CN110082501B - 地质岩芯空间姿态复原装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地质岩芯空间姿态复原装置，包括基台、可转动的设置于基台上的回转台、可转动的设置于回转台上的中间台体以及可转动的设置于中间台体上用于夹持岩芯的回转卡盘；所述中间台体上还设有可沿回转卡盘回转轴线方向移动以用于测量回转卡盘回转轴线到岩芯外表面各点距离的位移测量装置；所述回转台的回转轴线与所述中间台体的旋转轴线垂直，所述回转卡盘的回转轴线与所述中间台体的旋转轴线垂直。本发明具备岩芯空间姿态精确复原、参数测试精度可靠和自动化装程度高的特点，适用于普通非定向地质岩芯原始空间姿态恢复，并辅助于深部岩体地应力测试和深部构造分析。
Description
技术领域
本发明属于深部地质岩芯测试装备领域，尤其涉及一种地质岩芯空间姿态复原装置。
背景技术
随着对矿产资源需求量的增加和浅部资源的不断消耗，我国未来矿产资源开发将全面进入第二深度空间(1000-2000m)范围内的深部矿床，矿山深部开采将成为常态。深部地质岩芯已成为了解地下深部岩体的各种物理力学性质、结构和构造特征、矿物组成和品位、岩层厚度和埋深等的重要依据。
然而，由于多数岩芯为普通地质钻孔获得的非定向岩芯，无法获知岩芯的原始空间姿态，这一缺陷却极大的限制了对深部岩芯有效利用。例如，采用声发射法测量深部地应力过程中，由于无法获知普通岩芯的空间方位，限制了对测量区域深部地应力状态的了解；在非定向状态下，深部普通岩芯的结构面特征分析，仅限于结构面类型、密度等基本参数，无法基于空间方位进一步深入分析深部构造特点。为了突破普通岩芯的后期归位问题，近年来有部分方法创新，但依旧存在一定局限性。例如，采用古地磁法进行岩芯姿态恢复，该方法仅限于沉积岩；采用声电井壁成像技术进行岩芯后期归位，该方法测试工序复杂，实际操作难度大；此外，已有非定向岩芯地面定向方法的实际精度还有待进一步提高。
为了提高深部岩芯的利用价值，拓宽其在地应力测试和深部构造分析领域的应用，亟待研发解决普通地质岩芯空间姿态复原技术难题的测试装备。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种可实现地质岩芯空间姿态复原的装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
地质岩芯空间姿态复原装置，包括基台、可转动的设置于基台上的回转台、可转动的设置于回转台上的中间台体以及可转动的设置于中间台体上用于夹持岩芯的回转卡盘；
所述中间台体上还设有可沿回转卡盘回转轴线方向移动以用于测量回转卡盘回转轴线到岩芯外表面各点距离的位移测量装置；
所述回转台的回转轴线与所述中间台体的旋转轴线垂直，所述回转卡盘的回转轴线与所述中间台体的旋转轴线垂直。
进一步的，所述基台上设有驱动所述回转台转动的第一驱动电机，所述回转台上设有驱动所述中间台体转动的第二驱动电机，所述中间台体上设有驱动回转卡盘转动的第三驱动电机以及驱动所述位移测量装置移动的线性驱动机构。
进一步的，所述中间台体上还设有用于获取岩芯表面形貌的形貌扫描仪。
进一步的，所述线性驱动机构包括并排间隔设置的传动丝杆和导向杆、滑动设置在所述导向杆上的滑块以及驱动传动丝杆转动的第四驱动电机，所述滑块与所述传动丝杆螺纹配合连接，所述位移测量装置以及形貌扫描仪设置于所述滑块上。
进一步的，所述中间台体上还设有测量回转卡盘转动角度的角度传感器，所述基台与所述回转台之间设有用于测量回转台转动角度的第一分度圆标尺以及第一指针，所述回转台与所述中间台体之间设有用于测量中间台体转动角度的第二分度圆标尺以及第二指针。
进一步的，所述回转台水平安装在所述基台上，所述回转台上并排设有两根立柱，所述中间台体通过其转轴架设在两根所述立柱之间，所述回转卡盘设置于所述中间台体的中部。
