一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置

摘要

本发明公开了一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，包括设置在岩样钻机上的岩芯工装夹具，岩芯工装夹具包括液压抱紧组件、量角支撑支架以及抱紧固定支架；量角支撑支架固定设置在岩样钻机的取样钻头下方的钻机工作台上，液压抱紧组件通过抱紧固定支架安装于量角支撑支架上，液压抱紧组件将倾斜钻孔岩芯两端固定抱紧，并相对于抱紧固定支架锁紧定位，抱紧固定支架一端铰装，另一端与量角支撑支架可调节固定。本发明通过液压抱紧组件抱紧固定岩芯，较现有的人工固定方式具有角度设定准确、试样固定良好，节省人力，操作简单的特点，对于准确地对倾斜钻孔岩芯取样进行水平地应力测量，进而对于岩土工程的设计及施工安全具有基础意义。

权利要求

1.一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，其特征在于：包括设置在岩样钻机（1）上的岩芯工装夹具，

所述岩芯工装夹具包括液压抱紧组件（5）、量角支撑支架（6）以及抱紧固定支架（9）；

所述量角支撑支架（6）固定设置在岩样钻机（1）的取样钻头（2）下方的钻机工作台（10）上，所述液压抱紧组件（5）通过抱紧固定支架（9）安装于量角支撑支架（6）上，所述液压抱紧组件（5）将倾斜钻孔岩芯两端固定抱紧，并相对于抱紧固定支架（9）锁紧定位，所述抱紧固定支架（9）一端铰装，另一端与量角支撑支架（6）可调节固定；

所述液压抱紧组件（5）为两组，包括同轴设置在抱紧固定支架（9）上的刚性外筒（51），所述刚性外筒（51）的内壁设置柔性内套（52），所述刚性外筒（51）和柔性内套（52）之间形成封闭的环形腔体，环形腔体的内圈套装在倾斜钻孔岩芯两端，所述环形腔体通过液压管路（13）分别与注油加压模块（14）和回油泄压模块（15）连通。

2.根据权利要求1所述的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，所述量角支撑支架（6）上设有量角调节槽（3），所述量角调节槽（3）为以抱紧固定支架（9）的铰接点为圆心的圆弧槽，所述抱紧固定支架（9）通过量角调节螺栓（18）可调节固定在量角调节槽（3）中。

3.根据权利要求2所述的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，所述量角调节槽（3）的两侧还设有角度盘（4）。

4.根据权利要求3所述的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，所述角度盘（4）的最大角度为45°。

5.根据权利要求1所述的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，所述抱紧固定支架（9）为两组，分别对称分布在液压抱紧组件（5）的两侧，所述刚性外筒（51）的外壁通过抱紧组件固定螺栓（11）与抱紧固定支架（9）锁紧。

6.根据权利要求5所述的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，所述抱紧固定支架（9）上沿液压抱紧组件（5）的轴线方向设有螺栓调节槽（17），所述抱紧组件固定螺栓（11）滑动嵌装在螺栓调节槽（17）内。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，所述岩芯工装夹具通过装置操作台（12）固定在钻机工作台（10）上，所述装置操作台（12）通过装置操作台固定螺栓（7）固定在钻机工作台（10）的钻机工作台调整槽（8）上，所述量角支撑支架（6）以及抱紧固定支架（9）设置在装置操作台（12）上，所述装置操作台（12）上设有供取样钻头钻孔通过的操作台通槽（16），所述操作台通槽（16）与倾斜钻孔岩芯的轴线位于同一竖直面内。

说明书

一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置

技术领域

[0001] 本发明属于钻探实验技术，具体涉及一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置。

背景技术

[0002] 随着岩石工程深度的增加，岩爆事故呈逐渐增高的趋势，地应力的测量对于深部岩石工程安全、高效开展具有基础意义。当前对于深部地应力测量的主要方法为钻探法。目前主要钻探方法为由地面打倾斜钻孔或者垂直钻孔进行探测。倾斜钻孔钻探由于其能够钻探地面不可钻探区域的深部地应力情况的同时，可以在一个位置打多个方向的倾斜钻孔，在环保意识及土地保护意识显著加强的今天受到越来越多的青睐。与此同时，由于倾斜钻孔取出的岩芯与水平方向存在一定的夹角，在测量水平地应力时，若按传统的试样钻取方式，将试样水平放置在试样钻取机的钻取台上会使钻取的试样的轴线与钻孔岩芯未取出时受到的水平应力之间存在夹角，利用该试样测得的水平应力不准确。

