一種高應力巖石鑽鑿試驗裝置的製作方法

2023-12-10 00:37:36 2

專利名稱：一種高應力巖石鑽鑿試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種研究高應力巖石在各類鑽鑿機具衝鑿下的破壞特性及鑽具的力學性能的實驗裝置，特別是涉及一種高應力巖石鑽鑿實驗裝置。技術背景
在地下資源開採、深埋隧道施工、高壩引水隧洞等深部地下工程施工中，巖石承受著巨大的初始應力，當它遭受到來自鑿巖機、掘進機等的作用時，巖石和機具都表現出與淺部施工完全不同的特點。對於巖石，由於有高應力的存在，相當於具備了圍壓效應，整體強度增大，但在與機具接觸的局部表面，在動力擾動下又易於發生「巖爆」式破壞；對於鑽鑿機具，除鑽頭磨蝕程度增加外，鑽鑿效率大大降低，而且當鑽頭進入巖石一定深度後，卡鑽現象嚴重，極大地影響了施工進度和作業安全。由於目前巖石力學成果多服務於淺部工程，對深部巖石的高應力狀態缺乏考慮，各類基於現有巖石力學理論的設計和施工方法無法保障深部工程的作業安全。隨著當前各類深部工程的不斷增多，亟需在認清高應力巖石衝擊力學特性的基礎上設計出合理的鑽鑿機具，本發明即為實現這一目而提出。
目前國內外關於巖石鑽鑿的各類裝置研究主要側重於鑽鑿機具的機械設計和動作實現，缺少對鑽鑿對象特殊狀態的研究，特別是缺乏考慮受鑿巖石聞應力狀態對鑽鑿效果和鑽頭工況的影響。如「PDC鑽鑿特性測定試驗裝置」(中國發明專利，專利號200910118933. X)和「PDC鑽鑿特性測定試驗裝置」(中國實用新型專利，專利號 200920007005. I)提供了一種在室內條件下獲得PDC鑽頭鑽鑿、磨損及抗衝擊特性的實驗裝置；又如「用於巖石鑽鑿作業的方法和裝置」(中國發明專利，專利號200680042510. 9)提出了一種對鑽鑿裝置中的鑽鋼接頭進行鬆弛的方法，使系統穩定性更好。這些裝置和研究均沒有涉及被鑽鑿巖石的應力狀態，而近年的深部巖石力學研究和工程實踐發現處於地下深部的巖石，由於具有極高的初始應力，其力學響應和破壞特性與無應力巖石截然不同。要研究其鑽鑿特性，必須從裝置上實現這種高應力狀態，進而對衝擊特性、鑽鑿效率、磨蝕機理、卡鑽原因等進行研究。發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能實現巖石圍壓加載、衝擊式鑿入，獲取衝擊鑽鑿下高應力巖石的破壞特性和鑽具工作性能的高應力巖石鑽鑿試驗裝置。
為了解決上述技術問題，本發明提供的高應力巖石鑽鑿試驗裝置，由衝擊鑽鑿機構和高應力巖石鑽鑿臺組成，所述的衝擊鑽鑿機構的結構是在支架設有自動提升機構，所述的支架上設有處於同一垂直軸線上的釺杆導向滑軌和定位孔，豎向設置的釺杆滑動設在所述的釺杆導向滑軌內且穿插在所述的定位孔內，所述的自動提升機構連接有設有自動解鎖機構的抓手，所述的釺杆的下端連接有鑽頭，所述的抓手能抓住所述的釺杆的上端，所述的支架上設有用於示讀所述的釺杆與所述的鑽頭的高度位置的標尺，所述的高應力巖石鑽鑿臺設在所述的支架的下端，所述的高應力巖石鑽鑿臺包括兩對成「十」字設置且每對相對設置的高壓油缸、與所述的高壓油缸連接的油壓控制元件和壓力表，每個所述的高壓油缸設有加壓活塞，所述的鑽頭衝擊鑽鑿放置在所述的高應力巖石鑽鑿臺上的巖石試樣。
