專利名稱：一種高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研究高應(yīng)力巖石在各類鉆鑿機(jī)具沖鑿下的破壞特性及鉆具的力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置，特別是涉及一種高應(yīng)力巖石鉆鑿實(shí)驗(yàn)裝置。技術(shù)背景
在地下資源開采、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(yīng)力，當(dāng)它遭受到來自鑿巖機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等的作用時(shí)，巖石和機(jī)具都表現(xiàn)出與淺部施工完全不同的特點(diǎn)。對于巖石，由于有高應(yīng)力的存在，相當(dāng)于具備了圍壓效應(yīng)，整體強(qiáng)度增大，但在與機(jī)具接觸的局部表面，在動力擾動下又易于發(fā)生“巖爆”式破壞；對于鉆鑿機(jī)具，除鉆頭磨蝕程度增加外，鉆鑿效率大大降低，而且當(dāng)鉆頭進(jìn)入巖石一定深度后，卡鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，極大地影響了施工進(jìn)度和作業(yè)安全。由于目前巖石力學(xué)成果多服務(wù)于淺部工程，對深部巖石的高應(yīng)力狀態(tài)缺乏考慮，各類基于現(xiàn)有巖石力學(xué)理論的設(shè)計(jì)和施工方法無法保障深部工程的作業(yè)安全。隨著當(dāng)前各類深部工程的不斷增多，亟需在認(rèn)清高應(yīng)力巖石沖擊力學(xué)特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出合理的鉆鑿機(jī)具，本發(fā)明即為實(shí)現(xiàn)這一目而提出。
目前國內(nèi)外關(guān)于巖石鉆鑿的各類裝置研究主要側(cè)重于鉆鑿機(jī)具的機(jī)械設(shè)計(jì)和動作實(shí)現(xiàn)，缺少對鉆鑿對象特殊狀態(tài)的研究，特別是缺乏考慮受鑿巖石聞應(yīng)力狀態(tài)對鉆鑿效果和鉆頭工況的影響。如“PDC鉆鑿特性測定試驗(yàn)裝置”(中國發(fā)明專利，專利號200910118933. X)和“PDC鉆鑿特性測定試驗(yàn)裝置”(中國實(shí)用新型專利，專利號 200920007005. I)提供了一種在室內(nèi)條件下獲得PDC鉆頭鉆鑿、磨損及抗沖擊特性的實(shí)驗(yàn)裝置；又如“用于巖石鉆鑿作業(yè)的方法和裝置”(中國發(fā)明專利，專利號200680042510. 9)提出了一種對鉆鑿裝置中的鉆鋼接頭進(jìn)行松弛的方法，使系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。這些裝置和研究均沒有涉及被鉆鑿巖石的應(yīng)力狀態(tài)，而近年的深部巖石力學(xué)研究和工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)處于地下深部的巖石，由于具有極高的初始應(yīng)力，其力學(xué)響應(yīng)和破壞特性與無應(yīng)力巖石截然不同。要研究其鉆鑿特性，必須從裝置上實(shí)現(xiàn)這種高應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而對沖擊特性、鉆鑿效率、磨蝕機(jī)理、卡鉆原因等進(jìn)行研究。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能實(shí)現(xiàn)巖石圍壓加載、沖擊式鑿入，獲取沖擊鉆鑿下高應(yīng)力巖石的破壞特性和鉆具工作性能的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置，由沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)和高應(yīng)力巖石鉆鑿臺組成，所述的沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是在支架設(shè)有自動提升機(jī)構(gòu)，所述的支架上設(shè)有處于同一垂直軸線上的釬桿導(dǎo)向滑軌和定位孔，豎向設(shè)置的釬桿滑動設(shè)在所述的釬桿導(dǎo)向滑軌內(nèi)且穿插在所述的定位孔內(nèi)，所述的自動提升機(jī)構(gòu)連接有設(shè)有自動解鎖機(jī)構(gòu)的抓手，所述的釬桿的下端連接有鉆頭，所述的抓手能抓住所述的釬桿的上端，所述的支架上設(shè)有用于示讀所述的釬桿與所述的鉆頭的高度位置的標(biāo)尺，所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿臺設(shè)在所述的支架的下端，所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿臺包括兩對成“十”字設(shè)置且每對相對設(shè)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(gè)所述的高壓油缸設(shè)有加壓活塞，所述的鉆頭沖擊鉆鑿放置在所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿臺上的巖石試樣。
