【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于載荷測(cè)試，具體涉及一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置和巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法。
技術(shù)介紹
1、巖體包含著各類(lèi)不同巖性的結(jié)構(gòu)體并充斥著大量隨機(jī)分布的結(jié)構(gòu)面與裂隙。目前的勘察手段僅能給出大致的圍巖分級(jí)情況，只有當(dāng)隧道開(kāi)挖后巖體暴露，根據(jù)暴露的巖體確定出詳細(xì)的巖體情況，雖然得到的巖體數(shù)據(jù)是比較詳細(xì)的，但是這些數(shù)據(jù)要在隧道開(kāi)挖后才能得到，即不能在隧道開(kāi)挖前得到詳細(xì)的巖體數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在滯后性。
2、為此，現(xiàn)有技術(shù)人員通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)等超前預(yù)報(bào)手段對(duì)掌子面前方巖體進(jìn)行預(yù)測(cè)，來(lái)保障在隧道開(kāi)挖前就能得到巖體數(shù)據(jù)，但是該巖體數(shù)據(jù)相對(duì)于根據(jù)暴露巖體測(cè)量的數(shù)據(jù)仍存在較大的誤差。
3、綜上，現(xiàn)有獲取巖體數(shù)據(jù)的方法不能兼顧獲取巖體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和超前性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置和巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其設(shè)計(jì)新穎合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，便于推廣使用。
2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專(zhuān)利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：
3、一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，該鑿巖機(jī)包括底座、兩個(gè)設(shè)置在底座上的支撐桿和設(shè)置在兩個(gè)所述支撐桿上的圓盤(pán)，以及設(shè)置在圓盤(pán)上的導(dǎo)軌橫梁和設(shè)置在所述導(dǎo)軌橫梁上且能沿導(dǎo)軌橫梁移動(dòng)的風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體，所述風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體中穿設(shè)有釬桿，所述釬桿的尾部設(shè)置有連接套筒，所述連接套筒中安裝鉆桿，所述導(dǎo)軌橫梁靠近鉆頭設(shè)置有掐纖器，所述鉆桿穿過(guò)掐纖器，該測(cè)量裝置包括設(shè)置在釬桿尾部與連接套筒連接處的
4、所述軸力測(cè)量模塊包括沿釬桿尾部與連接套筒連接處周向貼設(shè)的第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片，所述第一應(yīng)變片和第三應(yīng)變片的長(zhǎng)度方向沿軸向布設(shè)，所述第二應(yīng)變片和第四應(yīng)變片的長(zhǎng)度方向與軸向呈垂直布設(shè)；所述第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片連接成第一全橋測(cè)量電路；
5、所述扭矩測(cè)量模塊包括沿釬桿尾部與連接套筒連接處周向貼設(shè)的第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片，所述第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片的長(zhǎng)度方向沿軸向布設(shè)，所述第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片與第一應(yīng)變片和第四應(yīng)變片間隔布設(shè)，所述第五應(yīng)變片、第六應(yīng)變片和兩個(gè)無(wú)感電阻連接成第二全橋測(cè)量電路。
6、進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊包括設(shè)置在風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體上的l形板、設(shè)置在l形板上的磁鋼、粘設(shè)在連接套筒上的采集箱和設(shè)置在采集模箱靠近磁鋼側(cè)面的霍爾傳感器；根據(jù)霍爾傳感器的輸出電壓確定鉆桿轉(zhuǎn)速；
7、所述采集箱內(nèi)設(shè)置有應(yīng)變片采集模塊，所述第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片以及第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片均與所述應(yīng)變片采集模塊連接。
8、進(jìn)一步地，鉆進(jìn)深度測(cè)量模塊為設(shè)置在l形板上的拉線位移計(jì)，所述拉線位移計(jì)的測(cè)量繩端部與掐纖器連接，所述拉線位移計(jì)用于測(cè)量鉆進(jìn)位移。
9、進(jìn)一步地，拉線位移計(jì)和所述應(yīng)變片采集模塊均與無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，所述無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀通過(guò)無(wú)線ap模塊與計(jì)算機(jī)連接。
10、本專(zhuān)利技術(shù)還公開(kāi)了一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，該方法包括有如下步驟：利用上述的一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定抗壓強(qiáng)度，所述測(cè)量數(shù)據(jù)包括有釬尾粘貼應(yīng)片處的橫截面積、入射波能量、透射波能量和反射波能量；
11、獲取軸力做功的比例系數(shù)、推進(jìn)力做功的比例系數(shù)、扭矩做功的比例系數(shù)、推進(jìn)力破巖能量、鉆進(jìn)速度、鉆頭面積和鉆進(jìn)時(shí)間確定出延時(shí)抗壓強(qiáng)度；
12、所述抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為：
13、
14、其中，wi為軸力破巖能量，wp為推進(jìn)力破巖能量，wr為扭矩破巖能量，k1為軸力做功的比例系數(shù)，k2為推進(jìn)力做功的比例系數(shù)，k3為扭矩做功的比例系數(shù)，v為鉆進(jìn)速度，a2為鉆頭面積，t為鉆進(jìn)時(shí)間，k為鉆進(jìn)比能和抗壓強(qiáng)度的比例系數(shù)；
