CN110296888B - 一种岩石抗拉强度原位测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种岩石抗拉强度原位测试装置及方法，它包括用于对岩样进行钻孔取样的取芯钻机，所述取芯钻机包括钻机底座，所述钻机底座的顶部安装有电动机，所述电动机的输出轴与变速箱的输入轴相连，所述电动机和变速箱都安装在手摇式升降机构上，所述手摇式升降机构与手柄相配合，并驱动其升降；所述变速箱的输出轴安装有用于钻孔的钻杆。本装置采用可收缩钻杆和半平面半螺旋的空心钻，并结合真空抽吸技术，在使岩样位于岩壁的条件下，测得指定面的抗拉强度，降低对岩样的扰动，从而测得更精确的岩石抗拉强度。

Description

一种岩石抗拉强度原位测试装置及方法
技术领域
本发明涉及原岩抗拉强度的测试方法及磁场控制技术领域，具体地指一种岩石抗拉强度原位测试装置及方法。
背景技术
目前在对于岩石的抗拉强度测试的方法主要是制作特定的岩样，多数为两头粗，中间细的岩样，其目的是便于夹具夹紧岩样并向两边拉伸。其优点是操作较为简单；缺点是岩样加工制作成本过高；在测试夹紧过程中，夹具附近受力集中，岩样受力不均易损，将岩样取出时会对其造成扰动，使测得结果不准确。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种岩石抗拉强度原位测试装置及方法，本装置采用可收缩钻杆和半平面半螺旋的空心钻，并结合真空抽吸技术，在使岩样位于岩壁的条件下，测得指定面的抗拉强度，降低对岩样的扰动，从而测得更精确的岩石抗拉强度。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种岩石抗拉强度原位测试装置，它包括用于对岩样进行钻孔取样的取芯钻机，所述取芯钻机包括钻机底座，所述钻机底座的顶部安装有电动机，所述电动机的输出轴与变速箱的输入轴相连，所述电动机和变速箱都安装在手摇式升降机构上，所述手摇式升降机构与手柄相配合，并驱动其升降；所述变速箱的输出轴安装有用于钻孔的钻杆。
所述钻杆采用半螺纹状钻杆，所述半螺纹状钻杆采用圆柱筒结构，在其顶端设置有钻齿，与钻齿相对侧的内壁上设置有一节一定长度的内螺纹；在后续测试中所述内螺纹与钻取之后的岩样通过螺纹固定相连。
所述钻杆采用收缩夹紧式钻杆，所述收缩夹紧式钻杆在沿其轴向方向加工有弧形斜缺口，所述弧形斜缺口的两内侧壁上分别加工有反向布置的齿轮结构，所述齿轮结构与安装在空心旋转轴上的齿轮啮合传动，所述空心旋转轴的顶端安装有用于驱动其转动的转盘，在收缩夹紧式钻杆的内壁上并靠接弧形斜缺口的位置安装有用于对齿轮结构进行保护的挡板。
所述钻杆采用真空吸盘式钻杆，所述真空吸盘式钻杆的顶部末端安装有真空吸盘，所述真空吸盘与用于产生真空吸力的真空发生装置相连。
所述真空发生装置包括真空罐，所述真空罐上连接有空压机，所述空压机与用于提供动力的驱动电机相连，所述真空罐通过真空管与真空吸盘相连，所述真空管上安装有阀门。
所述钻杆采用光滑直壁钻杆，在光滑直壁钻杆和岩样的间隙处填充有能够将两者粘合的粘结层，所述粘结层采用丙烯酸酯结构胶、中性硅酮密封胶或者膨胀剂。
所述钻杆采用磁力吸合钻杆，所述磁力吸合钻杆的尾部通过黏合层或铆钉固定有磁铁，或者在磁力吸合钻杆的尾部通过黏合层固定有填充满磁流体的密封容器。
所述磁铁通过环形箍固定在钻杆的末端。
任意一项所述岩石抗拉强度原位测试装置的测试方法，它包括以下步骤：
当采用半螺纹状钻杆进行测试时：
S1：选好要测量的岩石区域和测量深度，以确定半螺纹状钻杆长度；
S2：将准备好的半螺纹状钻杆连接上取芯钻机；
S3：在半螺纹状钻杆中加入高温润滑脂，避免取芯时杆的扭矩过大使杆折断；
S4：启动取芯钻机，在规划好的区域钻入相应的深度，在岩样柱末端产生多圈螺纹，半螺纹状钻杆上的内螺纹与岩样柱上的螺纹相契合，从而使半螺纹状钻杆箍紧岩样柱；