[0003] 当前解决倾斜岩芯的取样测试水平地应力时，通过人为地将岩芯用垫块把岩芯设置成一定的角度，然后用手或者其他装置将其简单固定。在钻取岩样的过程中，由于钻凿力及振动都较大，很难保证试样的稳定，造成不可避免的误差。此外，利用垫块将其设定一定的角度，本身具有一定的误差，且在钻取的过程中，岩芯不稳定会造成岩芯滑动等使得角度误差进一步增大，甚至钻不出理想的试样。这对后续的地应力计算具有很大的影响。

发明内容

[0004] 本发明解决的技术问题是：针对上述技术缺陷，提供一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，提高倾斜钻孔的岩芯试样进行水平地应力测试结果的准确度。

[0005] 本发明采用如下技术方案实现：

[0006] 一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置，包括设置在岩样钻机1上的岩芯工装夹具，

[0007] 所述岩芯工装夹具包括液压抱紧组件5、量角支撑支架6以及抱紧固定支架9；

[0008] 所述量角支撑支架6固定设置在岩样钻机1的取样钻头2下方的钻机工作台10上，所述液压抱紧组件5通过抱紧固定支架9安装于量角支撑支架6上，所述液压抱紧组件5将倾斜钻孔岩芯两端固定抱紧，并相对于抱紧固定支架9锁紧定位，所述抱紧固定支架9一端铰装，另一端与量角支撑支架6可调节固定。

[0009] 进一步的，所述量角支撑支架6上设有量角调节槽3，所述量角调节槽3为以抱紧固定支架9的铰接点为圆心的圆弧槽，所述抱紧固定支架9通过量角调节螺栓18可调节固定在量角调节槽3中，量角调节螺栓18不仅可以通过量角调节槽3实现量角支撑支架6和抱紧固定支架9的连接，还可以通过其松紧实现抱紧固定支架9的摆动调角与固定。

[0010] 进一步的，所述量角调节槽3的两侧还设有角度盘4，可以参照角度盘调整抱紧固定支架9的角度进而调节液压抱紧组件5的角度。

[0011] 优选的，所述角度盘4的最大角度为45°。

[0012] 进一步的，所述液压抱紧组件5为两组，包括同轴设置在抱紧固定支架9上的刚性外筒51，所述刚性外筒51的内壁设置柔性内套52，所述刚性外筒51和柔性内套52之间形成封闭的环形腔体，环形腔体的内圈套装在倾斜钻孔岩芯两端，所述环形腔体通过液压管路13分别与注油加压模块14和回油泄压模块15连通，所述注油加压模块14与回油卸压模块15同时与两个液压抱紧组件5相连，可以实现两个液压抱紧组件5对岩芯两端同时加压和卸压，有利于岩芯的稳定。以液压油在环形腔体内产生的压力实现岩芯的抱紧，通过回油卸压模块15和注油加压模块14实现液压抱紧组件5内径的柔性内套的舒展与紧缩，实现对岩芯的抱紧卸压与抱紧加压，不仅能够保证岩芯受力的均匀性，使得试样不容易由于受力不均匀发生破坏，而且能够实现可控的加压与卸压。

[0013] 进一步的，所述抱紧固定支架9为两组，分别对称分布在液压抱紧组件5的两侧，所述刚性外筒51的外壁通过抱紧组件固定螺栓11与抱紧固定支架9锁紧。

[0014] 进一步的，所述抱紧固定支架9上沿液压抱紧组件5的轴线方向设有螺栓调节槽17，所述抱紧组件固定螺栓11滑动嵌装在螺栓调节槽17内，通过抱紧组件固定螺栓11的松紧实现液压抱紧组件5的轴向移动与固定，进而可以根据岩芯试样的长短改变液压抱紧组件5之间的轴向距离，保证对岩芯试样的可靠固定。

[0015] 在本发明的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置中，所述岩芯工装夹具通过装置操作台12固定在钻机工作台10上，所述装置操作台12通过装置操作台固定螺栓7固定在钻机工作台10的钻机工作台调整槽8上，所述量角支撑支架6以及抱紧固定支架9设置在装置操作台12上，所述装置操作台12上设有供取样钻头钻孔通过的操作台通槽16，所述操作台通槽16与倾斜钻孔岩芯的轴线位于同一竖直面内，能够根据需要通过装置操作台固定螺栓7的松紧，实现装置操作台12的固定与松动，进而调节装置操作台12在钻机工作台上的位置。

