CN116029159A - 地下工程围岩旋切钻进原位探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，涉及岩土工程勘察技术领域，该探测方法包括：获取三向围压作用下岩石试件的钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z；建立钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z与钻进深度h的关系式。建立三向围压作用下岩石的切削能量密度解ξ c，同时获取岩石试件的抗压强度σ c，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型。对现场围岩进行原位测试，结合评价模型，根据岩体等效强度对围岩进行分区。该方法建立了考虑三向围压作用的岩体等效抗压强度旋切钻进测试模型，能够实现地下工程围岩的强度参数原位定量探测。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，特别涉及一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法。
背景技术
随着经济的高速发展，矿山巷道、隧道、引水隧洞等深部地下工程正以前所未有的速度向深部发展。随着埋深的不断增加，围岩地应力不断增大。研究表明，岩石的强度随围压的增加而有所提高。同时岩石在不同的围压下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现出脆性的岩石可以在高围压下转化为延性，且深部地下工程发生的以岩爆为代表的动力灾害事故相比浅部在程度上加剧、频度上提高。
深部岩体强度的定量测试是围岩支护设计和围岩动力灾害防治的基础。目前岩石强度测试方法以室内压缩试验为主，需要现场取芯、编录、运输、室内试验等流程，测试效率较低，无法满足现场施工进度。同时，作为支护的主要对象，破碎岩体的取芯较为困难，无法精确测量其力学参数。数字钻探测试技术利用钻进速度、钻头转速、钻进压力和钻进扭矩等随钻参数与岩体强度参数的相关性，能够实现岩体等效抗压强度参数的快速获取，为现场围岩力学参数的实时获取提供了新的途径。
数字钻探测试技术的关键在于随钻参数-岩体强度参数关系的建立，在原岩应力条件下，围岩应力对钻头与岩石之间的摩擦作用具有重要影响，因此，亟需建立一种考虑原岩应力的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，实现深部岩体强度参数的准确、实时获取。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，该方法通过开展围压作用下岩石数字钻进试验，分析数字钻头在围压作用下产生的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z，得到了三向围压作用下岩石试件的切削能量密度理论解
ξ c，并结合岩石试件的抗压强度
σ c，建立了考虑三向围压作用的岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，能够实现地下工程的围岩抗压强度的原位定量测试。
为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种新的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法。所述地下工程围岩旋切钻进原位探测方法包括：获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z；建立钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z分别与钻进深度
h的拟合关系式；建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解
ξ c；获取岩石试件的抗压强度
σ c；根据获取的岩石试件的抗压强度
σ c和切削能量密度解
ξ c，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度。
根据本发明的一实施方式，其中，所述获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z包括：通过岩石钻进***对三向围压作用下岩石试件开展数字钻进试验，监测随钻参数随钻进深度的变化情况；根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进***的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z。
根据本发明的一实施方式，其中，所述随钻参数包括初始钻进扭矩
M c、初始钻进压力
F c、实时钻进扭矩
M h和实时钻进压力
F h，所述根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进***的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z包括：开展岩石数字钻进试验，保持钻头处于无切削旋转的状态；监测岩石钻进***的钻头无钻进深度时的初始钻进扭矩
M c和初始钻进压力
F c；监测不同钻进深度下钻头无切削旋转的实时钻进扭矩
M h和实时钻进压力
F h；根据公式
M z=
M h-
M c、
F z=
F h-
F c计算不同钻进深度下的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z。
根据本发明的一实施方式，其中，所述岩石钻进***包括导向钻进单元和监测控制单元，所述导向钻进单元用于对所述岩石试件进行钻进，所述监测控制单元用于实时控制和监测随钻参数，所述随钻参数还包括钻进速度
V、钻头转速
N、钻进扭矩
M和钻进压力
