[发明专利]岩体多场耦合旋切钻进测试装置与方法

说明书

本发明提供了一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置与方法。该岩体多场耦合旋切钻进测试装置包括外部框架、应力渗流施加系统、温度施加系统、钻机系统和控制监测系统。轴向液压油缸向岩体试件施加轴向围压，液体进入容水腔后对岩体试件施加侧向围压，液体穿过渗透薄膜对岩体试件施加渗流场；温度施加系统用于对岩体试件施加温度场；钻机系统穿过预留孔对岩体试件进行旋切；控制监测系统处理钻杆系统的钻进数据，该岩体多场耦合旋切钻进测试装置能够有效还原现场岩体所受的应力、渗流和温度环境，可以随钻获取岩体在应力场、渗流场和温度场多场耦合作用下的钻进参数，从而得到岩体的等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

技术领域

本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，特别涉及一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置与方法。

背景技术

随着地下工程的迅速发展，工程建设过程中经常面临高应力、强渗流、高温等复杂条件，引起岩体物理力学性质和应力状态的改变，应力-渗流-温度多场耦合作用下的岩体物理力学性质研究显得尤为重要。数字钻探测试技术利用钻进速度、钻头转速、钻进压力和钻进扭矩随钻参数与岩体强度参数的相关性，能够实现岩体等效抗压强度、等效粘聚力、等效内摩擦角等强度参数的快速获取，大大提高了测试效率，可实现原位测试。但目前未见对于岩体应力-渗流-温度多场耦合作用下岩体强度参数实时获取的研究，因此，需要研发岩体应力-渗流-温度多场耦合旋切钻进测试系统与方法，研究应力场-渗流场-温度场耦合作用下岩体强度参数随钻演化规律，为复杂条件下岩体力学参数原位获取提供理论与技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置，该岩体多场耦合旋切钻进测试装置能够有效还原现场岩体所受的应力、渗流和温度环境，可以随钻获取岩体在应力场、渗流场和温度场多场耦合作用下的钻进参数，从而得到岩体的等效抗压强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量。

本发明还提供一种岩体钻进旋切测试的方法。

为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种岩体多场耦合旋切钻进测试装置。所述岩体多场耦合旋切钻进测试装置应用于岩体试件的旋切钻进测试，包括外部框架、应力渗流施加系统、温度施加系统、钻机系统和控制监测系统。所述外部框架包括试验平台、以及分别设置于所述试验平台上的侧壁和上座，所述上座开设有预留孔；所述应力渗流施加系统包括轴向围压施加组件和渗流施加组件，所述围压施加组件包括底座和连接于所述底座上的轴向液压油缸，所述侧壁、所述上座和所述底座围设形成放置所述岩体试件的压力室，所述轴向液压油缸向所述岩体试件施加轴向围压以保持所述岩体试件不发生移动，所述渗流施加组件包括渗透薄膜，所述渗透薄膜与所述岩体试件的外壁贴合且与所述侧壁围设形成容水腔，以使液体进入所述容水腔后对所述岩体试件施加侧向围压，液体穿过所述渗透薄膜，以对所述岩体试件施加渗流场；所述温度施加系统用于对所述岩体试件施加温度场；所述钻机系统包括设置于所述上座上方的钻机推进组件和钻机组件，所述钻机组件穿过所述预留孔对所述岩体试件进行旋切，所述钻机推进组件连接于所述钻机组件远离所述岩体试件的一端，以驱动所述钻机组件钻进；所述控制监测系统包括控制单元和监测单元，所述监测单元包括设置于所述钻机组件的扭矩传感器和设置于所述钻机推进组件的压力传感器，所述扭矩传感器和所述压力传感器分别与所述控制单元电连接，以处理所述钻机系统的钻进数据，所述应力渗流施加系统、所述温度施加系统和所述钻机系统分别与所述控制单元电连接。

根据本发明的一实施方式，其中，所述钻机推进组件包括第一伺服电机、螺纹杆和用于安装所述钻机组件的钻机架，所述第一伺服电机连接于所述外部框架上，所述螺纹杆连接于所述第一伺服电机，所述钻机架与所述螺纹杆螺纹连接，以将所述螺纹杆的旋转运动转换为所述钻机架的直线运动，所述压力传感器设置于所述螺纹杆上。

根据本发明的一实施方式，其中，所述钻机组件包括依次连接的第二伺服电机、传动轴、钻杆本体和钻头，所述第二伺服电机连接于所述钻机架上，所述扭矩传感器设置于所述传动轴和所述第二伺服电机之间。