[0016] 本发明利用量角支撑支架根据倾斜钻孔岩芯所需要调节的角度，参照角度盘对其角度进行调整，并通过量角调节螺栓对其设定角度进行固定。通过注油加压模块和回油卸压模块对岩芯两端的液压抱紧组件进行加压或卸压，实现液压抱紧组件对岩芯的抱紧和松动。通过松动装置操作台固定螺栓进而实现装置操作台在钻机工作台上的移动，以实现岩样钻机的取样钻头与装夹固定的岩芯对齐。

[0017] 本发明通过液压抱紧组件抱紧固定岩芯，较现有的人工固定方式具有角度设定准确、试样固定良好，节省人力，操作简单的特点，对于准确地对倾斜钻孔岩芯取样进行水平地应力测量，进而对于岩土工程的设计及施工安全具有基础意义。

[0018] 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

[0019] 图1为实施例中的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置的整体结构示意图。

[0020] 图2为实施例中的液压抱紧组件的截面示意图。

[0021] 图中标号：1-岩样钻机，2-取样钻头，3-量角调节槽，4-角度盘，5-液压抱紧组件，51-刚性外筒，52-柔性内套，53-液压油，6-量角支撑支架，7-装置操作台固定螺栓，8-钻机工作台调整槽，9-抱紧固定支架，10-钻机工作台，11-抱紧组件固定螺栓，12-装置操作台，
13-液压管路，14-注油加压模块，15-回油泄压模块，16-操作台通槽，17-螺栓调节槽，18-量角调节螺栓。

具体实施方式

[0022] 实施例

[0023] 参见图1，图示中的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置为本发明的优选方案，具体包括岩样钻机1、取样钻头2、量角调节槽3、角度盘4、液压抱紧组件5、量角支撑支架6、装置操作台固定螺栓7、钻机工作台调整槽8、抱紧固定支架9、钻机工作台10、抱紧组件固定螺栓11、装置操作台12、液压管路13、注油加压模块14、回油泄压模块15、操作台通槽16、螺栓调节槽17和量角调节螺栓18。

[0024] 本实施例通过由液压抱紧组件5、量角支撑支架6以及抱紧固定支架9装配成的岩芯工装夹具，将倾斜钻孔岩芯的试样固定设置在岩样钻机1的钻机工作台10上，其中，量角支撑架6用于倾斜设置液压抱紧组件5和抱紧固定支架9的整体结构，并且实现液压抱紧组件5和抱紧固定支架9整体结构的角度调整；抱紧固定支架9用于固定液压抱紧组件5，并且实现液压抱紧组件5的轴向调整；液压抱紧组件5则用于将倾斜钻孔岩芯试样两端抱紧固定。

[0025] 具体的，量角支撑支架6固定设置在岩样钻机1的取样钻头2下方的钻机工作台10上，液压抱紧组件5通过抱紧固定支架9安装于量角支撑支架6上，液压抱紧组件5将倾斜钻孔岩芯两端固定抱紧，并相对于抱紧固定支架9锁紧定位，抱紧固定支架9一端铰装，另一端与量角支撑支架6可调节固定。

[0026] 在量角支撑支架6上设有量角调节槽3，量角调节槽3为以抱紧固定支架9的铰接点为圆心的圆弧槽，抱紧固定支架9通过量角调节螺栓18可调节固定在量角调节槽3中。

[0027] 在量角调节槽3的两侧还设有角度盘4，可以参照角度盘上的角度刻度调整抱紧固定支架9的角度进而调节液压抱紧组件5的角度。角度盘4的最大角度为45°，这样能够覆盖所有倾角钻孔的水平应力测量试样的加工。

[0028] 具体如图2，液压抱紧组件5为两组，包括同轴设置在抱紧固定支架9上的刚性外筒51，刚性外筒51的内壁设置柔性内套52，刚性外筒51采用金属材质加工，柔性内套52可采用橡胶材质，在刚性外筒51和柔性内套52的两端边缘通过凸缘和凹槽密封装配，在刚性外筒
51和柔性内套52之间形成封闭的环形腔体，两组液压抱紧组件5的环形腔体同时通过液压管路13与注油加压模块14和回油泄压模块15连通。液压抱紧组件5的环形腔体内圈套装在倾斜钻孔岩芯两端，通过注油加压模块14向环形腔体内注入液压油53，在压力的作用下柔性内套52向内侧突出变形，对倾斜钻孔岩芯形成挤压抱紧，并最终将岩芯装夹固定；通过回油泄压模块15将环形腔体内部的压力油释放，泄压后松开对岩芯的装夹。液压抱紧组件的最大加载压力为20MPa。

[0029] 为了保证岩芯试样在泄压状态下能够装入液压抱紧组件的内圈，柔性内套52在卸压后的内径应当大于岩芯试样的最大直径，如岩芯试样为95mm，则柔性内套的内径优选为100mm，柔性内套52的外径为优选为120mm。

