CN113863858A - 一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机及方法，属于岩土工程技术领域，包括立式钻机和移动式编码器，移动式编码器用以对取芯钻杆进行喷码；所述立式钻机前端固定设置地质雷达，所述移动式编码器包括可上下伸缩的伸缩喷头，且伸缩喷头可在水平方向往复移动；其中，地质雷达可以精准定位所取围岩松动圈厚度，准确获得钻进作业的无效取样长度，移动式喷码器根据松动圈厚度在所取岩芯后端的相同位置处喷码标记，便于操作人员舍弃位于松动圈的岩芯，提高岩芯钻取的成功率，解决了现有取样方法无法越过井下巷道破碎围岩松动圈取得原始状态岩样的问题。

Description

一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

研究岩石在荷载、水流、温度变化等作用下的应力、应变、破坏和稳定性质，可为水利、土木工程等建设工程中的岩土问题提供必要的科学依据。为确保岩石力学实验数据的可靠性，通常采用国际岩石力学学会(ISRM)所推荐的一系列岩石试样加工标准对井下所取的大块试样进行切割加工，以满足不同的室内岩石力学试验需求。

为确保井下获取岩样具有代表性，通常要求在所研究区域采集相应岩样，常用的取样方法包括直接挑选巷道中掉落的大块岩样或使用钻机获取完整岩芯两种方式。其中巷道中掉落的大块岩样大都由井巷***掘进后产生，对于原生节理较为发育的岩体，***所引发的冲击波促进了岩块中原生裂隙的发育，加剧了岩块的损伤程度，导致岩块内部极其破碎，进而大幅影响后续完整岩样加工的成功率，造成井下取样成功率低，耗费大量人力物力。

发明人发现，钻取岩芯是针对破碎岩体的一种较为可靠的取样方式，然而在取样过程中钻机需要通过巷道的围岩松动圈。由于巷道开挖，造成了围岩的应力重分布，形成了松弛破碎带，简称松动圈。根据开挖程度与围岩性质的不同，所形成的松动圈厚度均不相同。因此，使用钻机取样时，应越过围岩松动圈，才能取得原始状态的岩样，为所选区域原岩性质研究提供保障，但现有方案中并没有可靠准确的取样方式，无法越过井下巷道破碎围岩松动圈取得原始状态岩样。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机及方法，通过在立式钻机上安装岩芯定位装置和地质雷达可以准确获取巷道破碎边帮松动圈后未受扰动的原岩，地质雷达可以精准定位所取围岩松动圈厚度，准确获得钻进作业的无效取样长度，集成操作平台接收地质雷达输入的松动圈厚度信息，并将其转换为钻机钻进尺度，移动式喷码器根据松动圈厚度在所取岩芯后端的相同位置处喷码标记，便于操作人员舍弃位于松动圈的岩芯，提高岩芯钻取的成功率，解决了现有取样方法无法越过井下巷道破碎围岩松动圈取得原始状态岩样的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提出一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，包括立式钻机和移动式编码器，移动式编码器用以对取芯钻杆进行喷码；所述立式钻机前端固定设置地质雷达，所述移动式编码器包括可上下伸缩的伸缩喷头，且伸缩喷头可在水平方向往复移动。

作为进一步的技术方案，所述立式钻机包括安装平台，安装平台顶部水平设置滑轨，滑轨固定设置钻机马达。

作为进一步的技术方案，所述钻机马达与取芯钻杆连接，取芯钻杆端部设置取芯钻头。

作为进一步的技术方案，所述取芯钻杆和取芯钻头均为中空结构。

作为进一步的技术方案，所述安装平台底部设置支腿，支腿处设置液压抬升装置。

作为进一步的技术方案，所述伸缩喷头与喷头移动模块固定连接，喷头移动模块与水平设置的移动滑轨滑动连接。

作为进一步的技术方案，所述移动滑轨与安装架固定连接，安装架固定设置于立式钻机顶部。

作为进一步的技术方案，所述伸缩喷头与喷头马达连接，且喷头马达与集成操作平台连接。

作为进一步的技术方案，所述集成操作平台还与地质雷达、钻机马达连接；集成操作平台设有控制摇杆对钻机马达的钻进和后退进行控制。

第二方面，本发明提出一种如上所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机的工作方法，包括以下步骤：