所述的支架上設有釺杆下限擋板，所述的釺杆下限擋板與所述的釺杆對應下行限位。
所述的標尺採用標尺固定架固定安裝在所述的支架上。
所述的自動提升機構安裝在所述的支架的頂端，所述的自動提升機構設有轉動馬達用於收放鋼繩，所述的抓手與所述的鋼繩連接。
所述的鑽頭和所述的釺杆通過裝配螺紋連接。
採用上述技術方案的高應力巖石鑽鑿試驗裝置，來自衝擊鑽鑿機構的鑽頭衝擊鑽鑿在高應力巖石試樣上，衝擊鑽鑿機構通過提升釺杆與鑽頭到一定高度，然後釋放使其自由下落衝擊高應力巖石完成動作。自動提升機構安裝在整個裝置的頂端，內有轉動馬達用於收放鋼繩，且具有獨立的制動開關可隨時啟動與停止提升動作，還有自動解鎖機構，當釺杆與鑽頭到達需要的高度時打開抓手釋放釺杆和鑽頭。標尺用於示讀釺杆與鑽頭的高度位置。巖石試樣放置在四個加壓活塞之間，巖石的應力通過液壓控制元件進行精確控制，大小由壓力表進行示讀。
本發明主要優點在於針對深部工程巖石高應力的特點，發明可實現衝擊鑽鑿高應力巖石的試驗系統，由於巖石試驗狀態與深部巖石受力特徵更吻合，利用本發明可獲得現有巖石鑽鑿裝置無法獲得的數據，試驗結果更能反映工程實際。
綜上所述，本發明是一種能模擬地下深部巖石的高應力受力狀態、獲得其衝擊破壞特性、鑽鑿性能和鑽具磨蝕參數的高應力巖石鑽鑿試驗裝置。


圖I為本發明聞應力巖石鑽鑿試驗裝置不意圖。
圖2為裝置中聞應力巖石鑽鑿臺俯視不意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
參見圖I和圖2,由衝擊鑽鑿機構和聞應力巖石鑽鑿臺12組成，自動提升機構I安裝在支架9的頂端，自動提升機構I設有轉動馬達用於收放鋼繩2，設有自動解鎖機構的抓手6與鋼繩2連接，支架9上設有處於同一垂直軸線上的釺杆導向滑軌3、定位孔10和釺杆下限擋板8，豎向設置的釺杆7滑動設在釺杆導向滑軌3內且穿插在定位孔10內，釺杆下限擋板8與釺杆7對應下行限位，釺杆7的下端通過裝配螺紋連接有鑽頭11，抓手6能抓住釺杆7的上端，支架9上採用標示固定架4設有用於示讀釺杆7與鑽頭11的高度位置的標尺 5，高應力巖石鑽鑿臺12設在支架9的下端，高應力巖石鑽鑿臺12包括兩對成「十」字設置且每對相對設置的高壓油缸15、與高壓油缸15連接的油壓控制元件16和壓力表17，每個高壓油缸15設有加壓活塞14，鑽頭11衝擊鑽鑿放置在高應力巖石鑽鑿臺12上的巖石試樣。
參見圖I和圖2，來自衝擊鑽鑿機構的鑽頭11衝擊鑽鑿在高應力的巖石試樣13 上，自動提升機構I通過提升釺杆7與鑽頭11到一定高度，然後釋放使其自由下落衝擊高應力巖石完成動作。自動提升機構I內有轉動馬達用於收放鋼繩2，且具有獨立的制動開關可隨時啟動與停止提升動作，當釺杆7與鑽頭11到達需要的高度時自動解鎖機構打開抓手 6釋放釺杆7和鑽頭11，標尺5用於示讀釺杆7與鑽頭(11)的高度位置。
巖石試樣13放置在四個加壓活塞14之間，巖石試樣13的應力通過液壓控制元件 16進行精確控制，大小由壓力表17進行示讀。
I.利用裝置研究不同衝擊強度下巖石的破壞特性。
