用于围岩保压取芯的取芯装置及工艺方法与流程

本发明涉及一种取芯装置，尤其是涉及一种用于围岩保压取芯的取芯装置，属于地质勘探工艺装备设计制造。本发明还提供一种采用所述用于围岩保压取芯的取芯装置获取岩芯的工艺方法。

背景技术：

1、随着人类社会的不断发展，地下空间已成为人类发展的重要场所，且有着向更深、更大的开发趋势。深部大型地下洞室往往由于地质条件复杂、开挖规模巨大容易造成围岩失稳的现象，给大型地下洞室的施工和运营都带来了极大的挑战。围岩稳定性与岩石在不同载荷作用下的力学特性密切相关，对分析围岩的变形破坏具有重要意义。以往对围岩力学特性的研究，主要通过室内岩石力学特性试验完成，采用现场选取符合条件的岩石块体，通过室内加工标准岩样，开展相关试验。现有的试验方法所选取的岩石块体已经脱离原岩体，处于卸荷状态，岩石的天然应力状态发生了改变，即使后期通过相关试验设备施加外载，也无法完全还原原岩在开挖过程中的变形破坏特征。以往试验的缺陷在于没有可以在保持原岩压力状态下进行取芯的设备及方法。

2、在对围岩进行受力分析过程中，围岩的构造状态如天然裂隙、断层等是除去原岩应力状态之外的另一个重要影响因素，对围岩在外力的作用下的变形破坏特征有着显著影响。在开展岩石力学试验的过程中，如何维持原岩的构造状态是揭示现场围岩力学特性的重要前提。之前所选取的岩石块体已经脱离原岩体，处于卸荷状态，岩石的构造状态会不同程度发生改变，究其原因还是选取岩石的原岩应力状态发生了改变。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种能使岩芯尽量保持原有应力状态的用于围岩保压取芯的取芯装置，以及一种采用所述用于围岩保压取芯的取芯装置获取岩芯的工艺方法。

2、为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于围岩保压取芯的取芯装置，所述的取芯装置包括取样切割去渣组件、垫接喷浆包覆系统和保载加压系统，在岩芯的取样过程中，垫接喷浆包覆系统和保载加压系统以顺序跟随逐级递进的顺序，采用进占喷浆和进占加压的方式通过取样切割去渣组件取样切割出的切割槽向已切割部分的岩芯表面喷射垫接包覆层，并在切割槽另一侧围岩的配合下向已切割并包覆垫接包覆层的岩芯施加保载压应力。

3、进一步的是，取样切割去渣系统包括高压喷水切割取样系统和强吸力输出排渣系统，在岩芯的取样过程中，并行布置的高压喷水切割取样系统和强吸力输出排渣系统分别在围岩上切割取样槽取样和吸收排出取样切割排出的岩渣。

4、上述方案的优选方式是，高压喷水切割取样系统包括水射流喷嘴、高压切割软管和高压切割泵，水射流喷嘴布置在高压切割软管的喷出端，高压切割软管的输入端与高压切割泵连接。

5、进一步的是，强吸收输出排渣系统包括喇叭状吸头、高压去渣软管和泵吸结构，喇叭状吸头布置在高压去渣软管的吸入端，高压去渣软管的输入端与泵吸结构连接，高压切割软管与高压去渣软管并行布置，水射流喷嘴在横截面上伸出与喇叭状吸头的并行布置。

6、上述方案的优选方式是，垫接喷浆包覆系统包括混凝土喷嘴、高压混凝土软管和高压喷浆泵，混凝土喷嘴布置在高压混凝土软管的喷出端，高压混凝土软管的输入端与高压喷浆泵连接。

7、进一步的是，保载加压系统包括压头、高压保载管路和液压加载组件，切割中和切割完成并包覆有垫接包覆层的岩芯表面通过压头在高压保载管路输出的液压加载组件施加的保载压力保持取样前的压应力状态。

8、上述方案的优选方式是，岩芯为正六面体，在岩芯切割出的五个侧面上分别各安装有一个压头，各个压头在切割槽另一侧围岩的配合下对相应的侧面加载压应力。

9、进一步的是，所述的取芯装置还包括应力测试系统，通过压头加载在岩芯各个侧面上的压应力通过应力测试系统的伸缩管在该应力测试系统的应变仪的配合下监测。

10、上述方案的优选方式是，高压切割泵、泵吸结构、高压喷浆泵、液压加载组件和应变仪集合为一个整体。

11、采用所述用于围岩保压取芯的取芯装置获取岩芯的工艺方法，包括以下步骤，先通过地勘资料获取需要取样的围岩的应力参数，然后对将该应力参数输入保载加压系统，接着起动高压喷水切割取样系统、强吸力输出排渣系统、垫接喷浆包覆系统、保载加压系统和应力测试系统对岩芯的四个侧面和一个端面逐个各自独的一次性切割、去渣、喷浆包覆和加载应力，直到在保持原有压力应的条件下完成全部五个侧面的切割。