将立式钻机架设于所选取样巷道中；

使地质雷达进行围岩松动圈测试，获取围岩松动圈厚度；

使取芯钻杆带动取芯钻头钻取围岩后退出；

将伸缩喷头移动至距取芯钻杆前端的位置与围岩松动圈厚度相等，伸缩喷头在取芯钻杆的对应位置处喷码标号；

卸下取芯钻杆，并将岩芯从取芯钻杆中推出，将所取岩芯与取芯钻杆相比较，获得位于围岩松动圈外的有效岩芯。

上述本发明的有益效果如下：

(1)本发明设置了地质雷达，可以有效探测所选区域内围岩松动圈的范围，从而确定所取岩芯的有效长度范围，为取得有效岩芯提供了数据支持。

(2)本发明设置了移动式喷码器，在地质雷达确定围岩松动圈的范围后，移动式喷码器能够将所得围岩松动圈的厚度信息喷涂于取芯钻杆上，便于操作人员标记所取岩芯的有效范围，保证了有效岩芯的快速获取。

(3)本发明集成的操作平台可将岩芯钻取、松动圈探测和岩芯有效长度标定自动化，免去繁琐的人工操作步骤，并且全机械化可保证取样的准确性，为室内岩石力学数据的可靠性奠定基础。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机的整体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的巷道立式钻机结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的集成操作平台的结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、安装平台；2、取芯钻头；3、取芯钻杆；4、钻机马达；5、钻机马达滑轨；6、液压抬升装置；7、集成操作平台；8、显示屏；9、集成操作平台外壳；10、电源开关；11、控制摇杆；12、数据输入端口；13、地质雷达；14、移动滑轨；15、喷头移动模块；16、伸缩喷头；17、喷头马达。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，现有取样方法存在着无法越过井下巷道破碎围岩松动圈取得原始状态岩样的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机及使用方法。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，包括，集成操作平台7、地质雷达13、巷道立式钻机和移动式喷码器，集成操作平台7、地质雷达13和移动式喷码器均设置在巷道立式钻机上。

巷道立式钻机由安装平台1、取芯钻头2、取芯钻杆3、钻机马达4、钻机马达滑轨5以及液压抬升装置6组成。

其中，钻机马达4底部设有支撑座，钻机马达4固定安装在支撑座上，并在支撑座与安装平台1之间设置钻机马达滑轨5，以使得钻机马达可以在安装平台上往复移动，实现钻进取芯。

本实施例中钻机马达滑轨5为现有的钢珠式结构，推拉顺滑，能够有效保证钻取工作的平稳进行，在其他实施例中钻机马达滑轨5也可以采用滚轮式、齿轮式或者是阻尼滑轨，或者是将支撑座与安装平台设置成滑块、滑道的形式，这里不做过多限制。

取芯钻杆3为中空结构，用于获取岩芯，取芯钻杆3的一端与钻机马达4连接，另一端与取芯钻头2连接，从而利用钻机马达4带动取芯钻杆转动以及水平移动。

可以理解的是，取芯钻头2也为中空结构，一端与取芯钻杆3固定连接，另一端设有开口，从而在钻取工作中使围岩岩样进入取芯钻杆3内。

由于钻取长度较长，一般在5m以上，导致所使用的取芯钻杆3较长，稳定性较差，本实施例中为了增加钻取工作的稳定性，在安装平台1靠近取芯钻头的一端固定设有支撑架，用于对取芯钻杆3的支撑限位，从而保证了取芯钻杆的工作稳定性。

安装平台1的底部设有支腿，支腿为伸缩结构，设有液压抬升装置6，使得巷道立式钻机可以适应不同高度的钻取要求，从而能够通过高度调节选取可钻取范围内松动圈厚度最小的围岩区域进行钻取工作。