进一步的，所述中间台体为外周壁上设有第二分度圆标尺的圆柱体，所述回转台上设有所述第二指针，所述第一分度圆标尺设置于所述基台上，所述第一指针设置于所述回转台上。
进一步的，所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、线性驱动机构、位移测量装置、角度传感器以及形貌扫描仪均与复原装置的控制与数据监测系统电性连接。
进一步的，所述位移测量装置采用光栅位移测量装置，所述光栅位移测量装置的球形测头与所述岩芯外表面接触。
进一步的，所述球形测头的中轴线与所述回转卡盘回转轴线位于同一铅垂面内。
进一步的，所述回转台的回转轴线、所述中间台体的旋转轴线以及所述回转卡盘的回转轴线相交于同一点。
进一步的，在中间台体上还设有朝回转卡盘径向方向延伸的滑轨，在滑轨上滑动设有支撑滑台，整个线性驱动机构固定安装在支撑滑台上，并可随支撑滑台同步移动，中间台体上还有将支撑滑台位置进行锁定的锁定件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.空间姿态精确复原；利用岩芯回转卡盘夹紧岩芯，根据岩芯的测斜数据(空间方位数据)，通过回转台和中间平台带动回转卡盘转动，对岩芯空间倾斜方向进行初始还原，在此基础上，利用回转卡盘夹紧岩芯上端，使岩芯上端面轴线与回转卡盘轴线一致；进而旋转岩芯并精确测量岩芯表面各点相对卡盘轴线的偏移量，然后求解各偏移量峰值点和谷值点对应的平均偏转角度，进而作出两条标记线；根据岩芯轴与钻孔轴一致性原理和岩芯姿态空间唯一性原理，将该参数与钻孔测斜曲线相比较，确定两条标记线在空间位置的上下关系，进一步通过卡盘回转使两条标记线位于铅垂面内，即可实现普通岩芯空间姿态的精确复原。
2.参数测试精度可靠；采用高精度光栅位移测量装置、形貌扫描仪和角度传感器，能够精密测量岩芯周向表面各点的轴心偏移量并提取岩芯表面结构特性的精确数字影像；精密的参数测量能够确保岩芯空间原始姿态还原和表面结构特征提取的可靠性。
3.装置自动化程度高；地质岩芯表面特征测量与空间姿态复原过程所涉及的位置还原、岩芯旋转、测量头移动等动作皆由伺服电机自动控制，从而能有效的排除人为因素造成的影响，如非匀速旋转引起的位移和角度测量误差等；并且进一步的简化了测量过程，节约了人物力成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明线性驱动机构与回转卡盘连接示意图；
图3为本发明俯视示意图；
图4为本发明控制与数据监测系统软件界面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-图3，一种地质岩芯空间姿态复原装置，包括基台1、可转动的设置于基台1上的回转台2、可转动的设置于回转台2上的中间台体3以及可转动的设置于中间台体3上用于夹持岩芯4的回转卡盘5；中间台体3上还设有可沿回转卡盘5回转轴线方向移动以用于测量卡盘回转轴线到岩芯4外表面各点之间的距离的位移测量装置6；回转台2的回转轴线与中间台体3的旋转轴线垂直，回转卡盘5的回转轴线与中间台体3的旋转轴线垂直。
具体的，回转台2的回转轴线、中间台体3的旋转轴线以及回转卡盘5的回转轴线相交于同一点。
利用本实施例地质岩芯空间姿态复原装置，岩芯空间姿态复原过程如下：定义岩芯与铅垂面相交时位于岩芯顶部的交线为0度基准线，利用回转卡盘5夹紧岩芯4上端，根据岩芯4的测斜数据(空间方位数据)，通过回转台2和中间平台3带动回转卡盘5转动，对岩芯空间倾斜方向进行初始还原；在此基础上，使岩芯4上端面轴线与回转卡盘5轴线一致；进而旋转岩芯4并精确测量岩芯表面各点相对卡盘轴线的偏移量，获得岩芯4不同位置横截面偏移量峰值点和谷值点及其对应的偏转角度，进而作出两条标记线；根据岩芯轴与钻孔轴一致性原理和岩芯姿态空间唯一性原理，将两条标记线与钻孔测斜曲线相比较，确定两条标记线在空间位置的上下关系，进一步通过卡盘回转使两条标记线位于铅垂面内，即可实现普通岩芯空间姿态的精确复原。