所述的支架上設(shè)有釬桿下限擋板，所述的釬桿下限擋板與所述的釬桿對應(yīng)下行限位。
所述的標(biāo)尺采用標(biāo)尺固定架固定安裝在所述的支架上。
所述的自動提升機(jī)構(gòu)安裝在所述的支架的頂端，所述的自動提升機(jī)構(gòu)設(shè)有轉(zhuǎn)動馬達(dá)用于收放鋼繩，所述的抓手與所述的鋼繩連接。
所述的鉆頭和所述的釬桿通過裝配螺紋連接。
采用上述技術(shù)方案的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置，來自沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)的鉆頭沖擊鉆鑿在高應(yīng)力巖石試樣上，沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)通過提升釬桿與鉆頭到一定高度，然后釋放使其自由下落沖擊高應(yīng)力巖石完成動作。自動提升機(jī)構(gòu)安裝在整個(gè)裝置的頂端，內(nèi)有轉(zhuǎn)動馬達(dá)用于收放鋼繩，且具有獨(dú)立的制動開關(guān)可隨時(shí)啟動與停止提升動作，還有自動解鎖機(jī)構(gòu)，當(dāng)釬桿與鉆頭到達(dá)需要的高度時(shí)打開抓手釋放釬桿和鉆頭。標(biāo)尺用于示讀釬桿與鉆頭的高度位置。巖石試樣放置在四個(gè)加壓活塞之間，巖石的應(yīng)力通過液壓控制元件進(jìn)行精確控制，大小由壓力表進(jìn)行示讀。
本發(fā)明主要優(yōu)點(diǎn)在于針對深部工程巖石高應(yīng)力的特點(diǎn)，發(fā)明可實(shí)現(xiàn)沖擊鉆鑿高應(yīng)力巖石的試驗(yàn)系統(tǒng)，由于巖石試驗(yàn)狀態(tài)與深部巖石受力特征更吻合，利用本發(fā)明可獲得現(xiàn)有巖石鉆鑿裝置無法獲得的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果更能反映工程實(shí)際。
綜上所述，本發(fā)明是一種能模擬地下深部巖石的高應(yīng)力受力狀態(tài)、獲得其沖擊破壞特性、鉆鑿性能和鉆具磨蝕參數(shù)的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置。


圖I為本發(fā)明聞應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置不意圖。
圖2為裝置中聞應(yīng)力巖石鉆鑿臺俯視不意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
參見圖I和圖2,由沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)和聞應(yīng)力巖石鉆鑿臺12組成，自動提升機(jī)構(gòu)I安裝在支架9的頂端，自動提升機(jī)構(gòu)I設(shè)有轉(zhuǎn)動馬達(dá)用于收放鋼繩2，設(shè)有自動解鎖機(jī)構(gòu)的抓手6與鋼繩2連接，支架9上設(shè)有處于同一垂直軸線上的釬桿導(dǎo)向滑軌3、定位孔10和釬桿下限擋板8，豎向設(shè)置的釬桿7滑動設(shè)在釬桿導(dǎo)向滑軌3內(nèi)且穿插在定位孔10內(nèi)，釬桿下限擋板8與釬桿7對應(yīng)下行限位，釬桿7的下端通過裝配螺紋連接有鉆頭11，抓手6能抓住釬桿7的上端，支架9上采用標(biāo)示固定架4設(shè)有用于示讀釬桿7與鉆頭11的高度位置的標(biāo)尺 5，高應(yīng)力巖石鉆鑿臺12設(shè)在支架9的下端，高應(yīng)力巖石鉆鑿臺12包括兩對成“十”字設(shè)置且每對相對設(shè)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(gè)高壓油缸15設(shè)有加壓活塞14，鉆頭11沖擊鉆鑿放置在高應(yīng)力巖石鉆鑿臺12上的巖石試樣。
參見圖I和圖2，來自沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)的鉆頭11沖擊鉆鑿在高應(yīng)力的巖石試樣13 上，自動提升機(jī)構(gòu)I通過提升釬桿7與鉆頭11到一定高度，然后釋放使其自由下落沖擊高應(yīng)力巖石完成動作。自動提升機(jī)構(gòu)I內(nèi)有轉(zhuǎn)動馬達(dá)用于收放鋼繩2，且具有獨(dú)立的制動開關(guān)可隨時(shí)啟動與停止提升動作，當(dāng)釬桿7與鉆頭11到達(dá)需要的高度時(shí)自動解鎖機(jī)構(gòu)打開抓手 6釋放釬桿7和鉆頭11，標(biāo)尺5用于示讀釬桿7與鉆頭(11)的高度位置。
巖石試樣13放置在四個(gè)加壓活塞14之間，巖石試樣13的應(yīng)力通過液壓控制元件 16進(jìn)行精確控制，大小由壓力表17進(jìn)行示讀。
I.利用裝置研究不同沖擊強(qiáng)度下巖石的破壞特性。