目前较为可靠的围岩松动圈探测设备有以地质雷达为代表的电磁波探测仪器，该类仪器利用电磁波在岩体中传播速度与其所受应力大小和裂隙发育程度有关的原理，可精准、快速探测出围岩松动圈厚度。

因此，本实施例在巷道立式钻机上设置了地质雷达13，具体的，地质雷达13通过螺栓固定在巷道立式钻机的前端，即靠近取芯钻头2的一端。

地质雷达13的安装可以直接利用螺栓固定在安装平台1前端的支撑架的顶部，也可以独立设置一个支撑结构对地质雷达13进行支撑，或是将地质雷达13直接安装在安装平台的前端，只要能够保证地质雷达13的有效工作即可。

在探测中，地质雷达发射节向周围地层发射高频率电磁波脉冲，当遇到有电性差异(介电常数和电导率)的地质结构面或地质体时，电磁波将发生反射，接收节接收电磁波携带的地层介质电性及几何形态信息，通过计算机形成雷达图像，根据图像中的反射波振幅、频率、相位及旅行时间等信息，对雷达图像做出地质解释，从而对地质条件进行超前预测。

移动式喷码器固定设置在安装平台1上并位于巷道立式钻机的上端，用于将松动圈厚度在取芯钻杆3的相同位置处喷码标记，便于操纵人员舍弃位于松动圈的岩芯。

具体的，移动式喷码器由安装架、移动滑轨14、喷头移动模块15、伸缩喷头16以及喷头马达17构成，安装架固定设置在安装平台1的两端，安装架的顶端高于巷道立式钻机，移动滑轨14设置在安装架的两端。

移动滑轨14的上端设有喷头马达17，移动滑轨14的下端设有喷头移动模块15，喷头移动模块15上固定设有伸缩喷头16，从而使得伸缩喷头能够沿着移动滑轨14往复移动。

可以理解的是，喷头马达17可以固定设置在移动滑轨14上，也可以滑动设置在移动滑轨14上，当固定设置时，喷头马达17与伸缩喷头16通过可伸缩的线缆连接；当滑动设置时，喷头马达17与喷头移动模块15连接，喷头马达17在喷头移动模块15的作用下与伸缩喷头16同步移动。

集成操作平台7作为控制终端固定设置在巷道立式钻机1的一侧，具体的，巷道立式钻机1的左侧设有集成操作平台安装座，集成操作平台7固定安装在集成操作平台安装座上。

可以理解的是，集成操作平台安装座可以通过焊接、栓接、铆接等方式固定安装在巷道立式钻机的一侧，这里不做过多限制。

集成操作平台7由显示屏8、集成操作平台外壳9、电源开关10、控制摇杆11以及数据输入端口12组成，显示屏8、电源开关10、控制摇杆11以及数据输入端口12均设置在集成操作平台外壳9上。

其中，显示屏8为手触屏，用于显示围岩松动圈厚度，并可进行手动输入相应的厚度信息；控制摇杆11用于控制钻机马达4、喷头移动模块15的移动以及伸缩喷头16的伸缩工作；数据输入端口12用于数据的输入。

钻机马达4、地质雷达13、喷头马达17以及喷头移动模块15分别通过线缆与集成操作平台7连接，地质雷达13在获得巷道破碎边帮松动圈后定位所取围岩松动圈的厚度，并根据松动圈厚度获得钻进作业的无效取样长度，并将松动圈厚度信息以及无效取样长度信息传递给集成操作平台7，集成操作平台接收地质雷达输入的松动圈厚度信息，并将其转换为钻机钻进尺度，向钻机和移动式喷码器下达指令，实现设备运行的全自动化。

该装置还可以进行手动操作，使用者根据获取的信息通过集成操作平台7上的控制摇杆11控制钻机马达4工作，实现钻机的取芯工作，并通过控制摇杆11控制喷头马达17和喷头移动模块15的工作，在取芯钻杆3后端的相同位置处喷码标记，便于操作人员舍弃位于松动圈的岩芯，提高岩芯钻取的成功率。