F，建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解。
根据本发明的一实施方式，其中，所述根据获取的岩石试件的抗压强度
σ c和切削能量密度解
ξ c，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度包括：将室内压缩试验获得的岩石试件的抗压强度和数字钻进试验获得的岩石试件的切削能量密度进行线性回归分析，以确定线性回归系数
α和常数
β；将
α和
β的值代入，计算得到。
根据本发明的一实施方式，其中，所述地下工程围岩旋切钻进原位探测方法还包括：对围岩强度进行区域划分，设定第一阈值
a 1、第二阈值
a 2，且
a 1＜
a 2；当时，围岩强度对应的深度范围为强度劣化区；当时，围岩强度对应的深度范围为强度恢复区；当时，围岩强度对应的深度范围为原岩强度区；根据围岩分区特征采取相应的支护措施。
本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
本发明的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，该方法通过开展围压作用下岩石数字钻进试验，考虑数字钻头受到的切削力和摩擦力，分析数字钻头在围压作用下产生的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z，利用监测到的钻进速度、钻头转速、钻进扭矩、钻进压力等随钻参数，得到了三向围压作用下岩石试件的切削能量密度理论解
ξ c，并结合岩石试件的抗压强度
σ c，建立了考虑三向围压作用的岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，实现地下工程的围岩抗压强度的原位定量测试；通过直接钻进原位获取深部高应力条件下的岩体等效抗压强度，克服了常规试验方法无法测试原岩应力条件下岩体强度并进行围岩强度分区的问题。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法的示意图。
图2是根据一示例性实施方式示出的一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法的围岩等效强度分区的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
如图1至图2所示，图1示出了本发明提供的一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法的示意图。图2示出了本发明提供的一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法的围岩等效强度分区的示意图。
本发明实施例的一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，该方法包括：获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z；建立钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z分别与钻进深度
h的拟合关系式；建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解
ξ c；获取岩石试件的抗压强度
σ c；根据获取的岩石试件的抗压强度
σ c和切削能量密度解
ξ c，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度。
如图1所示，利用岩体钻进***对三向围压作用下的岩石试件进行数字钻进试验，并监测随钻参数随钻进深度的变化情况，通过计算得到不同钻进深度下钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z，建立钻进扭矩增量
M z与钻进深度
h的拟合关系式和/或拟合曲线，同时建立钻进压力增量
F z与钻进深度
h的拟合关系式和/或拟合曲线，从而可以建立三向围压作用下的岩石试件的切削能量密度解
ξ c，再开展室内压缩试验，在现场取样岩石块制作若干个岩石试件，期间不允许人为裂隙出现，岩石试件的规格通常采用直径为50mm，高为100mm（高径比为2）的标准圆柱体，其中岩石试件两端面的平行度偏差不得大于0.1mm，岩石试件两端的直径偏差不得大于0.2mm，且两端面垂直于其轴线，将岩石试件放置于压力机的承压板中心，调整承压板使岩石试件均匀受力，开启压力机，以0.5至0.8MPa/s的加载速度对岩石试件进行加载，直到破坏岩石试件，过程中记录下破坏载荷
P和破坏类型描述，根据公式计算出岩石试件的抗压强度
σ c，其中
A为岩石试件的截面面积，最后根据获取的岩石试件的抗压强度
σ c和切削能量密度解
ξ c则可以建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，从而获取围岩等效抗压强度，可实现地下工程围岩抗压强度的原位定量测试，用于评价该处围岩的强度分区，从而采取相应的支护方式。
在本发明的一个优选实施例中，获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z包括：通过岩石钻进***对三向围压作用下岩石试件开展数字钻进试验，监测随钻参数随钻进深度的变化情况；根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进***的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z。
如图1所示，将岩石试件放入岩石钻进***，并对岩石试件施加三向围压，通过岩石钻进***的导向钻进单元对岩石试件进行钻进试验，钻进过程中通过岩石钻进***的监测控制单元，进行钻头的钻进速度、钻进转速等随钻参数的控制和监测，从而可以得知随钻参数随钻进深度的变化情况，并进行不同钻进深度下的钻头处于无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z的计算。