12、本发明的有益效果是：本申请提供的技术方案通过设置一套包括取样切割去渣组件、垫接喷浆包覆系统和保载加压系统的取芯装置，在岩芯的取样过程中，垫接喷浆包覆系统和保载加压系统以顺序跟随逐级递进的顺序，采用进占喷浆和进占加压的方式通过取样切割去渣组件取样切割出的切割槽向已切割部分的岩芯表面喷射垫接包覆层，并在切割槽另一侧围岩的配合下向已切割并包覆垫接包覆层的岩芯施加保载压应力，具体的工艺方法为先通过地勘资料获取需要取样的围岩的应力参数，然后对将该应力参数输入保载加压系统，接着起动高压喷水切割取样系统、强吸力输出排渣系统、垫接喷浆包覆系统、保载加压系统和应力测试系统对岩芯的四个侧面和一个端面逐个各自独的一次性切割、去渣、喷浆包覆和加载应力，直到在保持原有压力应的条件下完成全部五个侧面的切割。这样，由于在通过取样切割去渣组件切割取样缝的同时跟随递进的进行了垫接喷浆包覆和保载加压，从而使获取的岩芯样本能尽可能的保有处于围岩中的应力状态，为后续的试验分析提供相对真实的状况。

技术特征：

1.用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：所述的取芯装置包括取样切割去渣组件、垫接喷浆包覆系统和保载加压系统，在岩芯的取样过程中，垫接喷浆包覆系统和保载加压系统以顺序跟随逐级递进的顺序，采用进占喷浆和进占加压的方式通过取样切割去渣组件取样切割出的切割槽向已切割部分的岩芯表面喷射垫接包覆层，并在切割槽另一侧围岩的配合下向已切割并包覆垫接包覆层的岩芯施加保载压应力。

2.根据权利要求1所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：取样切割去渣系统包括高压喷水切割取样系统和强吸力输出排渣系统，在岩芯的取样过程中，并行布置的高压喷水切割取样系统和强吸力输出排渣系统分别在围岩上切割取样槽取样和吸收排出取样切割排出的岩渣。

3.根据权利要求2所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：高压喷水切割取样系统包括水射流喷嘴(1)、高压切割软管(2)和高压切割泵(3)，水射流喷嘴(1)布置在高压切割软管(2)的喷出端，高压切割软管(2)的输入端与高压切割泵(3)连接。

4.根据权利要求3所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：强吸收输出排渣系统包括喇叭状吸头(4)、高压去渣软管(5)和泵吸结构(6)，喇叭状吸头(4)布置在高压去渣软管(5)的吸入端，高压去渣软管(5)的输入端与泵吸结构(6)连接，高压切割软管(2)与高压去渣软管(5)并行布置，水射流喷嘴(1)在横截面上伸出与喇叭状吸头(4)的并行布置。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：垫接喷浆包覆系统包括混凝土喷嘴(7)、高压混凝土软管(8)和高压喷浆泵(9)，混凝土喷嘴(7)布置在高压混凝土软管(8)的喷出端，高压混凝土软管(8)的输入端与高压喷浆泵(9)连接。

6.根据权利要求5所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：保载加压系统包括压头(10)、高压保载管路(11)和液压加载组件(12)，切割中和切割完成并包覆有垫接包覆层的岩芯表面通过压头(10)在高压保载管路(11)输出的液压加载组件(12)施加的保载压力保持取样前的压应力状态。

7.根据权利要求6所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：岩芯为正六面体，在岩芯切割出的五个侧面上分别各安装有一个压头(10)，各个压头(10)在切割槽另一侧围岩的配合下对相应的侧面加载压应力。

8.根据权利要求7所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：所述的取芯装置还包括应力测试系统，通过压头(10)加载在岩芯各个侧面上的压应力通过应力测试系统的伸缩管(13)在该应力测试系统的应变仪(14)的配合下监测。

9.根据权利要求8所述的用于围岩保压取芯的取芯装置，其特征在于：高压切割泵(3)、泵吸结构(6)、高压喷浆泵(9)、液压加载组件(12)和应变仪(14)集合为一个整体。

10.采用权利要求9所述用于围岩保压取芯的取芯装置获取岩芯的工艺方法，其特征在于：包括以下步骤，先通过地勘资料获取需要取样的围岩的应力参数，然后对将该应力参数输入保载加压系统，接着起动高压喷水切割取样系统、强吸力输出排渣系统、垫接喷浆包覆系统、保载加压系统和应力测试系统对岩芯的四个侧面和一个端面逐个各自独的一次性切割、去渣、喷浆包覆和加载应力，直到在保持原有压力应的条件下完成全部五个侧面的切割。

技术总结
本发明公开了一种用于围岩保压取芯的取芯装置及工艺方法，属于地质勘探工艺装备设计制造技术领域。提供一种能使岩芯尽量保持原有应力状态的取芯装置及工艺方法。所述的取芯装置包括取样切割去渣组件、垫接喷浆包覆系统和保载加压系统，在岩芯的取样过程中，垫接喷浆包覆系统和保载加压系统以顺序跟随逐级递进的顺序，采用进占喷浆和进占加压的方式通过取样切割去渣组件取样切割出的切割槽向已切割部分的岩芯表面喷射垫接包覆层，并在切割槽另一侧围岩的配合下向已切割并包覆垫接包覆层的岩芯施加保载压应力。

技术研发人员：李晓龙,肖平西,张冲,张顺利,何建华
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15