試驗前製備好多個巖石試樣13,將製備好的一個巖石試樣13放置於高應力巖石鑽鑿臺12中，不施加初始應力，釺杆7和鑽頭11保持垂直接觸於巖石試樣13表面，從標尺 5讀出釺杆7頂部的位置，用自動提升機構I帶動抓手6將釺杆7和鑽頭11提起O. 5m,然後鬆開抓手6，釺杆7和鑽頭11以一定的速度衝擊巖石試樣13，通過幾何測量、重量測量和顆粒篩分，可以得到巖石表面的破碎坑幾何尺寸和被衝碎的巖石碎屑的重量、粒級分布參數， 進行記錄。接著，更換巖石試樣13，改變釺杆7和鑽頭11的衝擊高度，如lm、l. 5m,2. 0m、2.5m,3m幾個高度級別，分別進行衝擊試驗，獲得不同工況下巖石表面的破碎坑幾何尺寸和被衝碎的巖石碎屑的重量、粒級分布參數，依次進行記錄，通過這些測試結果可了解不同衝擊強度下巖石的破壞特性，記錄寫入表I中，表I為本發明實例I獲得的不同衝擊強度下巖石的破壞結果記錄表。
表I
權利要求
1.一種高應力巖石鑽鑿試驗裝置，其特徵在於由衝擊鑽鑿機構和高應力巖石鑽鑿臺(12)組成，所述的衝擊鑽鑿機構的結構是在支架(9)設有自動提升機構(1)，所述的支架 (9)上設有處於同一垂直軸線上的釺杆導向滑軌(3)和定位孔(10)，豎向設置的釺杆(7) 滑動設在所述的釺杆導向滑軌(3)內且穿插在所述的定位孔(10)內，所述的自動提升機構(I)連接有設有自動解鎖機構的抓手(6)，所述的釺杆(7)的下端連接有鑽頭(11)，所述的抓手(6)能抓住所述的釺杆(7)的上端，所述的支架(9)上設有用於示讀所述的釺杆(7) 與所述的鑽頭(11)的高度位置的標尺(5)，所述的高應力巖石鑽鑿臺(12)設在所述的支架(9)的下端，所述的高應力巖石鑽鑿臺(12)包括兩對成「十」字設置且每對相對設置的高壓油缸(15)、與所述的高壓油缸(15)連接的油壓控制元件(16)和壓力表(17)，每個所述的高壓油缸(15)設有加壓活塞(14)，所述的鑽頭(11)衝擊鑽鑿放置在所述的高應力巖石鑽鑿臺(12)上的巖石試樣(13) ο
2.按照權利要求I所述的高應力巖石鑽鑿試驗裝置，其特徵在於所述的支架(9)上設有釺杆下限擋板(8)，所述的釺杆下限擋板⑶與所述的釺杆(7)對應下行限位。
3.按照權利要求I或2所述的高應力巖石鑽鑿試驗裝置，其特徵在於所述的標尺(5) 通過標尺固定架(4)固定安裝在所述的支架(9)上。
4.按照權利要求I或2所述的高應力巖石鑽鑿試驗裝置，其特徵在於所述的自動提升機構(I)安裝在所述的支架(9)的頂端，所述的自動提升機構(I)設有轉動馬達用於收放鋼繩(2)，所述的抓手(6)與所述的鋼繩(2)連接。
5.按照權利要求I或2所述的高應力巖石鑽鑿試驗裝置，其特徵在於所述的鑽頭(II)和所述的釺杆(7)通過裝配螺紋連接。
全文摘要
本發明公開了一種高應力巖石鑽鑿試驗裝置可用於高應力巖石的衝擊鑽鑿實驗，屬於巖石力學研究領域。裝置主要包括自動提升機構(1)、鋼繩(2)、抓手(6)、釺杆(7)、鑽頭(11)、加壓活塞(14)、高壓油缸(15)、油壓控制元件(16)和壓力表(17)。本發明可在實驗室中實現地下深部巖石的高應力受力狀態，並完成衝擊鑽鑿試驗，獲得高應力巖石的衝擊破壞特性和鑽具的鑽鑿性能與磨蝕參數，為深部巖石力學研究提供了一種獨特的高應力巖石鑽鑿試驗裝置。
文檔編號G01N3/34GK102937554SQ20121045376
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者周子龍, 吳志波, 李夕兵, 江益輝, 李國楠, 郭民, 寧樹理 申請人:中南大學