一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置及其使用方法，该装置包括底座、轴向动力部件、压旋机构、传感器组件和计算机，轴向动力部件包括顶板和四个液压缸，底座的顶面设置有圆柱台座，圆柱台座上设置有供煤岩试样安装的夹具座，压旋机构包括旋转动力部件和压旋部件，轴向动力部件对压旋部件施加向下的压力，旋转动力部件带动压旋部件旋转；该方法包括以下步骤：一、煤岩试样的安装及PDC刀头初调节；二、根据轴向压力与抗压强度间理论关系获取单轴抗压强度；三、根据扭矩与抗剪强度间理论关系获取煤岩的抗剪强度。本发明专利技术可以快速测定煤岩抗压、抗剪强度，极大地提高了试验效率。验效率。验效率。

【技术实现步骤摘要】
一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置及其使用方法


[0001]本专利技术属于岩土工程钻探
，尤其是涉及一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置。

技术介绍

[0002]煤岩基本弹性力学参数是影响工程稳定性的重要因素，其包括单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角、抗剪强度。随着获取煤岩基本弹性力学参数的试验仪器不断改进、精度不断提高，在很大程度上保证了工程的安全性和合理性。因此获取煤岩的基本弹性力学参数是一项非常有意义的工作。目前，对于煤岩基本弹性力学参数的测定方法主要是进行室内试验，即从施工现场采集煤岩并加工成试件，通过岩石单轴抗压强度试验机测定其单轴抗压强度；通过三轴试验机测定其抗剪强度。
[0003]但是目前这种测定煤岩基本弹性力学参数还存在以下弊端如下：
[0004]第一，试验次数多，试验过程繁琐复杂，费时费力；
[0005]第二，测定不同的参数需要特定的仪器，如岩石单轴抗压强度试验机、三轴试验机等。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其结构简单，设计合理，可以快速测定煤岩抗压、抗剪强度，操作简单，无需使用其他特定仪器，极大地提高了试验效率。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：包括底座、轴向动力部件、压旋机构、传感器组件和计算机；
[0008]所述轴向动力部件包括与底座上下平行布设的顶板和四个连接底座与顶板之间的液压缸，所述底座的顶面设置有圆柱台座，所述圆柱台座上设置有供煤岩试样安装的夹具座；
[0009]所述压旋机构包括安装在所述顶板上的旋转动力部件和与所述旋转动力部件传动连接的压旋部件，所述旋转动力部件和压旋部件同轴布设；所述轴向动力部件对所述压旋部件施加向下的压力，所述旋转动力部件带动所述压旋部件旋转，所述压旋部件在所述轴向动力部件和旋转动力部件共同作用下向下旋进煤岩试样。
[0010]上述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述传感器组件包括用于测量所述压旋部件向下旋进煤岩试样内所受到的轴向压力的压力传感器、用于测量所述压旋部件向下旋进煤岩试样内所受到的扭矩的扭矩传感器和用于测量所述压旋部件向下旋进煤岩试样的深度的钻进位移传感器，所述压力传感器、扭矩传感器和钻进位移传感器均与所述计算机连接。
[0011]上述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述底座底面设置有四个支腿，四个支腿位于所述底座底面四角，四个所述液压缸位于底座与顶板的四
角布设；所述底座顶面、顶板底面和四个所述液压缸之间围成安装空腔。
[0012]上述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述旋转动力部件包括设置在所述顶板上的中空电机和穿设在所述中空电机中的旋转压杆，所述旋转压杆的底端穿过顶板的底端。
[0013]上述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述压旋部件包括与所述旋转动力部件传动连接的竖向杆、设置在所述竖向杆底端的压旋刀架和两个对称设置在所述压旋刀架底部的PDC刀头，所述压旋刀架为U形板，所述压旋刀架中设置有两个供安装PDC刀头的安装槽，所述PDC刀头的杆部伸入所述安装槽中且通过螺栓连接，所述PDC刀头的底面伸出压旋刀架的底面。