在本发明的一个优选实施例中，随钻参数包括初始钻进扭矩
M c、初始钻进压力
F c、实时钻进扭矩
M h和实时钻进压力
F h，根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进***的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z包括：开展岩石数字钻进试验，保持钻头处于无切削旋转的状态；监测岩石钻进***的钻头无钻进深度时的初始钻进扭矩
M c和初始钻进压力
F c；监测不同钻进深度下钻头无切削旋转的实时钻进扭矩
M h和实时钻进压力
F h；根据公式
M z=
M h-
M c、
F z=
F h-
F c计算不同钻进深度下的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z。
如图1所示，数字钻进试验时，首先在钻头未钻进岩石试件且处于空转状态时，记录钻头的初始钻进扭矩
M c和初始钻进压力
F c，然后在钻头钻进岩石试件后位于不同深度的无切削旋转时的的实时钻进扭矩
M h和实时钻进压力
F h，例如钻头在深度为10mm、20mm、30mm……时的实时钻进扭矩
M h和实时钻进压力
F h，通过
M z=
M h-
M c、
F z=
F h-
F c则可以计算出无切削旋转的钻头在深度为10mm、20mm、30mm……时的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z。
在本发明的一个优选实施例中，岩石钻进***包括导向钻进单元和监测控制单元，导向钻进单元用于对岩石试件进行钻进，监测控制单元用于实时控制和监测随钻参数，随钻参数还包括钻进速度
V、钻头转速
N、钻进扭矩
M和钻进压力
F，建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解。
其中，通过对钻进速度
V、钻头转速
N、钻进扭矩
M和钻进压力
F等随钻系数的数据进行分析，从而得出岩石试件的切削能量密度解。
在本发明的一个优选实施例中，岩石试件的切削能量密度解为
,
其中，
m为切削刃的列数，
V为钻进速度，
N为钻头转速，
M为钻进扭矩，
F为钻进压力，
M z为钻进扭矩增量，
F z为钻进压力增量，
δ为摩擦角，
f(l)为切削刃函数，
R为钻头半径。
其中，切削刃的列数
m同样影响到岩石试件的切削能量密度解
ξ c，
m=2或
m=3时，岩石试件的切削能量密度解
ξ c均有所不同。研究切削刃的列数对岩石试件的切削能量密度解
ξ c的影响，根据各随钻参数、切削刃的列数与岩石试件的切削能量密度解
ξ c的线性关系，得到
m=3时切削能量密度解公式如下：
,
其中，切削刃函数。
在本发明的一个优选实施例中，根据拟合关系式建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解
ξ c包括：根据拟合关系式和能量守恒原理，建立能量分析模型公式：
W M+
W F=
E C+
E F……（1）；
W M为钻进扭矩
M产生的能量，且其计算公式为：……（2），其中，
N为钻头转速，
M为钻进扭矩，
M z为钻进扭矩增量，
t为钻进时间；
W F为钻进压力
F产生的能量且其计算公式为：……（3），其中，
F为钻进压力，
F z为钻进压力增量，
V为钻进速度，
t为钻进时间；
E F为考虑摩擦力
f时切削岩石试件所需的能量且其计算公式为：……（4），其中，n为钻头的切削刃的数量，
N为钻头转速，
m i为每列切削刃所受摩擦力
f对钻头中心的力矩，
t为钻进时间；将公式（2）、（3）和（4）带入（1），以计算获取切削岩石试件的能量
E C。
其中，将公式（2）、（3）和（4）代入（1）后得到：，从而得到……（5）。
在本发明的一个优选实施例中，
E F为切削岩石试件所需的能量且其计算公式为：……（4）包括：根据，其中
L i为第i列切削刃的长度，i=1，2，3……n，
K i为每列切削刃所受的正压力，且，
μ为钻头与孔底的摩擦系数，计算得到
m i；将
m i带入公式（4），计算得到
E F。
其中，代入，获得，代入（5），或者是代入公式（4）和（1）即可得到，其中，
μ为钻头与孔底的摩擦系数，当钻头由金刚石复合片制成时，
μ=0.21，
L i为每列切削刃所受的正压力，
m i为每列切削刃所受摩擦力
f对钻头中心的力矩，
E F为考虑摩擦力
f时切削岩石试件所需的能量。
在本发明的一个优选实施例中，切削刃的数量n为3，时，计算得到；将得到的
E F、
W F和
W M代入公式（1），计算得到；计算岩石试件的切削能量密度解。
其中，本实施例优选切削刃的数量n为3，从而第i=1列的，第i=2列的，第i=3列的，代入公式（4），可以计算得出，将
E F代入公式（5）可以得出
E C，而岩石试件的切削能量密度解
ξ c含义为钻头切削单位体积的岩石试件时所需的能量，从而可以计算得出岩石试件的切削能量密度解
ξ c。
在本发明的一个优选实施例中，根据获取的岩石试件的抗压强度
σ c和切削能量密度解
ξ c，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度包括：将室内压缩试验获得的岩石试件的抗压强度
σ c和数字钻进试验获得的岩石试件的切削能量密度解
ξ c进行线性回归分析，以确定线性回归系数
α和常数
β；将
α和
β的值代入，计算得到
。
其中，将室内压缩试验获得的岩石试件的抗压强度和数字钻进试验获得的岩石切削能量密度解
ξ c进行线性回归分析，基于岩石切削能密度
ξ c和岩石抗压强度
σ c，以岩石
ξ c为x轴，岩石
σ c为y轴，绘制
ξ c和
σ c散点图，发现两者的线性关系显著，
σ c总体表现为随
ξ c增大而增加的趋势，从而可以确定线性回归系数
α和常数
β，从而
。
在本发明的一个优选实施例中，地下工程围岩旋切钻进原位探测方法还包括：对围岩强度进行区域划分，设定第一阈值
