一种砂岩石窟岩体钻孔扭矩的测试方法

摘要

本发明涉及一种砂岩石窟岩体钻孔扭矩的测试方法，该方法包括以下步骤：⑴检验仪器的测量精度，验证当前的应变片的性能、布置方案和粘贴工艺的可靠性；⑵对钻孔位置进行标定，布设加速度传感器，使用探地雷达对平顶板岩体进行探测，初步认知其岩层构造；⑶安装钻杆位移实时测量装置、钻杆转速实时测量装置、安装钻杆轴压和扭矩实时测量装置，最后将各测量装置与数据采集装置连接；⑷记录钻进过程中各参量变化；⑸在试验区开展现场钻孔试验，获得不同岩层情况下钻杆的位移、轴压、扭矩和转速数据；⑹对不同深度的岩石取样，测定其基本指标；⑺通过综合分析，确定适宜于砂岩石窟平顶板岩体钻孔的参数。本发明测量准确，适用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及石窟寺赋存岩体加固保护的技术领域，尤其涉及一种砂岩石窟岩体钻孔扭矩的测试方法。

背景技术

中国佛教石窟分布广泛、历史悠远，具有世界瞩目的艺术、历史和科学价值，体现了中华文化的特色和中外文化交流的历史，是中华民族传统文化和精神追求的具体体现。砂岩属于较软岩，易于建造，我国约80%的石窟开凿于砂岩地层中，砂岩石窟沉积层薄弱，洞室开挖破坏了岩体原有的应力平衡状态，发生应力重分布，导致洞窟完整性受损，加以微环境因素的影响，平顶板洞窟窟顶受卸荷裂隙和层理的共同作用，造成窟顶薄层岩体剥离。

在石窟保护加固工程中应根据病害的表现形式和危险程度采取锚固、灌浆、支顶等具体措施，锚固工程的成孔步骤中钻杆扭矩对顶板剥落层的影响重大，在具体施工前应开展锚固方案的成孔现场试验。钻进过程中钻杆扭转变形后各个横截面绕轴线发生旋转式的相对错动，其大小、形状以及相邻两界面之间的距离发生微小变化，故横截面上有正应力和由扭矩作用产生的剪切应力存在。

当前所使用的扭矩测试设备多为大型静力试验台，可满足测定的需要，但结构大、成本高、效率低，测定方式及测定值范围相对固定，无法满足使用现场试验中对扭矩检测所需的高效性和灵活性，因此，亟需开发一种便于使用，且能有效满足施工测试要求的新型简易的扭矩检测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量准确的砂岩石窟岩体钻孔扭矩的测试方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种砂岩石窟岩体钻孔扭矩的测试方法，包括以下步骤：

⑴试验前应检验仪器的测量精度，验证当前的应变片的性能、布置方案和粘贴工艺的可靠性；

⑵开展现场钻孔试验前对钻孔位置进行标定，在钻孔位置周边一定范围内的岩体表面以不同间距梯度布设加速度传感器，使用探地雷达对平顶板岩体进行探测，初步认知其岩层构造；

⑶将森瑞普高转速滑环套入钻机的钻杆尾部，并用螺栓固定；然后使用角磨机在所述钻杆上打磨出光滑平整面，并将反光贴纸粘贴在所述钻杆表面；再在所述森瑞普高转速滑环的一端安装钻杆位移实时测量装置，另一端安装钻杆转速实时测量装置，光滑平整面上安装钻杆轴压和扭矩实时测量装置，最后将各测量装置与数据采集装置连接；

⑷将所述钻机固定在操作平台上，调整所述钻机倾角使所述钻杆与岩体垂直；所述钻杆转速实时测量装置中转速测试仪接入转速调节器之后再通电；开启参数记录仪和数据采集仪，记录钻进过程中各参量变化；