[0014]上述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述扭矩传感器传动安装在所述旋转动力部件与所述竖向杆之间，所述钻进位移传感器安装在所述压旋刀架顶面，所述压力传感器安装在圆柱台座中。
[0015]同时，提供了一种方法简单，设计合理的测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0016]步骤一、煤岩试样的安装及PDC刀头初调节：
[0017]步骤101、将煤岩试样安装在夹具座上；
[0018]步骤102、通过所述轴向动力部件和所述旋转动力部件带动压旋部件向下移动，直至压旋部件中PDC刀头的底面距离煤岩试样的顶面的间距为0.1mm～0.5mm；
[0019]步骤103、压力传感器测量获取初始压力P0发送至计算机，钻进位移传感器测量获取初始位移S0发送至计算机；
[0020]步骤二、根据轴向压力与抗压强度间理论关系获取单轴抗压强度：
[0021]步骤201、通过所述轴向动力部件和所述旋转动力部件带动压旋部件继续向下移动，压旋部件中PDC刀头对煤岩试样进行不同轴向压力模拟加载直至煤岩试样破坏；
[0022]步骤202、在压旋部件中PDC刀头对煤岩试样进行轴向压力加载直至煤岩试样破坏的过程中，压力传感器实时检测并将测量到的N个压力发送至计算机，钻进位移传感器实时检测并将测量到的N个位移发送至计算机；其中，第i个压力记作P
i
，第i个位移记作S
i
，i和N均为正整数，且1≤i≤N；
[0023]步骤203、计算机根据p
i
＝P
i
‑
P0，得到第i个轴向压力p
i
；根据d
i
＝S
i
‑
S0，得到第i个旋进深度d
i
；
[0024]步骤204、多次重复步骤203，得到N个轴向压力和N个旋进深度；
[0025]步骤205、采用所述计算机调用曲线绘制模块，以旋进深度d
i
为横坐标，以轴向压力p
i
为纵坐标，绘制出步骤204中N个轴向压力和N个旋进深度的各个点，并采用一次函数拟合得到旋进深度和轴向压力直线上的斜率记作比例系数K；
[0026]步骤206、采用计算机根据得到煤岩的单轴抗压强度q；其中，a为第一拟合系数，b为第二拟合系数；
[0027]步骤三、根据扭矩与抗剪强度间理论关系获取煤岩的抗剪强度：
[0028]步骤301、按照步骤101至步骤103所述的方法，扭矩传感器测量获取初始扭矩F0发送至计算机；
[0029]步骤302、采用所述计算机建立旋进扭矩和抗剪强度的关系式如下：其中，R为PDC刀头最外侧到两个PDC刀头连线中心的距离，ω表示一个PDC刀头的直径，d
′
为PDC刀头的旋进深度，θ为PDC刀头中心线与煤岩试样之间的倾斜夹角，∫dr表示积分符号，r表示积分自变量；σ
s
为抗剪强度，f表示旋进扭矩；
[0030]步骤303、在d
′
取值为0.5mm，0.6mm、0.7mm和0.8mm时，根据旋进扭矩和抗剪强度的关系式，得到煤岩的抗剪强度
[0031]上述的使用方法，其特征在于：在进行步骤一之前，先获取步骤206中第一拟合系数a和第二拟合系数b，具体获取过程如下：
[0032]步骤A、采用单轴抗压强度试验仪测得不同类型的煤岩的单轴抗压强度，获取M个煤岩的单轴抗压强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：包括底座(2)、轴向动力部件、压旋机构、传感器组件和计算机；所述轴向动力部件包括与底座(2)上下平行布设的顶板(3)和四个连接底座(2)与顶板(3)之间的液压缸(1)，所述底座(2)的顶面设置有圆柱台座(9)，所述圆柱台座(9)上设置有供煤岩试样(16)安装的夹具座(4)；所述压旋机构包括安装在所述顶板(3)上的旋转动力部件和与所述旋转动力部件传动连接的压旋部件(6)，所述旋转动力部件和压旋部件(6)同轴布设；所述轴向动力部件对所述压旋部件(6)施加向下的压力，所述旋转动力部件带动所述压旋部件(6)旋转，所述压旋部件(6)在所述轴向动力部件和旋转动力部件共同作用下向下旋进煤岩试样。2.