a 1、第二阈值
a 2，且
a 1＜
a 2；当时，围岩强度对应的深度范围为强度劣化区；当时，围岩强度对应的深度范围为强度恢复区；当时，围岩强度对应的深度范围为原岩强度区；根据分区围岩特征采取相应的支护措施。
如图2所示，通过在现场对同一断面围岩的不同位置进行围岩原位数字钻探试验，得到不同方向的岩体的等效抗压强度随钻进深度曲线。将曲线上强度相近的位置依次连接，形成围岩等效抗压强度分区图，设定第一阈值
a 1、第二阈值
a 2，将围岩依次分为强度劣化区、强度恢复区、原岩强度区，其中强度劣化区的取值范围为小于
a 1，强度恢复区的取值范围为
a 1至
a 2之间，原岩强度区的取值范围为大于
a 2，从而可以确定巷道不同深度围岩区域属于强度劣化区、强度恢复区或原岩强度区的哪一种，从而可以针对围岩分区特征采用相应的支护措施。
本发明的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，该方法通过开展围压作用下岩石数字钻进试验，考虑数字钻头受到的切削力和摩擦力，分析数字钻头在围压作用下产生的钻进扭矩增量
M z和钻进压力增量
F z，利用监测到的钻进速度、钻头转速、钻进扭矩、钻进压力等随钻参数，得到了三向围压作用下岩石试件的切削能量密度理论解
ξ c，并结合岩石试件的抗压强度
σ c，建立了考虑三向围压作用的岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，实现地下工程的围岩抗压强度的原位定量测试；通过直接钻进原位获取深部高应力条件下的岩体等效抗压强度，克服了常规试验方法无法测试原岩应力条件下岩体强度并进行围岩强度分区的问题；提出了深部围岩力学参数随钻测试与分区方法，可实现深部巷道围岩的原位实时测试。
在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，其特征在于，包括：
获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z；
建立钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z分别与钻进深度h的拟合关系式；
建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解ξ c；
获取岩石试件的抗压强度σ c；以及
根据获取的岩石试件的抗压强度σ c和切削能量密度解ξ c，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度。
2.根据权利要求1所述的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，其特征在于，所述获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z包括：
通过岩石钻进***对三向围压作用下岩石试件开展数字钻进试验，监测随钻参数随钻进深度的变化情况；
根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进***的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z。
3.根据权利要求2所述的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，其特征在于，所述随钻参数包括初始钻进扭矩M c、初始钻进压力F c、实时钻进扭矩M h和实时钻进压力F h，所述根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进***的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z包括：
开展岩石数字钻进试验，保持钻头处于无切削旋转的状态；
监测岩石钻进***的钻头无钻进深度时的初始钻进扭矩M c和初始钻进压力F c；
监测不同钻进深度下钻头无切削旋转的实时钻进扭矩M h和实时钻进压力F h；以及
根据公式M z=M h-M c、F z=F h-F c计算不同钻进深度下的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量M z和钻进压力增量F z。
4.根据权利要求3所述的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，其特征在于，所述岩石钻进***包括导向钻进单元和监测控制单元，所述导向钻进单元用于对所述岩石试件进行钻进，所述监测控制单元用于实时控制和监测随钻参数，所述随钻参数还包括钻进速度V、钻头转速N、钻进扭矩M和钻进压力F，建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解。
5.根据权利要求1所述的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，其特征在于，所述根据获取的岩石试件的抗压强度σ c和切削能量密度解ξ c，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度包括：
将室内压缩试验获得的岩石抗压强度σ c和数字钻进试验获得的岩石的切削能量密度解ξ c进行线性回归分析，以确定线性回归系数α和常数β；
将α和β的值代入，计算得到。
6.根据权利要求5所述的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，其特征在于，还包括：
对围岩强度进行区域划分，设定第一阈值a 1、第二阈值a 2，且a 1＜a 2；
当时，围岩强度对应的深度范围为强度劣化区；
当时，围岩强度对应的深度范围为强度恢复区；
当时，围岩强度对应的深度范围为原岩强度区；
根据围岩分区特征采取相应的支护措施。
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