[发明专利]一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法

说明书

本发明公开的岩石耐磨性数字钻进测试系统包括用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。本发明还涉及岩石耐磨性数字钻进测试方法。本发明通过监测钻具数字响应信息，获取岩石钻进过程的单位钻进位移量，用于评价不同质量岩石的耐磨性，以指导硬岩隧道掘进机合理选用滚刀参数、提高施工效率和降低成本。

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，尤其涉及不同质量岩石耐磨性的数字钻进测试系统及方法。

背景技术

全断面掘进机法（TBM）安全、快速掘进逐渐是隧道工程领域的前沿热点问题，在硬岩隧道工程TBM施工过程中，滚刀会因受到岩石反作用而损伤，滚刀寿命和掘进效率往往取决于岩石耐磨性。工程经验表明在掌握岩石耐磨性的情况下，合理设置滚刀刚度和优化滚刀间距，将能够大幅度增加TBM滚刀寿命。而且，TBM施工预测模型通常将岩石耐磨性作为重要参数。因此，预先评价岩石耐磨性，对于TBM隧道合理选用滚刀、提高施工效率、降低成本具有重要意义。

目前，广泛应用的岩石耐磨性评估方法是塞查尔试验。这种方法是利用重物加载到钢针上，针尖作用于平整的岩石表面滑动，以磨损后的针尖宽度来评价岩石耐磨性，并命名为CAI。塞查尔试验解决了岩石耐磨性难以测定的问题，在工程起到了积极作用，但实际应用中也反映了一些问题。塞查尔试验需要在显微镜下精细测量钢针磨损后针尖的直径，测量不便利，而且钢针一次性使用后就废弃。一些案例证明了钢针硬度、试验条件和地质力学性能对测试结果有显著影响。此外，用于岩石耐磨性评估的还有挪威的磨损测试法，这种方法是将岩石碾成颗粒直径小于1 mm的岩粉，用其摩擦旋转的刀具，以刀具磨损程度判断岩石耐磨性，但是这种方法操作十分复杂，仅用于特隆赫姆挪威科技大学提出的TBM性能分析模型的岩石耐磨性指标。因此，岩石耐磨性的预测是隧道及地下工程领域面临的技术难题。

数字钻进技术的发展可为岩石耐磨性测试提供了新思路。钻探是岩土工程中最常用的勘探方法，数字钻进测试技术是利用信息化技术提升和完善钻探技术。大量的现场和室内数字钻进试验表明数字钻进参数与工程岩体力学参数具有很好的相关性。目前岩土技术领域已经成功实现了由钻孔试验获取岩石单轴抗压强度，通过小尺寸钻进试验预测岩石黏聚力和内摩擦角。而且，数字钻进技术还能够应用到岩体原位测试，例如，基于仪器装备的钻孔技术实现了岩层界面辨识和地层质量划分，通过钻进数据的波动性来计算岩体完整性。尽管如此，目前对于不同质量条件的岩石耐磨性的数字钻进技术方面还暂未开展和应用。与此同时，利用数字钻进技术开展快捷、连续和原位测试岩石物理和力学参数的新方法研究具有重要价值。因此，亟待研发一种能够应用TBM法硬岩隧道工程岩石耐磨性的数字钻进试验设备，即一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法。

发明内容

本发明公开了一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法，通过推进扭矩、推进压力和钻进位移等监测钻具数字响应信息，获取岩石钻进过程的单位时间的钻进位移，用于计算岩石的耐磨性，以指导硬岩隧道掘进机合理选用滚刀参数、提高施工效率和降低成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种岩石耐磨性数字钻进测试系统包括：用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。

通过采用上述技术方案，克服了传统钻进装置中转动部分在上部产生的问题，即，上部结构复杂，使得挠度大、容易偏离中心线摆动，而像本发明这样把转动装置设置到下部就会简化结构并使整个测试系统更稳定。