⑸在试验区开展现场钻孔试验，获得不同岩层情况下所述钻杆的位移、轴压、扭矩和转速数据；

⑹钻孔试验结束后，对钻孔位置周边一定范围内的不同深度的岩石取样，室内测定其基本指标；

⑺通过探地雷达、现场试验数据及岩石基本力学性质综合分析，确定适宜于砂岩石窟平顶板岩体钻孔的参数。

所述步骤⑶中钻杆位移实时测量装置包括位移传感器、进尺、参数测定仪和电脑；所述进尺包括固定进尺和移动进尺；所述固定进尺的一端设有挡板，另一端固定在所述森瑞普高转速滑环上；所述固定进尺上套接有移动进尺，该移动进尺上设有所述位移传感器；所述位移传感器通过磁性支座Ⅰ与安装在钻杆上的所述森瑞普高转速滑环连接；所述移动进尺的端部安装有固定挡板，该固定挡板与所述位移传感器的位移测量端头相连；所述参数测定仪分别与所述位移传感器、所述电脑相连。

所述位移传感器的方向与所述钻杆的轴向一致。

所述固定进尺的长度小于所述移动进尺的长度。

所述步骤⑶中钻杆轴压和扭矩实时测量装置包括沿所述钻杆轴线方向设置的轴压测量应变片、与所述钻杆轴线成45°角方向设置的扭矩测量应变片和所述数据采集仪；所述轴压测量应变片与所述扭矩测量应变片分别粘贴在钻杆的平整面上，并通过应变片引线接入所述森瑞普高转速滑环；所述应变片引线采用全桥接法与所述数据采集仪相连。

所述步骤⑶中森瑞普高转速滑环的内径为8mm，外径为35mm，通路数为12。

所述步骤⑶中钻杆转速实时测量装置包括连接在一起的转速测试仪和转速调节器；所述转速测试仪固定在磁性支座Ⅱ的支臂上，该磁性支座Ⅱ的磁性吸座固定在所述森瑞普高转速滑环的外侧；所述转速测试仪的激光发射与接收窗口的朝向与所述钻杆的表面垂直且正对所述反光贴纸。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过在钻机上安装各测量装置，随钻监测钻进过程中扭矩和转速等因素对砂岩平顶板破碎带的影响，从而获取适宜的钻进参数，优化钻孔工艺及防护措施，最大限度地保护石窟文物及施工人员的安全。

2、本发明通过多次试验获取不同地层条件下转速和扭矩的动态响应，通过探地雷达检测、现场数据采集和室内岩石试验，多方面评估砂岩石窟平顶板软弱结构层的力学性质，做到测试分析的实时性和准确性，为科学合理的加固石窟岩体提供依据。

3、本发明可以测定钻孔作业中钻杆扭矩和转速对砂岩石窟顶板岩体剥离层的影响，有助于探查文物保护加固部位的地层地质情况，从而选择合理的钻进参数，有效防止在锚固工程中钻孔扭矩对文物赋存岩体的损坏破坏。

4、本发明高效灵活，应用便利，测量准确，适用性强，能够连续性采集数据，进行实时分析，适用于各种类型下的岩体钻孔扭矩的测试，对石窟岩体各类病害的锚固工程具有重要意义。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的测试方法示意图。

图2为本发明的位移测量装置布设示意图。

图3为本发明的轴压和扭矩测量装置布设示意图。

图4为本发明的转速测量装置布设示意图。

图中：1—钻杆位移实时测量装置；2—位移传感器；3—进尺；4—参数记录仪；5—磁性支座Ⅰ；6—森瑞普高转速滑环；7—固定进尺；8—移动进尺；9—钻杆；10—固定挡板；11—岩体；12—电脑；13—钻杆轴压和扭矩实时测量装置；14—轴压测量应变片；15—扭矩测量应变片；16—螺栓；17—应变片引线；18—数据采集仪；19—钻杆转速实时测量装置；20—转速测试仪；21—转速调节器；22—磁性支座Ⅱ；23—反光贴纸；24—激光发射与接收窗口；25—钻机。

具体实施方式

如图1所示，一种砂岩石窟岩体钻孔扭矩的测试方法，包括以下步骤：

⑴试验前应检验仪器的测量精度，验证当前的应变片的性能、布置方案和粘贴工艺的可靠性。

⑵开展现场钻孔试验前对钻孔位置进行标定，在钻孔位置周边一定范围内的岩体表面以不同间距梯度布设加速度传感器，使用探地雷达对平顶板岩体进行探测，初步认知其岩层构造。

加速度传感器采用东华测试生产的1B105压阻式加速度传感器，探地雷达采用MALA RAMAC XV11，应将传感器牢固固定在被测结构构件上，测试电缆应与结构构件固定在一起，不得悬空。

