕深度的准确测量，并利用传输控制模块记录、输出划痕试验数据，实现对岩体可切割性参数的原位测试。
[0015]进一步地，在测定以及固定划痕深度时，以切割头触碰到孔壁岩体，伺服电缸内部力传感器产生数据开始，激光测距传感器开始记录伺服电缸丝杠的伸缩量，该量即为划痕深度。
[0016]本专利技术还提供一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测方法，其采用上述的岩体可切割性原位监测装置，包括如下步骤：
[0017]1)在待测岩体上钻孔，布置孔阵，并提前清理孔内的残留岩屑，保证孔壁的整洁，以避免岩屑对测试结果产生影响；
[0018]2)根据机械破岩特征选择对应的切割头，完成岩体可切割性原位监测装置的组装与替换；
[0019]3)将岩体可切割性原位监测装置推入孔内，通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置，其特征在于，包括锥形头、前气囊舱、管体、划痕机构、动力舱、后气囊舱以及充气管路和线缆管路，所述锥形头、前气囊舱、管体、动力舱、后气囊舱为依次连接，所述管体呈中空形状，管体内部通过设置十字封隔板将内部空间均匀分为四部分，所述管体外壁上对应四部分空间处开设有四个相邻互呈90
°
的槽孔，封隔板与相邻槽孔间互呈45
°
，每部分独立空间内均安装有一螺纹传动轴，在每部分独立空间内的封隔板上还铺设有一条滑触线，所述划痕机构设置有四个，分别通过四个槽孔伸出管体外，并分别沿着槽孔做直线运动，十字封隔板中心沿管体中心线上贯穿有一条充气管路。2.根据权利要求1所述的一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置，其特征在于，所述前气囊舱由前充气室、前环形气囊组成，所述后气囊舱由后充气室、后环形气囊组成，所述环形气囊安装在充气室外，环形气囊与充气室之间开设有注气孔。3.根据权利要求2所述的一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置，其特征在于，所述划痕机构由扇形传动器以及设置于扇形传动器上的伺服电缸、传感适配构件、切割头组成，所述扇形传动器截面形状匹配管体内部各独立空间的横截面形状，扇形传动器中心开设有与螺纹传动轴相适配的螺纹孔，螺纹传动轴一端穿过扇形传动器后，连接动力舱内的微型电动机，另一端活动连接前气囊舱充气室的壁板，所述扇形传动器上还设置有供滑触线通过的通孔，滑触线所产生的电能可通过扇形传动器内部的传输线路传送至伺服电缸，所述伺服电缸连接在扇形传动器径向表面的中心。4.根据权利要求3所述的一种基于孔壁触探的岩体可切割性原位监测装置，其特征在于，所述传感适配构件由元件舱、切割头适配器组成，所述元件舱上下两端均开设壁面螺纹，内置传输控制模块、电源模块、激光测距传感器，各部分通过隔板隔开，隔板中间均开设有导线孔，传输控制模块、电源模块、激光测距传感器间通过导线孔实现互联，在传感适配构件表面开设有激光孔，所述激光测距传感器射线端通过激光孔对准伺服电缸上表面，所述切割头适配器上下两端也均开设壁面螺纹，上部为内部带有螺纹的圆柱形凹槽，凹槽可与不同切割头相适配，下部与元件舱上端螺纹连接，所述伺服电缸在丝杠端部开有螺纹孔，元件舱下端与丝杠端部螺纹连接。5.根据权利要求1所述的一种基于孔壁...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡鑫，袁纪锋，王少锋，周子龙，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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