按照权利要求1所述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述传感器组件包括用于测量所述压旋部件(6)向下旋进煤岩试样内所受到的轴向压力的压力传感器(11)、用于测量所述压旋部件(6)向下旋进煤岩试样内所受到的扭矩的扭矩传感器(12)和用于测量所述压旋部件(6)向下旋进煤岩试样的深度的钻进位移传感器(13)，所述压力传感器(11)、扭矩传感器(12)和钻进位移传感器(13)均与所述计算机(15)连接。3.按照权利要求1所述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述底座(2)底面设置有四个支腿(8)，四个支腿(8)位于所述底座(2)底面四角，四个所述液压缸(1)位于底座(2)与顶板(3)的四角布设；所述底座(2)顶面、顶板(3)底面和四个所述液压缸(1)之间围成安装空腔。4.按照权利要求1所述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述旋转动力部件包括设置在所述顶板(3)上的中空电机(10)和穿设在所述中空电机(10)中的旋转压杆(5)，所述旋转压杆(5)的底端穿过顶板(3)的底端。5.按照权利要求1所述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述压旋部件(6)包括与所述旋转动力部件传动连接的竖向杆(6
‑
1)、设置在所述竖向杆(6
‑
1)底端的压旋刀架(6
‑
2)和两个对称设置在所述压旋刀架(6
‑
2)底部的PDC刀头(7)，所述压旋刀架(6
‑
2)为U形板，所述压旋刀架(6
‑
2)中设置有两个供安装PDC刀头(7)的安装槽，所述PDC刀头(7)的杆部伸入所述安装槽中且通过螺栓连接，所述PDC刀头(7)的底面伸出压旋刀架(6
‑
2)的底面。6.按照权利要求5所述的一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置，其特征在于：所述扭矩传感器(12)传动安装在所述旋转动力部件与所述竖向杆(6
‑
1)之间，所述钻进位移传感器(13)安装在所述压旋刀架(6
‑
2)顶面，所述压力传感器(11)安装在圆柱台座(9)中。7.一种测定煤岩基本弹性力学参数的随钻装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、煤岩试样的安装及PDC刀头初调节：步骤101、将煤岩试样(16)安装在夹具座(4)上；步骤102、通过所述轴向动力部件和所述旋转动力部件带动压旋部件(6)向下移动，直至压旋部件(6)中PDC刀头(7)的底面距离煤岩试样的顶面的间距为0.1mm～0.5mm；步骤103、压力传感器(11)测量获取初始压力P0发送至计算机(15)，钻进位移传感器(13)测量获取初始位移S0发送至计算机(15)；步骤二、根据轴向压力与抗压强度间理论关系获取单轴抗压强度：
步骤201、通过所述轴向动力部件和所述旋转动力部件带动压旋部件(6)继续向下移动，压旋部件(6)中PDC刀头(7)对煤岩试样进行不同轴向压力模拟加载直至煤岩试样破坏；步骤202、在压旋部件(6)中PDC刀头(7)对煤岩试样进行轴向压力加载直至煤岩试样破坏的过程中，压力传感器(11)实时检测并将测量到的N个压力发送至计算机(15)，钻进位移传感器(13)实时检测并将测量到的N个位移发送至计算机(15)；其中，第i个压力记作P
i
，第i个位移记作S
i
，i和N均为正整数，且1≤i≤N；步骤203、计算机(15)根据p
i
＝P
i
‑
P0，得到第i个轴向压力p
i
；根据d
i
＝S
i
‑
S0，得到第i个旋进深度d
i
；步骤204、多次重复步骤203，得到N个轴向压力和N个旋进深度；步骤205、采用所述计算机(15)调用曲线绘制模块，以旋进深度d
i
为横坐标，以轴向压力p
i
为纵坐标，绘制出步骤204中N个轴向压力和N个旋进深度的各个点，并采用一次函数拟合得到旋进深度和轴向压力直线上的斜率记作比例系数K；步骤206、采用计算机(15)根据得到煤岩的单轴抗压强度q；其中，a为第一拟合系数，b为第二拟合系数；步骤三、根据扭矩与抗剪强度间理论关系获取煤岩的抗剪强度：步骤301、按照步骤101至步骤103所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗彦平，冯上鑫，祝榆峰，岳东，任建喜，霍小泉，
申请(专利权)人：西安科技大学陕西陕煤铜川矿业有限公司，
类型：发明
国别省市：