参见图1，在一实施例中，本实施例复原装置的基台1上设有驱动回转台2转动的第一驱动电机7，回转台2上设有驱动中间台体3转动的第二驱动电机8，中间台体3上设有驱动位移测量装置6移动的线性驱动机构9以及驱动回转卡盘5转动的第三驱动电机10。本实施例中，地质岩芯空间姿态复原过程所涉及的位置还原、岩芯旋转、测量头移动等动作皆由伺服电机自动控制，从而能有效的排除人为因素造成的影响，如非匀速旋转引起的位移和角度测量误差等；并且进一步的简化了测量过程，节约了人物力成本。
为提高测量精度，位移测量装置6采用光栅位移测量装置，光栅位移测量装置的球形测头601与岩芯4外表面接触，使用光栅位移测量装置测量精度可达到0.1um，至于位移测量装置的具体结构均为现有技术，在此不再赘述。
参见图1，可以想到的是，当将球形测头601的中轴线与回转卡盘5回转轴线设计成位于同一铅垂面内，测量时将岩芯4与铅垂面相接在岩芯顶端面形成的曲线定义为偏移角度基准线，通过上述设置，当计算出各偏移量峰值点和谷值点对应的平均偏转角度时，只需要将岩芯反向转动上述计算的平均偏转角度，将该参数与钻孔测斜曲线相比较，确定其中一偏转角为最终偏转角，可以在不作出标记线的前提下，直接将岩芯反向转动上述最终偏转角，即可实现岩芯空间姿态复原。
参见图1在一实施例中，本实施例复原装置的中间台体上还设有用于获取岩芯表面形貌的形貌扫描仪11，形貌扫描仪11通过线性驱动机构9的带动与位移测量装置6同步移动，至于形貌扫描仪11的具体结构，均为现有设备，在此不再赘述。
参见图2，需要说明的是，本实施例给出了线性驱动机构9的一种具体结构，包括并排间隔设置的传动丝杆901和导向杆902、滑动设置在导向杆902上的滑块903以及驱动传动丝杆901转动的第四驱动电机904，滑块903与传动丝杆901螺纹配合连接，位移测量装置6以及形貌扫描仪11设置于滑块903上，第四驱动电机904安装在中间台体3上，传动丝杆901直接与第四驱动电机904的转轴对接，通过第四驱动电机904带动传动丝杆901旋转，传动丝杆901将螺旋动力转换成滑块903沿导向杆902轴向滑动的滑动力，驱动滑块903在导向杆902上来回移动。
参见图1和图3，在一实施例中，在中间台体3上还设有测量回转卡盘5转动角度的角度传感器12，基台1与回转台2之间设有用于测量回转台2转动角度的第一分度圆标尺13以及第一指针14，回转台2与中间台体3之间设有用于测量中间台体3转动角度的第二分度圆标尺15以及第二指针16。岩芯空间复原时，回转台2的转动角度通过第一分度圆标尺13以及第一指针14进行测量，中间台体3的转动角度通过第二分度圆标尺15以及第二指针16进行测量。
具体的，回转台2水平安装在基台1上，回转台2上以回转台转动中心并排对称设有两根立柱17，中间台体3通过其转轴架设在两根立柱17之间，第二驱动电机8安装与其中一立柱17上并与中间台体3的转轴对接，在另一立柱17的外侧还设有辅助驱动中间台体3转动的手动轮辐转盘18。
参见图2，在实际应用中，中间台体为圆柱体，回转卡盘5通过连接基座19设置于中间台体3的中央侧部，回转卡盘5设置多组正卡爪501，用于同轴卡紧长岩芯4，回转卡盘5同轴安装于连接基座19上的卡盘回转台20正面中心处，第三驱动电机10带通过传动轴带动回转卡盘5同步旋转；角度传感器12置于连接基座19中段的掏槽中，并通过连接杆与回转卡盘5同轴连接，用于测量回转卡盘5的旋转角度。
中间台体3呈圆柱体状，第二分度圆标尺15设置在中间台体3的外周壁上，第二指针16设置于立柱17上并指向第二分度圆标尺15，第一分度圆标尺13设置于基台1上位于回转台2的外周处，第一指针14设置于回转台2上并指向第一分度圆标尺13。