試驗(yàn)前制備好多個(gè)巖石試樣13,將制備好的一個(gè)巖石試樣13放置于高應(yīng)力巖石鉆鑿臺12中，不施加初始應(yīng)力，釬桿7和鉆頭11保持垂直接觸于巖石試樣13表面，從標(biāo)尺 5讀出釬桿7頂部的位置，用自動提升機(jī)構(gòu)I帶動抓手6將釬桿7和鉆頭11提起O. 5m,然后松開抓手6，釬桿7和鉆頭11以一定的速度沖擊巖石試樣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沖碎的巖石碎屑的重量、粒級分布參數(shù)， 進(jìn)行記錄。接著，更換巖石試樣13，改變釬桿7和鉆頭11的沖擊高度，如lm、l. 5m,2. 0m、2.5m,3m幾個(gè)高度級別，分別進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，獲得不同工況下巖石表面的破碎坑幾何尺寸和被沖碎的巖石碎屑的重量、粒級分布參數(shù)，依次進(jìn)行記錄，通過這些測試結(jié)果可了解不同沖擊強(qiáng)度下巖石的破壞特性，記錄寫入表I中，表I為本發(fā)明實(shí)例I獲得的不同沖擊強(qiáng)度下巖石的破壞結(jié)果記錄表。
表I
權(quán)利要求
1.一種高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置，其特征在于由沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)和高應(yīng)力巖石鉆鑿臺(12)組成，所述的沖擊鉆鑿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是在支架(9)設(shè)有自動提升機(jī)構(gòu)(1)，所述的支架 (9)上設(shè)有處于同一垂直軸線上的釬桿導(dǎo)向滑軌(3)和定位孔(10)，豎向設(shè)置的釬桿(7) 滑動設(shè)在所述的釬桿導(dǎo)向滑軌(3)內(nèi)且穿插在所述的定位孔(10)內(nèi)，所述的自動提升機(jī)構(gòu)(I)連接有設(shè)有自動解鎖機(jī)構(gòu)的抓手(6)，所述的釬桿(7)的下端連接有鉆頭(11)，所述的抓手(6)能抓住所述的釬桿(7)的上端，所述的支架(9)上設(shè)有用于示讀所述的釬桿(7) 與所述的鉆頭(11)的高度位置的標(biāo)尺(5)，所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿臺(12)設(shè)在所述的支架(9)的下端，所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿臺(12)包括兩對成“十”字設(shè)置且每對相對設(shè)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(gè)所述的高壓油缸(15)設(shè)有加壓活塞(14)，所述的鉆頭(11)沖擊鉆鑿放置在所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿臺(12)上的巖石試樣(13) ο
2.按照權(quán)利要求I所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的支架(9)上設(shè)有釬桿下限擋板(8)，所述的釬桿下限擋板⑶與所述的釬桿(7)對應(yīng)下行限位。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的標(biāo)尺(5) 通過標(biāo)尺固定架(4)固定安裝在所述的支架(9)上。
4.按照權(quán)利要求I或2所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的自動提升機(jī)構(gòu)(I)安裝在所述的支架(9)的頂端，所述的自動提升機(jī)構(gòu)(I)設(shè)有轉(zhuǎn)動馬達(dá)用于收放鋼繩(2)，所述的抓手(6)與所述的鋼繩(2)連接。
5.按照權(quán)利要求I或2所述的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的鉆頭(II)和所述的釬桿(7)通過裝配螺紋連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)裝置可用于高應(yīng)力巖石的沖擊鉆鑿實(shí)驗(yàn)，屬于巖石力學(xué)研究領(lǐng)域。裝置主要包括自動提升機(jī)構(gòu)(1)、鋼繩(2)、抓手(6)、釬桿(7)、鉆頭(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(fā)明可在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)地下深部巖石的高應(yīng)力受力狀態(tài)，并完成沖擊鉆鑿試驗(yàn)，獲得高應(yīng)力巖石的沖擊破壞特性和鉆具的鉆鑿性能與磨蝕參數(shù)，為深部巖石力學(xué)研究提供了一種獨(dú)特的高應(yīng)力巖石鉆鑿試驗(yàn)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(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)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(xué)