S5：将半螺纹状钻杆与钻机分离，在半螺纹状钻杆中倒入工业酒精或者汽油清洗润滑脂，并等到汽油或者酒精完全挥发；
S6：在半螺纹状钻杆末端包裹一层含有磁流体的外覆密闭容器，或者通过强力黏合剂使电磁铁和钻杆黏合在一起，利用磁场发生器对钻杆产生一个磁场，使半螺纹状钻杆顶部的磁流体磁化产生一个强大的拉力，逐步提高磁场强度直到岩样柱和半螺纹状钻杆一起脱离地面；测得脱离时的磁场强度，利用公式计算出岩样柱的抗拉强度；其中，钻柱后不能将钻杆拔出，且不能对岩样柱进行其它的处理，防止对测试造成干扰；
当采用收缩夹紧式钻杆进行测试时：
S1：选好要测量的岩石区域和测量深度，以确定收缩夹紧式钻杆长度；
S2：将准备好的收缩夹紧式钻杆连接上取芯钻机；
S3：在收缩夹紧式钻杆中加入高温润滑脂，避免取芯时杆的扭矩过大使杆折断；
S4：启动取芯钻机，在规划好的区域钻入相应的深度，取下钻机，在收缩夹紧式钻杆中倒入工业酒精或者汽油清洗润滑脂，并等到汽油或者酒精完全挥发；
S5：将转盘与钻杆的空心旋转轴相连，转动转盘，通过齿轮结构拧紧收缩夹紧式钻杆，减小收缩夹紧式钻杆直径，使收缩夹紧式钻杆紧箍住岩柱，通过拧紧钻杆增大收缩夹紧式钻杆与岩柱的摩擦，拧紧后取下转盘；
S6：使用强力黏合剂将磁铁固定在收缩夹紧式钻杆和岩柱的末端，或者使用强力黏合剂固定装满磁流体的容器，或者用环形钢片紧固住瓶盖状的磁铁；通过增大外界电磁场对岩柱进行抗拉测试，测得岩柱的抗拉强度；
当采用真空吸盘式钻杆进行测试时：
S1：选定岩面，用取芯钻机设计的真空吸盘式钻杆对岩样进行钻取，真空吸盘式钻杆始终保持在岩面中，包裹住岩样；
S2：取芯钻杆分为两部分，里端直径较小与岩柱贴合，外端直径较大，便于真空吸盘对岩样进行包裹吸附，杆的外径都相同，通过真空发生装置使真空吸盘对杆内的岩柱进行抽吸，逐渐增大抽吸力，使最终对岩柱抽吸时的拉力大于岩样的抗拔力，并通过测定不同抽吸力的条件下，岩柱的拉应变，从而测得岩柱的抗拉应变模量；
S3：对岩柱继续往下钻取，每过一段便卸下钻机，通过真空吸盘测一次岩柱的抗拉强度，真空吸盘对岩柱进行抽吸时产生的截面可以为任意角度，抽吸后的岩柱断裂后去除真空吸力，将断裂的岩柱去除，再进行下一段抽吸，可测得不同深度岩柱的抗拉强度；
S4：继续用取芯钻对岩样进行钻取更大长度，再继续对岩样抽吸获得多组数据，最终测得更精确的岩石抗拉强度；
当采用光滑直壁钻杆进行测试时：
S1：选定要测量抗拉强度岩石的深度与所处位置及要测量的角度；
S2：用取芯钻机钻取相应的深度后将钻机与光滑直壁钻杆分离，光滑直壁钻杆始终保持在岩面中，包裹住岩样；
S3：向光滑直壁钻杆与岩样狭缝间注入一种强粘黏性可膨胀液体形成粘结层，并使其膨胀，从而产生强大的摩擦力，并保证摩擦力大于抗拉力；
S4：将岩样与钻杆一同拔出，并测得此时的抗拉强度；
S5：多次测量相同角度相同深度不同位置的同一岩样，防止误差。
本发明有如下有益效果：
1、钻杆在对岩芯进行钻取时加入的高温润滑脂能够耐高温，降低钻杆与岩芯间的摩擦，降低扰动，使取出的岩芯更加贴近原始状态。
2、钻杆在钻得所需实验长度的岩芯后，以降低钻杆的转动速度，将不含水的柴油、煤油或温性碱液直接导入钻杆中，来消除岩芯表面的润滑剂，使钻杆收缩时能够箍紧岩芯，增大摩擦，防止滑动。
3、钻杆钻取岩样后留在岩中不拔出，降低对岩样的扰动，使最终测得结果更精确。
4、通过对岩样的指定面进行箍紧，或者通过控制螺纹在岩样上嵌套的长度，对指定面进行抗拉测试，测得岩石不同面的抗拉强度。
5、对钻杆进行装有磁流体的外覆容器包裹或通过强力黏合剂粘贴电磁铁的方式，对钻杆末端加以电磁场进行抗拉实验，使末端的应力分散，受力均匀，防止出现局部受力过大使钻杆损坏的现象。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明半螺纹状钻杆结构图。