参见图2，在一实施例中，本实施例复原装置，在连接基座19上还设有滑轨21，滑轨21延伸方向与回转卡盘5径向方向平行，在滑轨21上滑动设有支撑滑台22，整个线性驱动机构9固定安装在支撑滑台22上，并可随支撑滑台22同步移动，在连接基座19上还固定设有将支撑滑台22位置锁定的锁定结构，锁定结构可以采用锁紧螺栓23或与支撑滑台连接并可带动其滑动的顶升油缸或气缸等。拖链24平行于丝杆901和导向杆902安装，一端连接滑块903，另一端连接支撑滑台22，用于在滑块903滑动过程中保护引出的数据线。
第一驱动电机7、第二驱动电机8、第三驱动电机10、线性驱动机构9、位移测量装置6、角度传感器12以及形貌扫描仪11均与复原装置的控制与数据监测系统电性连接，控制与数据监测系统用于各组件动作的控制和测量参数的采集分析，包括可编程控制器25和工控机26，至于具体的控制及采集电路，均为电控领域常规设计，在此不再赘述。
控制与数据监测系统通过导电线缆27经通讯与驱动接口28与第一驱动电机7、第二驱动电机8、第三驱动电机10和第四驱动电机904电性连接，分别用于控制回转台2、中间台体3和回转卡盘5回转以及位移测量装置6滑动；控制与数据监测系统通过导电线缆27经通讯与驱动接口28、拖链21与位移测量装置6和形貌扫描仪11(形貌扫描相机)电性连接，用于采集和分析岩芯特征参数；控制与数据监测系统通过导电线缆27经通讯与驱动接口28同角度传感器12电性连接，用于采集回转卡盘5的角度位移参数。控制与数据监测系统电性控制回转卡盘5所夹紧的岩芯4回转的同时，对角度传感器12、光栅位移测量装置6和形貌扫描仪11执行同步数据采集，保证岩芯旋转角度参数与岩芯特征参数的同步对应关系。
采用本发明复原装置对岩芯空间姿态复原的具体过程如下：
第一步：岩芯夹持；将长岩芯4上段装入回转卡盘5，通过拧紧回转卡盘5上的正卡爪使其抱紧一小段(3cm)岩芯，使所夹持段岩芯4轴线与回转卡盘5轴线重合；
第二步：位移测量装置6以及形貌扫描仪11位置调整；推动支撑滑台22沿滑轨21滑动，来调整位移测量装置6以及形貌扫描仪11相对于岩芯4的高度，从而使光栅位移测量6装置的测量尺602缩进2-5mm位移，球形测量头601与岩芯4表面紧贴；确定贴紧后将滑动锁紧螺栓23拧紧以固定支撑滑台22；
第三步：岩芯空间位置初始还原；点击控制与数据监测系统工控机的软件界面(如图4)，将前期计算获得的岩芯的测斜数据(空间方位数据)输入对应的方位和倾角(顶角)栏，并点击参数锁定和行走按钮；此后，岩芯空间方位还原基台工作，第一驱动电机7驱动双立柱在水平方位旋转，至对应的方位角；第二驱动电机8驱动中间台体在铅垂方向旋转，至对应的倾角；完成岩芯空间位置初始还原；
第四步：岩芯特征参数测量；点击控制与数据监测系统工控机的软件界面(如图4)，启动第三驱动电机10和第四驱动电机904分别驱动回转卡盘5旋转角和测量头位移量归至零位；然后，设置测量头相对于岩芯上端面的位置，并点击行走按钮，第四驱动电机904驱动测量头沿导向杆运动至对应位置；此时，设置第三驱动电机10旋转速度，并驱动回转卡盘5携岩芯4从零位开始回转，同时，角度传感器12、光栅位移测量装置6和形貌扫描仪11同步采集测量位置岩芯表面不同偏转角下的位移和形貌数据，并由控制与数据监测装置同步显示与存储；重复以上工序，光栅位移测量装置6的测量头从岩芯上端向下端逐渐推进，按照一定间隔测量岩芯特征参数；
第五步：特征参数分析；控制与数据监测系统对角度传感器、光栅位移测量装置同步获得的各组数据进行分析，获得位移峰值点和位移谷值点及其对应的偏转角度，并分析位移峰值点和位移谷值点对应偏转角度之间的关系，然后分别求解各位移峰值点和位移谷值点对应的平均偏转角度，并将该参数与钻孔测斜曲线相比较，确定其中一偏转角为最终偏转角；
第六步：岩芯空间姿态精准还原与特征参数提取；将上一步骤获得的最终偏转角输入控制与数据监测装置3软件界面的新位置栏(如图4)，点击位置恢复按钮后，卡盘回转伺服电机23驱动岩芯25回转至该处，并做上标记线，即完成岩芯空间姿态的精准还原；在此基础上，根据形貌扫描相机33获得的岩芯25表面结构面参数，即可求解岩芯表面结构面的真实产状；