⑶将森瑞普高转速滑环6套入钻机25的钻杆9尾部，并用螺栓16固定；然后使用角磨机在钻杆9上打磨出光滑平整面，并将反光贴纸23粘贴在钻杆9表面；再在森瑞普高转速滑环6的一端安装钻杆位移实时测量装置1，另一端安装钻杆转速实时测量装置19，光滑平整面上安装钻杆轴压和扭矩实时测量装置13，最后将各测量装置与数据采集装置连接。

其中：森瑞普高转速滑环6的内径为8mm，外径为35mm，通路数为12。

钻杆位移实时测量装置1包括位移传感器2、进尺3、参数测定仪4和电脑12，如图2所示。进尺3包括固定进尺7和移动进尺8；固定进尺7的一端设有挡板，另一端固定在森瑞普高转速滑环6上；固定进尺7上套接有移动进尺8，该移动进尺8上设有位移传感器2；位移传感器2通过磁性支座Ⅰ5与安装在钻杆9上的森瑞普高转速滑环6连接；移动进尺8的端部安装有固定挡板10，该固定挡板10与位移传感器2的位移测量端头相连；参数测定仪4分别与位移传感器2、电脑12相连。移动进尺8和固定挡板10可以在固定进尺7上移动。固定进尺7的长度小于移动进尺8的长度。位移传感器2的方向与钻杆9的轴向一致。

使用时将钻杆9和移动进尺8的端头同时与岩体11接触，位移传感器2的位移测量端头与移动进尺8外端的固定挡板10固定连接，参数测定仪4可以实时显示位移数据，并可将数据导入电脑12进行分析。

钻杆轴压和扭矩实时测量装置13包括沿钻杆9轴线方向设置的轴压测量应变片14、与钻杆9轴线成45°角方向设置的扭矩测量应变片15和数据采集仪18，如图3所示。轴压测量应变片14与扭矩测量应变片15分别粘贴在钻杆9的平整面上，并通过应变片引线17接入森瑞普高转速滑环6；应变片引线17采用全桥接法与数据采集仪18相连，在拉压作用下采用恒流供电方式，理论上可以抵消拉压对扭矩的影响。数据采集仪18采用东华测试生产DH5929N动态应力应变测试分析系统，应变片采用中航电测生产的测量扭矩专用剪切片。

钻杆转速实时测量装置19包括连接在一起的转速测试仪20和转速调节器21，如图4所示。转速测试仪20固定在磁性支座Ⅱ22的支臂上，该磁性支座Ⅱ22的磁性吸座固定在森瑞普高转速滑环6的外侧；转速测试仪20的激光发射与接收窗口24的朝向与钻杆9的表面垂直且正对反光贴纸23。

磁性支座Ⅰ5、磁性支座Ⅱ22、转速测试仪20和转速调节器21均为市售产品。

⑷将钻机25固定在操作平台上，调整钻机25倾角使钻杆9与岩体11垂直；钻杆转速实时测量装置19中转速测试仪20接入转速调节器21之后再通电；开启参数记录仪4和数据采集仪18，记录钻进过程中各参量变化。

⑸在试验区开展现场钻孔试验，获得不同岩层情况下钻杆9的位移、轴压、扭矩和转速数据。

开展现场试验时，首先通过改变钻杆9的轴压和转速两个输入量，获得同种地层条件下的钻进9的速度和扭矩的不同响应，然后固定钻杆9的轴压和转速，获得不同地层条件下钻进速度和钻杆扭矩的不同响应。

⑹钻孔试验结束后，对钻孔位置周边一定范围内的不同深度的岩石取样，室内测定其基本指标。

⑺通过探地雷达、现场试验数据及岩石基本力学性质综合分析，确定适宜于砂岩石窟平顶板岩体钻孔的参数，为砂岩石窟平顶窟顶板锚固工程提供可靠依据。

本发明中扭矩测量基本原理为应变式扭矩测量法，具体为扭矩会使钻机钻杆产生一定的应变，而且这种应变与扭矩的大小存在着比例关系，因此可以通过电阻应变片来检测相应扭矩的大小。当钻机钻杆受到扭矩作用时会发生扭转变形，最大剪应变产生在与轴线成 45°角的方向上，在此方向上粘贴电阻应变片能够检测到钻机钻杆所受扭矩的大小。