[发明专利]一种小尺寸岩石磨蚀性测试装置及方法

说明书

本发明公开一种小尺寸岩石磨蚀性测试装置及方法。该装置包括试样模具，所述试样模具由外壳体和内壳体组合构成；所述内壳体为方体结构，由支撑柱支撑；支撑柱位于外壳体底面中心，内壳体用于放置样品；所述内壳体侧壁与相对的外壳体侧壁之间连接有伸缩装置；伸缩装置通过伸缩可对试样侧面进行支撑。本发明可对天然矿物原石或软弱破碎岩石等尺寸不满足Cerchar标准试样要求的试样进行磨蚀性测试，全面考虑各种矿物成分与软弱破碎岩石对岩石磨蚀性的影响，为TBM滚刀磨损机制与磨损预测研究提供参考标准。

技术领域

本发明涉及岩石测量技术领域，具体涉及一种小尺寸岩石磨蚀性测试装置及方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展与能源需求的日益增加，我国迫切需要修建一批深埋长隧洞。得益于机械化的进程及其所具有的安全、经济、环保、高效等方面的优势，全断面岩石隧道掘进机(TBM)已越来越多地应用于硬岩隧道开挖。滚刀是TBM掘进过程中破碎岩石的主要部件，在掘进过程中岩石的不均匀性、地层的复杂性、岩体裂隙节理的多变性等因素将导致刀具受力变化以及刀具磨损形式各异，从而刀盘每掘进一段距离滚刀就会发生不同程度的磨损，需要定期更换滚刀，这严重制约了施工成本和施工工期。据统计，实际工程中TBM在硬岩掘进时刀具检修、更换以及刀盘维修所消耗的时间约占施工总时间的1/3，刀具磨损消耗的费用可达整个工程造价的1/3左右。

岩石的磨蚀性主要取决于岩石的强度和矿物成分，即岩石内硬质矿物构成比例越高，岩石越硬，其磨蚀性越高。一些研究采用石英含量来评价岩石磨蚀特性的强弱，认为石英是岩石中的主要磨蚀性矿物，但是岩石中除了石英外，长石、辉石、闪石等硬度较高的矿物对岩石磨蚀性影响也比较大，因而只用石英含量衡量岩石磨蚀性不充分，有必要研究各矿物成分对岩石磨蚀性的影响。目前，Cerchar划痕实验是一种被广泛认可的岩石磨蚀性测试实验，该试验的原理是采用一根圆锥角90°的合金钢针在70N的静载作用下于岩石表面划过10mm，而后在显微镜下测读钢针磨损面直径(单位mm)，其值的10倍为最终指标CAI值，即0.1mm＝1CAI值。Cerchar划痕试验具有装置简单、操作方便等优点，但试样需经过钻、切、磨三道工艺加工成直径或长宽为50mm、高度为40mm的圆柱体或矩形标准试样，且试样上下端面保持平行。由于高纯度的天然矿物岩石原料尺寸较小，如普通辉石、正长石、方解石、黑云母、角闪石等块度大小多为几厘米到十几厘米不等，不满足标准试样要求，无法进行Cerchar划痕试验，进而无法充分研究岩石的磨蚀性。

根据ISRM建议，Cerchar测试时每个岩样表面应至少进行五次划痕试验，取平均值作为其磨蚀值，即通过多次试验降低矿物成分的种类、含量以及胶结方式等因素对试验结果的影响。然而，由于滑动区域内矿物成分的不可控性和不可测性，现有试验设备仍无法充分考虑各矿物成分对岩石磨蚀性的影响。现有Cerchar划痕试验存在如下不足之处，即不能准确量测或获取钢针滑动距离内各岩石矿物成分含量，进而无法定量研究矿物成分对岩石磨蚀性的影响。主要原因有以下两点，其一是岩石具有不连续性、不均质性和各向异性，岩石是自然界中各种矿物的集合体，矿物成分的种类、含量以及排列方式均对试验结果有较强的影响；其二是试验钢针针尖较细，划痕区域为10mm的直线段，试验范围较小，进而增强了矿物成分对试验验结果的影响。

经检索发现，中国专利CN201910504988.8公开了一种岩石矿物磨蚀度精准检测方法，该发明采用自主研制的新型类岩石透明树脂材料为介质，将单一或多种高纯度矿物颗粒预先布置于模具表面浇筑成试样。但该发明存在如下不足之处：其一，对于粒径大于10mm钢针滑动区的颗粒，由于研磨后矿物颗粒形状的不规则性，其表面非水平面，浇筑成树脂试样时会在测试表面的划痕区域内凝结树脂介质，进而影响试验结果；其二，对于粒径小于10mm钢针滑动区的颗粒，不能考虑矿物颗粒间的连结和微结构面的影响，此外由于颗粒尺寸较小且形状各异，难以控制实际滑动区域内矿物颗粒的整体或局部排列区域密度；其三，模拟试件只能在矿物原石的一个表面进行试验，矿物的其他表面均包裹在树脂介质中无法试验，同时该模具不具备重复性，试验结束后不能反复利用。

发明内容