实施例2

本申请的另一典型实施例中，提供如实施例1所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机的使用方法，先通过固定在钻机上的地质雷达13确定所选区域的围岩松动圈范围，随即控制钻机进行钻进取样工作，完成取样工作后取芯钻杆3带着岩芯退出，围岩松动圈厚度通过地质雷达传输给集成操作平台7，集成操作平台7控制移动式喷码器将相应的厚度信息标记在已退出取芯钻杆的相应位置处，围岩松动圈范围外的岩芯即为有效岩芯。

具体过程如下，本实施例以手动操控为例：

(1)将巷道立式钻机架设于所选取样巷道中；

(2)开启电源开关10，使机器处于开机状态；

(3)操作控制摇杆11，控制地质雷达13进行围岩松动圈测试；

(4)在显示屏8中得出围岩松动圈厚度，并在显示器8中输入相应厚度；

(5)使用控制摇杆11控制钻机马达4推动取芯钻头2和取芯钻杆3沿着钻机马达滑轨5前进，钻取围岩；

(6)钻取相应长度后，使用操作摇杆11控制钻机马达4拉动取芯钻头2和取芯钻杆3沿着钻机马达滑轨5后退，直至钻杆完全退出；

(7)在集成操作平台7上控制喷头移动模块15沿着移动滑轨14移动，直到伸缩喷头16距前端的位置与围岩松动圈厚度相等；

(8)伸缩喷头16在取芯钻杆3的对应位置处标号；

(9)卸下取芯钻杆3，并将岩芯从取芯钻杆3中推出；

(10)将所取岩芯与取芯钻杆3相比较，获得位于围岩松动圈外的有效岩芯；

(11)关闭电源开关10。

可以理解的是，在其他实施例中，可以通过集成操作平台7自动化控制整个工作，即通过在巷道立式钻机上安装地质雷达13准确获取巷道破碎边帮松动圈后未受扰动的原岩，其中地质雷达13可以精准定位所取围岩松动圈厚度，准确获得钻进作业的无效取样长度，集成操作平台7接收地质雷达输入的松动圈厚度信息，并将其转换为钻机钻进尺度，向钻机与移动式喷码器下达指令，移动式喷码器根据松动圈厚度在所取岩芯后端的相同位置处喷码标记，实现设备运行的全自动化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，包括立式钻机和移动式编码器，移动式编码器用以对取芯钻杆进行喷码；所述立式钻机前端固定设置地质雷达，所述移动式编码器包括可上下伸缩的伸缩喷头，且伸缩喷头可在水平方向往复移动。

2.如权利要求1所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述立式钻机包括安装平台，安装平台顶部水平设置滑轨，滑轨固定设置钻机马达。

3.如权利要求2所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述钻机马达与取芯钻杆连接，取芯钻杆端部设置取芯钻头。

4.如权利要求3所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述取芯钻杆和取芯钻头均为中空结构。

5.如权利要求2所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述安装平台底部设置支腿，支腿处设置液压抬升装置。

6.如权利要求1所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述伸缩喷头与喷头移动模块固定连接，喷头移动模块与水平设置的移动滑轨滑动连接。

7.如权利要求6所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述移动滑轨与安装架固定连接，安装架固定设置于立式钻机顶部。

8.如权利要求1所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述伸缩喷头与喷头马达连接，且喷头马达与集成操作平台连接。

9.如权利要求8所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机，其特征是，所述集成操作平台还与地质雷达、钻机马达连接；集成操作平台设有控制摇杆对钻机马达的钻进和后退进行控制。

10.如权利要求1-9任一项所述的用于井下破碎边帮岩样采集的钻机的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

将立式钻机架设于所选取样巷道中；

使地质雷达进行围岩松动圈测试，获取围岩松动圈厚度；

使取芯钻杆带动取芯钻头钻取围岩后退出；

将伸缩喷头移动至距取芯钻杆前端的位置与围岩松动圈厚度相等，伸缩喷头在取芯钻杆的对应位置处喷码标号；

卸下取芯钻杆，并将岩芯从取芯钻杆中推出，将所取岩芯与取芯钻杆相比较，获得位于围岩松动圈外的有效岩芯。

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