[实用新型]一种岩体力学特性室内钻进感知试验系统

说明书

本实用新型涉及一种岩体力学特性室内钻进感知试验系统，包括岩体试样、加载子系统、钻进子系统、控制子系统和监测子系统。加载子系统用于对岩体试样施加围压和轴压。其中，岩体试样内模拟设置溶洞、断层和破碎带；钻进子系统用于对所述岩体试样进行钻进；监测子系统用于对所述钻机的钻进参数进行监测；控制子系统用于控制所述加载子系统施加围压和轴压，还用于控制所述钻机的工作。本实用新型在岩体试样中预先模拟设置结构面、破碎带、溶洞等不良地质，控制子系统控制钻机对预设不良地质的岩体试样进行钻进，监测子系统对钻机的钻进压力、钻机扭矩和钻杆转速进行监测，实现在不同应力状态下开展岩体尤其是不良地质体的力学特性的钻进感知试验。

技术领域

本实用新型涉及岩体力学技术领域，尤其涉及一种岩体力学特性室内钻进感知试验系统。

背景技术

随着我国经济建设的快速发展，各类岩土工程及资源开发的难度和规模不断增大，地下工程、边坡工程、基础工程等岩体工程的技术难度日益增加。以隧道为例，未来10年，将新建铁路、公路深埋长大隧道、水工隧道上万公里，这些工程大多位于地质条件极端复杂的高山峡谷地区。由于工程地质条件复杂多变、传统岩体力学试验手段作用有限，不能完全查明隧道沿线的岩体力学特性情况，存在大量盲区。使得对岩体进行施工的过程受到影响，甚至导致发生塌方、突水、突泥、涌砂等灾害，造成大量人员伤亡、工期延误和经济损失。

现有的岩体力学测试方法，在复杂地质和高应力环境下，难以经济、快速的获取岩体力学特性。钻进感知技术是钻机钻头直接接触岩体并破岩钻进，通过对钻进过程中的钻进速度、钻杆转速、钻进扭矩、钻杆振动等钻进参数进行量测，进而感知和快速获取岩体力学特性的试验测试技术。大量的钻进试验研究已经证明钻进过程中钻进参数与岩石力学性质密切相关。相比于传统的试验测试方法，钻进试验测试技术是近年来的研究热点和发展方向，为岩石力学参数的实时感知和获取提供了新的有效手段。开展岩体钻进感知试验研究，快速获取岩体力学特性是当前重大建设和岩石力学研究的迫切需要。

由于现场钻机类型、规格不同，地层各异，学者们对钻进参数的分析重点也不同，提出的指标也不一致，尚未形成统一认识。现有的室内岩石钻进试验系统，采用电机控制钻头钻进，通过压力传感器和扭矩传感器对试验中的轴向钻压和旋转扭矩进行测量，以此评价岩石的力学性质。例如李术才等研发的室内钻探试验系统，可以实现小体积试样的回转钻进室内试验。该设备采用电动回转钻机，钻头为直径60mm的PDC钻头。试样尺寸为长150～300mm×宽150～300mm×钻进深度600mm。可施加侧向和轴向的最大荷载为1000kN，最大围压约10MPa，最大轴向压力约40MPa。

现有的岩石钻进试验系统对于研究钻机钻进破岩的响应规律起到了积极推进作用，但仍存在以下不足：

1)岩石试样中仅模拟简单地质情况，没有预设结构面、破碎带、溶(空)洞等不良地质。

2)主要监测钻机的钻进参数，对钻进过程中试样的响应研究较少，未监测钻进破岩过程中岩体-钻机的耦合响应信息。

3)钻进深度较小，一般小于1m。

4)试样所受的应力水平较低，不能模拟较高地应力的情况。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种岩体力学特性室内钻进感知试验系统，解决现有系统的以下四方面问题：

1)在岩石试样中仅模拟简单地质情况，未考虑结构面、破碎带、溶(空)洞等不良地质情况；

2)未监测钻进破岩过程中岩体-钻机的耦合响应信息；

3)钻进深度较小，一般小于1m；

4)试样所受的应力水平较低，不能模拟较高地应力的情况。本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：