图3为本发明收缩夹紧式钻杆结构图。
图4为本发明图3中收缩夹紧式钻杆俯视图。
图5为本发明真空发生装置结构图。
图6为本发明光滑直壁钻杆结构图。
图7为本发明片岩钻取图。
图8为本发明采用黏合层安装磁铁的钻杆结构图。
图9为本发明采用铆钉安装磁铁的钻杆结构图。
图10为本发明采用黏合层安装密封容器的钻杆结构图。
图11为本发明采用环形箍安装磁铁的钻杆结构图。
图中：半螺纹状钻杆1、收缩夹紧式钻杆2、内螺纹1-1、钻机底座1-2、手柄1-3、电动机1-4、变速箱1-5、空心旋转轴2-1、挡板2-2、转盘2-3、真空吸盘式钻杆3、真空吸盘3-1、阀门3-2、驱动电机3-3、真空罐3-4、空压机3-5、光滑直壁钻杆4、粘结层4-1、磁铁5、铆钉6、密封容器7、环形箍8、黏合层9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
如图1-11所示，一种岩石抗拉强度原位测试装置，它包括用于对岩样进行钻孔取样的取芯钻机，所述取芯钻机包括钻机底座1-2，所述钻机底座1-2的顶部安装有电动机1-4，所述电动机1-4的输出轴与变速箱1-5的输入轴相连，所述电动机1-4和变速箱1-5都安装在手摇式升降机构上，所述手摇式升降机构与手柄1-3相配合，并驱动其升降；所述变速箱1-5的输出轴安装有用于钻孔的钻杆。通过采用上述结构的测试装置能够保证测试过程中岩柱能够保留在相应的岩样区，进而保证了后续测量数据的准确性。
进一步的，所述钻杆采用半螺纹状钻杆1，所述半螺纹状钻杆1采用圆柱筒结构，在其顶端设置有钻齿，与钻齿相对侧的内壁上设置有一节一定长度的内螺纹1-1；在后续测试中所述内螺纹1-1与钻取之后的岩样通过螺纹固定相连。通过上述的内螺纹1-1能够保证在钻取岩样之后能够保证钻杆与岩柱之间的固定相连。尽可能地保证为原状岩石。同时保证后续的抗拉试验。
进一步的，所述钻杆采用收缩夹紧式钻杆2，所述收缩夹紧式钻杆2在沿其轴向方向加工有弧形斜缺口，所述弧形斜缺口的两内侧壁上分别加工有反向布置的齿轮结构，所述齿轮结构与安装在空心旋转轴2-1上的齿轮啮合传动，所述空心旋转轴2-1的顶端安装有用于驱动其转动的转盘2-3，在收缩夹紧式钻杆2的内壁上并靠接弧形斜缺口的位置安装有用于对齿轮结构进行保护的挡板2-2。挡板2-2用于防止钻取过程中岩石屑进入空心旋转轴；通过转盘2-3对钻杆的空心旋转轴采用齿轮啮合转动的方法进行扭紧。
进一步的，所述钻杆采用真空吸盘式钻杆3，所述真空吸盘式钻杆3的顶部末端安装有真空吸盘3-1，所述真空吸盘3-1与用于产生真空吸力的真空发生装置相连。所述真空发生装置包括真空罐3-4，所述真空罐3-4上连接有空压机3-5，所述空压机3-5与用于提供动力的驱动电机3-3相连，所述真空罐3-4通过真空管与真空吸盘3-1相连，所述真空管上安装有阀门3-2。通过空压机使真空吸盘3-1对杆内的岩样进行抽吸，逐渐增大抽吸力，使最终对岩样抽吸时的拉力大于岩样的抗拔力。并可以通过测定不同抽吸力的条件下，岩样的拉应变和拉应力，从而测得岩样的抗拉变形模量。
进一步的，所述钻杆采用光滑直壁钻杆4，在光滑直壁钻杆4和岩样的间隙处填充有能够将两者粘合的粘结层4-1，所述粘结层4-1采用丙烯酸酯结构胶、中性硅酮密封胶或者膨胀剂。通过粘结层4-1的黏性或者膨胀性，使岩样与钻杆之间强大的摩阻力，大于岩柱的抗拉强度，然后进行抗拉测试。
进一步的，所述钻杆采用磁力吸合钻杆，所述磁力吸合钻杆的尾部通过黏合层9或铆钉6固定有磁铁5，或者在磁力吸合钻杆的尾部通过黏合层9固定有填充满磁流体的密封容器7。