15、所述軸力破巖能量的計(jì)算公式為：
16、
17、其中，a1為釬尾粘貼應(yīng)片處的橫截面積，c0為應(yīng)力波在釬尾與鉆桿中的傳播速度，e為釬尾的彈性模量，t為鉆進(jìn)時(shí)間，σrs為入射波能量，σzs為透射波能量，σfs為反射波能量；
18、所述扭矩破巖能量的計(jì)算公式為：
19、wr＝2πnm-w0-wrf-wf
20、其中，m為鉆桿扭矩，n為鉆桿轉(zhuǎn)速，w0為空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩做功，wrf為鉆桿與巖壁摩擦做功，wf為克服鉆頭與鉆孔底部摩擦所需要的能量；
21、所述推進(jìn)力破巖能量的計(jì)算公式為：
22、wp＝fp×hp
23、其中，fp為推進(jìn)力，hp為壓入深度。
24、進(jìn)一步地，軸力做功的比例系數(shù)、推進(jìn)力做功的比例系數(shù)、扭矩做功的比例系數(shù)和鉆進(jìn)比能和抗壓強(qiáng)度的比例系數(shù)的確定過(guò)程為：在隨鉆側(cè)孔周邊設(shè)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行鉆孔取芯，將取出的巖芯按照鉆孔深度排列，對(duì)巖芯進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與點(diǎn)荷載試驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、軸力破巖能量、推進(jìn)力破巖能量、扭矩破巖能量、鉆進(jìn)速度、鉆頭(14)面積和鉆進(jìn)時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合，得到對(duì)應(yīng)的軸力做功的比例系數(shù)、推進(jìn)力做功的比例系數(shù)、扭矩做功的比例系數(shù)和鉆進(jìn)比能和抗壓強(qiáng)度的比例系數(shù)。
25、進(jìn)一步地，測(cè)量數(shù)據(jù)還包括有鉆桿轉(zhuǎn)速。
26、進(jìn)一步地，測(cè)量數(shù)據(jù)還包括有鉆進(jìn)深度和壓入深度，根據(jù)所述鉆進(jìn)深度確定鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)速度的計(jì)算公式為：
27、
28、其中，hi為i時(shí)刻的鉆進(jìn)深度，ti為i時(shí)刻的采樣時(shí)間，hi為i時(shí)刻的鉆進(jìn)深度，ti為i時(shí)刻的采樣時(shí)間。
29、進(jìn)一步地，鉆進(jìn)深度和壓入深度為經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，預(yù)處理過(guò)程為：利用sym8小波函數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，當(dāng)檢測(cè)到缺失的數(shù)據(jù)時(shí)，利用相鄰數(shù)據(jù)線性插值法確定出要填充數(shù)據(jù)進(jìn)行填充。
30、進(jìn)一步地，鉆桿扭矩的計(jì)算公式為：
31、m＝g0×γ
32、其中，g0為釬尾的剪切模量，γ釬尾橫截面的切應(yīng)變。
33、本專(zhuān)利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
34、本專(zhuān)利技術(shù)的鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置通過(guò)在釬桿尾部與連接套筒連接處周向貼設(shè)第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波等數(shù)據(jù)。通過(guò)與第一應(yīng)變片和第四應(yīng)變片間隔布設(shè)第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的扭矩?cái)?shù)據(jù)。從而獲取未開(kāi)挖的巖體相關(guān)數(shù)據(jù)，相比現(xiàn)有技術(shù)，該測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)兼顧準(zhǔn)確性和超前性。
35、本專(zhuān)利技術(shù)的巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，通過(guò)利用鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度，不僅保障了抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還方便研究人員及時(shí)根據(jù)巖體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究分析。
36、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
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1.一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，該鑿巖機(jī)包括底座(15)、兩個(gè)設(shè)置在底座(15)上的支撐桿和設(shè)置在兩個(gè)所述支撐桿上的圓盤(pán)(7)，以及設(shè)置在圓盤(pán)(7)上的導(dǎo)軌橫梁(8)和設(shè)置在所述導(dǎo)軌橫梁(8)上且能沿導(dǎo)軌橫梁(8)移動(dòng)的風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體(5)，所述風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體(5)中穿設(shè)有釬桿(16)，所述釬桿(16)的尾部設(shè)置有連接套筒(1)，所述連接套筒(1)中安裝鉆桿(12)，所述導(dǎo)軌橫梁(8)靠近鉆頭(14)設(shè)置有掐纖器(13)，所述鉆桿(12)穿過(guò)掐纖器(13)，其特征在于：該測(cè)量裝置包括設(shè)置在釬桿(16)尾部與連接套筒(1)連接處的軸力測(cè)量模塊(9)與扭矩測(cè)量模塊(10)、用于檢測(cè)鉆桿(12)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊和用于檢測(cè)鉆進(jìn)深度的鉆進(jìn)深度測(cè)量模塊；
2.按照權(quán)利要求1所述的一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于：所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊包括設(shè)置在風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體(5)上的L形板(3)、設(shè)置在L形板(3)上的磁鋼(2)、粘設(shè)在連接套筒(1)上的采集箱(11)和設(shè)置在采集模箱(11)靠近磁鋼(2)側(cè)面的霍爾傳感器(6)；根據(jù)霍爾傳感器(6)的輸出電壓確定鉆桿轉(zhuǎn)速；
3.按照權(quán)利要