[0030] 注油加压模块14与回油卸压模块15同时与两组液压抱紧组件5相连，可以实现两个液压抱紧组件5的同时加压和卸压，进而实现岩芯两端的同时加压，有利于岩芯的装夹稳定性。

[0031] 注油加压模块14可采用连接液压油箱的油泵及溢流阀组，溢流阀组的溢流压力不超过液压抱紧组件的最大加载压力20MPa，回油泄压模块15可采用连接至油箱的截止阀，在注油加压过程中，保持截止阀关闭，泄压时，则通过打开截止阀，环形腔体内的液压油在自身压力作用下流回油箱。

[0032] 液压抱紧组件5的刚性外筒51的外壁通过抱紧组件固定螺栓11与抱紧固定支架9锁紧，在调节液压抱紧组件5的轴向角度时，刚性外筒51整体随抱紧固定支架9一同摆动。抱紧固定支架9上沿液压抱紧组件5的轴线方向设有螺栓调节槽17，抱紧组件固定螺栓11滑动嵌装在螺栓调节槽17内。

[0033] 量角调节螺栓18也可以穿过螺栓调节槽17安装，这样，量角调节螺栓18既穿过量角调节槽3又穿过螺栓调节槽17，由于抱紧固定支架9一端相对量角支撑支架6铰接固定，量角调节螺栓18不仅可以实现抱紧固定支架9和量角支撑支架6的连接，还可以通过量角调节槽3的松紧实现抱紧固定支架9和液压抱紧组件5整体的摆动调角与固定。

[0034] 在本发明的一种采用倾斜钻孔岩芯测试水平地应力的试样加工装置中，岩芯工装夹具通过装置操作台12固定在钻机工作台10上，装置操作台12通过装置操作台固定螺栓7固定在钻机工作台10的钻机工作台调整槽8上，量角支撑支架6以及抱紧固定支架9设置在装置操作台12上，装置操作台12上设有供取样钻头钻孔通过的操作台通槽16，操作台通槽16与倾斜钻孔岩芯的轴线(即液压抱紧组件的轴线)位于同一竖直面内。装置操作台12通过装置操作台固定螺栓7与钻机工作台调整槽8固定，进而与钻机工作台10相连，能够根据需要通过装置操作台固定螺栓7的松紧，实现装置操作台12的固定与松动，进而调节装置操作台12在钻机工作台10上的位置，可根据不同尺寸的岩芯试样进行装夹调整。

[0035] 操作台通槽16的宽度大于取样钻头的直径，高度大于60mm，优选为70mm。

[0036] 为了保证对液压抱紧组件的可靠固定，本实施例在操作台通槽16的两侧分别设置有平行的量角支撑支架6和抱紧固定支架9，液压抱紧组件5的刚性外筒设置在两组抱紧固定支架9之间，刚性外筒两侧外壁分别与两组抱紧固定支架9上的螺栓调节槽17连接。

[0037] 在岩芯钻取试样前，保持液压抱紧组件5非工作状态，即刚性外筒51和柔性内套52之间的腔体为泄压状态，通过松开装置操作台固定螺栓7，沿钻机工作台调整槽8移动装置操作台12，实现取样钻头2位于两组液压抱紧组件5之间的垂直上方并固定装置操作台固定螺栓7。根据岩芯的倾角，参照角度盘4并松动量角调节螺栓18，对抱紧固定支架9的倾角进行设定进而对液压抱紧组件5的倾角进行调节，当达到预定的角度时，将量角调节螺栓18与抱紧固定支架9进行紧固，实现对液压抱紧组件5轴向角度的固定。将倾斜钻孔岩芯沿液压抱紧组件5的轴向，由上向下，分别穿入两个液压抱紧组件5的内圈，同时松动抱紧组件固定螺栓11，使得液压抱紧组件5沿螺栓调节槽17自由移动，调节两个液压抱紧组件5的中间岩芯暴露长度及岩芯在两个液压抱紧组件5的长度，使岩芯在两个液压抱紧组件5内的装夹固定长度大致相同。然后紧固抱紧组件固定螺栓11，将两个液压抱紧组件5固定在抱紧固定支架9上，操作注油加压模块14，根据岩芯的岩性及强度通过液压管路13给液压抱紧组件5施加合适的抱紧压力，使得岩芯在液压抱紧组件5内被抱紧、固定。启动岩样钻机1，钻机取样钻头2旋转并下移，钻取的试样即为测量水平地应力所需的试样。

[0038] 以上仅是本发明的其中一种具体实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。