进一步的，所述磁铁5通过环形箍8固定在钻杆的末端。通过磁铁5连接来避免夹具连接进行抗拉测试时对岩样产生的巨大应力。通过增大外界电磁场作用于磁铁5产生磁场力，强力黏合层9的黏合强度大于岩样的抗拉强度，避免在测量过程中电磁力过大使磁铁5脱落，以此测得岩柱抗拉强度。电磁力精确可调，通过测量不同电磁力下岩样的拉应变，计算出岩样的抗拉变形模量
实施例2：
任意一项所述岩石抗拉强度原位测试装置的测试方法，它包括以下步骤：
当采用半螺纹状钻杆1进行测试时：
S1：选好要测量的岩石区域和测量深度，以确定半螺纹状钻杆1长度；
S2：将准备好的半螺纹状钻杆1连接上取芯钻机；
S3：在半螺纹状钻杆1中加入高温润滑脂，避免取芯时杆的扭矩过大使杆折断；
S4：启动取芯钻机，在规划好的区域钻入相应的深度，在岩样柱末端产生多圈螺纹，半螺纹状钻杆1上的内螺纹1-1与岩样柱上的螺纹相契合，从而使半螺纹状钻杆1箍紧岩样柱；
S5：将半螺纹状钻杆1与钻机分离，在半螺纹状钻杆1中倒入工业酒精或者汽油清洗润滑脂，并等到汽油或者酒精完全挥发；
S6：在半螺纹状钻杆1末端包裹一层含有磁流体的外覆密闭容器，或者通过强力黏合剂使电磁铁和钻杆黏合在一起，利用磁场发生器对钻杆产生一个磁场，使半螺纹状钻杆1顶部的磁流体磁化产生一个强大的拉力，逐步提高磁场强度直到岩样柱和半螺纹状钻杆1一起脱离地面；测得脱离时的磁场强度，利用公式计算出岩样柱的抗拉强度；其中，钻柱后不能将钻杆拔出，且不能对岩样柱进行其它的处理，防止对测试造成干扰；
实施例3：
当采用收缩夹紧式钻杆2进行测试时：
S1：选好要测量的岩石区域和测量深度，以确定收缩夹紧式钻杆2长度；
S2：将准备好的收缩夹紧式钻杆2连接上取芯钻机；
S3：在收缩夹紧式钻杆2中加入高温润滑脂，避免取芯时杆的扭矩过大使杆折断；
S4：启动取芯钻机，在规划好的区域钻入相应的深度，取下钻机，在收缩夹紧式钻杆2中倒入工业酒精或者汽油清洗润滑脂，并等到汽油或者酒精完全挥发；
S5：将转盘2-3与钻杆的空心旋转轴2-1相连，转动转盘2-3，通过齿轮结构拧紧收缩夹紧式钻杆2，减小收缩夹紧式钻杆2直径，使收缩夹紧式钻杆2紧箍住岩柱，通过拧紧钻杆增大收缩夹紧式钻杆2与岩柱的摩擦，拧紧后取下转盘2-3；
S6：使用强力黏合剂将磁铁固定在收缩夹紧式钻杆2和岩柱的末端，或者使用强力黏合剂固定装满磁流体的容器，或者用环形钢片紧固住瓶盖状的磁铁；通过增大外界电磁场对岩柱进行抗拉测试，测得岩柱的抗拉强度；
实施例4：
当采用真空吸盘式钻杆3进行测试时：
S1：选定岩面，用取芯钻机设计的真空吸盘式钻杆3对岩样进行钻取，真空吸盘式钻杆3始终保持在岩面中，包裹住岩样；
S2：取芯钻杆分为两部分，里端直径较小与岩柱贴合，外端直径较大，便于真空吸盘3-1对岩样进行包裹吸附，杆的外径都相同，通过真空发生装置使真空吸盘对杆内的岩柱进行抽吸，逐渐增大抽吸力，使最终对岩柱抽吸时的拉力大于岩样的抗拔力，并通过测定不同抽吸力的条件下，岩柱的拉应变，从而测得岩柱的抗拉应变模量；
S3：对岩柱继续往下钻取，每过一段便卸下钻机，通过真空吸盘测一次岩柱的抗拉强度，真空吸盘对岩柱进行抽吸时产生的截面可以为任意角度，抽吸后的岩柱断裂后去除真空吸力，将断裂的岩柱去除，再进行下一段抽吸，可测得不同深度岩柱的抗拉强度；
S4：继续用取芯钻对岩样进行钻取更大长度，再继续对岩样抽吸获得多组数据，最终测得更精确的岩石抗拉强度；
实施例5：
当采用光滑直壁钻杆4进行测试时：
S1：选定要测量抗拉强度岩石的深度与所处位置及要测量的角度；
S2：用取芯钻机钻取相应的深度后将钻机与光滑直壁钻杆4分离，光滑直壁钻杆4始终保持在岩面中，包裹住岩样；
S3：向光滑直壁钻杆4与岩样狭缝间注入一种强粘黏性可膨胀液体形成粘结层4-1，并使其膨胀，从而产生强大的摩擦力，并保证摩擦力大于抗拉力；
S4：将岩样与钻杆一同拔出，并测得此时的抗拉强度；
S5：多次测量相同角度相同深度不同位置的同一岩样，防止误差。
实施例6：
为片岩抗拉强度的测试方法：