4.按照權(quán)利要求3所述的一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于：所述拉線位移計(jì)(4)和所述應(yīng)變片采集模塊均與無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，所述無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀通過(guò)無(wú)線AP模塊與計(jì)算機(jī)連接。
5.一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其特征在于，該方法包括有如下步驟：利用權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定抗壓強(qiáng)度，所述測(cè)量數(shù)據(jù)包括有釬尾粘貼應(yīng)片處的橫截面積、入射波能量、透射波能量和反射波能量；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其特征在于，所述軸力做功的比例系數(shù)、推進(jìn)力做功的比例系數(shù)、扭矩做功的比例系數(shù)和鉆進(jìn)比能和抗壓強(qiáng)度的比例系數(shù)的確定過(guò)程為：在隨鉆側(cè)孔周邊設(shè)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行鉆孔取芯，將取出的巖芯按照鉆孔深度排列，對(duì)巖芯進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與點(diǎn)荷載試驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、軸力破巖能量、推進(jìn)力破巖能量、扭矩破巖能量、鉆進(jìn)速度、鉆頭(14)面積和鉆進(jìn)時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合，得到對(duì)應(yīng)的軸力做功的比例系數(shù)、推進(jìn)力做功的比例系數(shù)、扭矩做功的比例系數(shù)和鉆進(jìn)比能和抗壓強(qiáng)度的比例系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其特征在于，所述測(cè)量數(shù)據(jù)還包括有鉆桿(12)轉(zhuǎn)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其特征在于，所述測(cè)量數(shù)據(jù)還包括有鉆進(jìn)深度和壓入深度，根據(jù)所述鉆進(jìn)深度確定鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)速度的計(jì)算公式為：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其特征在于，鉆進(jìn)深度和壓入深度為經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，預(yù)處理過(guò)程為：利用sym8小波函數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，當(dāng)檢測(cè)到缺失的數(shù)據(jù)時(shí)，利用相鄰數(shù)據(jù)線性插值法確定出要填充數(shù)據(jù)進(jìn)行填充。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其特征在于，所述鉆桿(12)扭矩的計(jì)算公式為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，該鑿巖機(jī)包括底座(15)、兩個(gè)設(shè)置在底座(15)上的支撐桿和設(shè)置在兩個(gè)所述支撐桿上的圓盤(pán)(7)，以及設(shè)置在圓盤(pán)(7)上的導(dǎo)軌橫梁(8)和設(shè)置在所述導(dǎo)軌橫梁(8)上且能沿導(dǎo)軌橫梁(8)移動(dòng)的風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體(5)，所述風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體(5)中穿設(shè)有釬桿(16)，所述釬桿(16)的尾部設(shè)置有連接套筒(1)，所述連接套筒(1)中安裝鉆桿(12)，所述導(dǎo)軌橫梁(8)靠近鉆頭(14)設(shè)置有掐纖器(13)，所述鉆桿(12)穿過(guò)掐纖器(13)，其特征在于：該測(cè)量裝置包括設(shè)置在釬桿(16)尾部與連接套筒(1)連接處的軸力測(cè)量模塊(9)與扭矩測(cè)量模塊(10)、用于檢測(cè)鉆桿(12)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊和用于檢測(cè)鉆進(jìn)深度的鉆進(jìn)深度測(cè)量模塊；
2.按照權(quán)利要求1所述的一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于：所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊包括設(shè)置在風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)體(5)上的l形板(3)、設(shè)置在l形板(3)上的磁鋼(2)、粘設(shè)在連接套筒(1)上的采集箱(11)和設(shè)置在采集模箱(11)靠近磁鋼(2)側(cè)面的霍爾傳感器(6)；根據(jù)霍爾傳感器(6)的輸出電壓確定鉆桿轉(zhuǎn)速；
3.按照權(quán)利要求2所述的一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于：所述鉆進(jìn)深度測(cè)量模塊為設(shè)置在l形板(3)上的拉線位移計(jì)(4)，所述拉線位移計(jì)(4)的測(cè)量繩端部與掐纖器(13)連接，所述拉線位移計(jì)(4)用于測(cè)量鉆進(jìn)位移。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種鑿巖機(jī)隨鉆參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于：所述拉線位移計(jì)(4)和所述應(yīng)變片采集模塊均與無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，所述無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀通過(guò)無(wú)線ap模塊與計(jì)算機(jī)連接。
5.一種巖石抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法，其特...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：來(lái)弘鵬，周陽(yáng)，張小建，魏倩，韓曉麗，董雪明慧，王彥萍，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：長(zhǎng)安大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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