第七步：岩芯参数利用；根据恢复后的岩芯空间姿态及岩芯上所作标记，即可开展声发射法岩芯取样工作；同时，根据所求解的结构面真实产状，可以开展岩芯所在位置的构造分析工作。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.地质岩芯空间姿态复原装置，其特征在于：包括基台、可转动的设置于基台上的回转台、可转动的设置于回转台上的中间台体以及可转动的设置于中间台体上用于夹持岩芯的回转卡盘；
所述中间台体上还设有可沿回转卡盘回转轴线方向移动以用于测量回转卡盘回转轴线到岩芯外表面各点距离的位移测量装置；
所述回转台的回转轴线与所述中间台体的旋转轴线垂直，所述回转卡盘的回转轴线与所述中间台体的旋转轴线垂直；
空间姿态精确复原时：
首先利用回转卡盘夹紧岩芯，根据岩芯的测斜数据，通过回转台和中间平台带动回转卡盘转动，对岩芯空间倾斜方向进行初始还原；
在此基础上，利用回转卡盘夹紧岩芯上端，使岩芯上端面轴线与回转卡盘轴线一致；进而旋转岩芯并精确测量岩芯表面各点相对卡盘轴线的偏移量，然后求解各偏移量峰值点和谷值点对应的平均偏转角度，进而作出两条标记线；
接着，根据岩芯轴与钻孔轴一致性原理和岩芯姿态空间唯一性原理，将两条标记线与钻孔测斜曲线相比较，确定两条标记线在空间位置的上下关系，进一步通过卡盘回转使两条标记线位于铅垂面内，即可实现普通岩芯空间姿态的精确复原。
2.根据权利要求1所述的复原装置，其特征在于：所述基台上设有驱动所述回转台转动的第一驱动电机，所述回转台上设有驱动所述中间台体转动的第二驱动电机，所述中间台体上设有驱动回转卡盘转动的第三驱动电机以及驱动所述位移测量装置移动的线性驱动机构，所述中间台体上还设有测量回转卡盘转动角度的角度传感器。
3.根据权利要求2所述的复原装置，其特征在于：所述中间台体上还设有用于获取岩芯表面形貌的形貌扫描仪。
4.根据权利要求3所述的复原装置，其特征在于：所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、线性驱动机构、位移测量装置、角度传感器以及形貌扫描仪均与复原装置的控制与数据监测系统电性连接。
5.根据权利要求2所述的复原装置，其特征在于：所述线性驱动机构包括并排间隔设置的传动丝杆和导向杆、滑动设置在所述导向杆上的滑块以及驱动传动丝杆转动的第四驱动电机，所述滑块与所述传动丝杆螺纹配合连接，所述位移测量装置以及形貌扫描仪设置于所述滑块上。
6.根据权利要求1所述的复原装置，其特征在于：所述基台与所述回转台之间设有用于测量回转台转动角度的第一分度圆标尺以及第一指针，所述回转台与所述中间台体之间设有用于测量中间台体转动角度的第二分度圆标尺以及第二指针。
7.根据权利要求6所述的复原装置，其特征在于：所述回转台水平安装在所述基台上，所述回转台上并排设有两根立柱，所述中间台体通过其转轴架设在两根所述立柱之间，所述回转卡盘设置于所述中间台体的中部。
8.根据权利要求2-7任一项所述的复原装置，其特征在于：在中间台体上还设有朝回转卡盘径向方向延伸的滑轨，在滑轨上滑动设有支撑滑台，整个线性驱动机构固定安装在支撑滑台上，并可随支撑滑台同步移动，中间台体上还设有将支撑滑台位置进行锁定的锁定件。
9.根据权利要求1-7任一项所述的复原装置，其特征在于：所述位移测量装置采用光栅位移测量装置，所述光栅位移测量装置的球形测头与所述岩芯外表面接触，所述球形测头的中轴线与所述回转卡盘回转轴线位于同一铅垂面内。
10.根据权利要求1-7任一项所述的复原装置，其特征在于：所述回转台的回转轴线、所述中间台体的旋转轴线以及所述回转卡盘的回转轴线相交于同一点。
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