S1：选定岩面，用机械切割的方法，在现场取得尺寸为0.5m×0.5m×3m的岩样，所述岩样断面两面平行于片理方向，其余四面与片理方向垂直；
S2：将岩样放入取芯设备上，分别按照平行于片理方向、垂直于片理方向、与片理成一定的夹角，可以是30度、45度或60度方向钻孔获取三组岩芯，每组取3-5块；
S3：分别对每组岩芯进行抗拉强度试验，将岩芯的一端用强力黏合剂与地面固定，另一端通过强力黏合剂与磁铁粘连、或者使用强力黏合剂固定装满磁流体的容器，或者用环形钢片紧固住瓶盖状的磁铁；通过增大外界电磁场对岩柱进行抗拉测试，获得每块岩芯的抗拉强度数据；
S4：根据每组的结果得出不同面的片岩抗拉强度。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种岩石抗拉强度原位测试装置，其特征在于，它包括用于对岩样进行钻孔取样的取芯钻机，所述取芯钻机包括钻机底座（1-2），所述钻机底座（1-2）的顶部安装有电动机（1-4），所述电动机（1-4）的输出轴与变速箱（1-5）的输入轴相连，所述电动机（1-4）和变速箱（1-5）都安装在手摇式升降机构上，所述手摇式升降机构与手柄（1-3）相配合，并驱动其升降；所述变速箱（1-5）的输出轴安装有用于钻孔的钻杆；
所述钻杆采用收缩夹紧式钻杆（2），所述收缩夹紧式钻杆（2）在沿其轴向方向加工有弧形斜缺口，所述弧形斜缺口的两内侧壁上分别加工有反向布置的齿轮结构，所述齿轮结构与安装在空心旋转轴（2-1）上的齿轮啮合传动，所述空心旋转轴（2-1）的顶端安装有用于驱动其转动的转盘（2-3），在收缩夹紧式钻杆（2）的内壁上并靠接弧形斜缺口的位置安装有用于对齿轮结构进行保护的挡板（2-2）。
2.采用权利要求1所述岩石抗拉强度原位测试装置的测试方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1：选好要测量的岩石区域和测量深度，以确定收缩夹紧式钻杆（2）长度；
S2：将准备好的收缩夹紧式钻杆（2）连接上取芯钻机；
S3：在收缩夹紧式钻杆（2）中加入高温润滑脂，避免取芯时杆的扭矩过大使杆折断；
S4：启动取芯钻机，在规划好的区域钻入相应的深度，取下钻机，在收缩夹紧式钻杆（2）中倒入工业酒精或者汽油清洗润滑脂，并等到汽油或者酒精完全挥发；
S5：将转盘（2-3）与钻杆的空心旋转轴（2-1）相连，转动转盘（2-3），通过齿轮结构拧紧收缩夹紧式钻杆（2），减小收缩夹紧式钻杆（2）直径，使收缩夹紧式钻杆（2）紧箍住岩柱，通过拧紧钻杆增大收缩夹紧式钻杆（2）与岩柱的摩擦，拧紧后取下转盘（2-3）；
S6：使用强力黏合剂将磁铁固定在收缩夹紧式钻杆（2）和岩柱的末端，或者使用强力黏合剂固定装满磁流体的容器，或者用环形钢片紧固住瓶盖状的磁铁；通过增大外界电磁场对岩柱进行抗拉测试，测得岩柱的抗拉强度。
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Denomination of invention: An in-situ testing device and method for rock tensile strength

Granted publication date: 20211102

License type: Common License

Record date: 20230116

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Assignee: Hongchuang (Yichang) Architectural Design Co.,Ltd.

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