CN104792965B - 基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法，主要包括如下步骤：通过数字化钻机向围岩中打钻，实时记录钻进距离与时间的关系，以及钻机功率与时间的关系；根据上述数据计算在任意位置处钻进单位体积岩石所需要的能量；根据钻孔能量的变化确定围岩松动圈的范围。本发明在钻孔的过程中即可测得围岩松动圈范围，方法简单，操作性强，成本低；本发明不需要预先钻出完整钻孔，不受塌孔等因素的影响，在围岩极其破碎的情况下也能正常工作，对于隧道的动态支护设计具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及矿山、交通、水利等地下工程探测领域，尤其涉及一种全新的围岩松动圈测试方法。
背景技术
地下工程开挖后，在隧道、硐室周围岩体中会产生一个大致呈环状的破碎区，称为松动圈。松动圈的大小直接影响地下工程的支护难度，松动圈的范围越大，支护越困难。尤其是在隧道工程中，实时进行松动圈测试对于隧道的动态支护设计具有重要意义。
松动圈实测方法很多，大体可分为两大类：一类是观察比较法，另一类是物理探测法。
（1）直接观察比较法常用的包括：钻孔潜望镜法、钻孔电视法、钻孔取芯法等。
钻孔潜望镜法：通过带光源的光学棱镜系统直接观测或照相记录孔壁延时状态来判别松动圈范围。岩石潜望镜带有电光源和倾斜反射镜，可深入钻孔观察，同时岩石潜望镜带有照相机，可以把围岩裂缝照下来加以分析比较判别松动圈范围。
钻孔电视法：通过特制的孔内摄像机传给地面电视，然后观察记录孔壁岩石状态来判别破碎区范围。它是将测得的探头所处的深度值转化为数字量后再进行编码，并与摄像机拍摄的视频图像信号同步进入动态字符叠加器中，再由字符叠加器将深度数值与视频图像信号进行叠加后，以视频信号方式输出到录机中进行同步记录或在显示器上，进行实时监视。
钻孔取芯法：将钻孔岩心由浅至深顺序排列，经比较确定。该方法虽简单、方便、直观、实用，但对于软弱或破碎岩体，钻孔取芯率相对较低时，很难较完整、准确地获得钻孔内的地质资料，给松动圈判别带来一定难度。
（2）物理方法常用的包括形变电阻率法、声测法和地质雷达实测法等。
形变电阻率法：是利用各种岩石的到电阻率不同、而同类岩石的电阻率随节理、裂隙、孔隙情况不同而不同的原理判别松动圈的范围。该方法优点是布点测量方便、测试范围大、观测简单、快速经济、不破坏岩体原有状态，并可以一次布设若干组电极分段观测，还可以长期定时观测。缺点是对仪器精度要求较高，需要良好的电极布置的技术要求高。
声测法：是利用各类岩石中声波速度不同，且同种岩石随破裂程度增加声速降低原理来判定松动圈范围。声波的波速随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增加。因此，测得的声波波速高则说明围岩完整性好，波速低说明围岩存在裂缝，围岩有破坏发生。测出距离围岩表面不同深度的岩体波速值，作出深度和波速曲线，然后再根据有关地质资料可推断出被测试硐室的围岩松动圈厚度。该方法的优点是测试技术成熟可靠，原理简单，仪器便宜可以重复使用。存在的主要问题是，在测试中，经常要提供风和水管，工作量较大。
地质雷达实测法：是利用雷达产生高频短脉冲电磁波和能量向岩体介质内发射，利用岩体介质中节理、裂隙断裂等界面上的反射波不同来探测裂缝的位置，判别松动圈范围。地质雷达法测试的优点是不需钻孔，精度、效率和分辨率高，灵活方便，剖面直观，测试快速，现场即可得到裂缝位置图，得出松动圈范围；其缺点是仪器昂贵。
在现场施工过程中，上述方法大都需要提前钻孔然后进行测试，测试费用昂贵，且费时费力，当围岩较破碎的时候，钻孔难以成形，从而导致测试失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法，操作简单并能够准确地测试围岩松动圈的范围。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法，其特征在于包括如下步骤：
a、地下工程开挖完成后，通过数字化钻机向围岩中打钻，在钻机钻进的过程中，实时记录钻进距离与时间的关系，以及钻机功率与时间的关系；
b、根据钻进距离与时间的关系，计算在距离壁面任意位置处，单位时间内的钻进量，并根据孔径参数计算得到单位时间内钻进岩石的体积；根据钻机功率与时间的关系，计算在相应位置处，单位时间内钻机消耗的能量；进而由单位时间内钻机消耗的能量除以单位时间内钻进岩石的体积，得到在任意位置处钻进单位体积岩石所需要的能量；
c、根据钻进单位体积岩石所需要的能量的变化趋势确定出围岩松动圈的范围，确定依据是：在破碎围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较少，在完整围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较多；
d、根据c步骤得到的围岩松动圈的范围，在确定钻孔深度超过松动圈范围一定距离后停止钻孔。
所述的数字化钻机，其特征在于安装在凿岩台车上，在钻进的过程中，可以实时记录钻进距离与时间的关系，以及钻机功率与时间的关系，并输入计算机进行数据分析。
本发明的基本原理是：钻机在围岩中钻孔时，在破碎围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较少，在完整围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较多；在地下硐室的松动圈范围内，围岩较为破碎，钻孔所需能量较少；在松动圈范围外，围岩较为完整，钻孔所需能量较大；因此，可以通过计算比较钻进单位体积岩石所需要的能量来分析围岩松动圈范围。
本发明的有益效果是：本发明在钻孔的过程中即可测得围岩松动圈范围，方法简单，操作性强，成本低；本发明不需要预先钻出完整钻孔，不受塌孔等因素的影响，在围岩极其破碎的情况下也能正常工作。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明所述围岩松动圈测试方法实施例的示意图；
图2为某实施例中钻进单位体积岩石所需要的能量随钻孔深度的变化规律图。
具体实施方式
结合附图1，一种基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法，其特征在于包括如下步骤：
a、地下工程开挖完成后，通过数字化钻机2向围岩中打钻，在钻机钻进的过程中，实时记录钻进距离与时间的关系，以及钻机功率与时间的关系，并将数据输入计算机3；
b、根据钻进距离与时间的关系，计算在距离壁面任意位置处，单位时间内的钻进量，并根据孔径参数计算得到单位时间内钻进岩石的体积；根据钻机功率与时间的关系，计算在相应位置处，单位时间内钻机消耗的能量；进而由单位时间内钻机消耗的能量除以单位时间内钻进岩石的体积，得到在任意位置处钻进单位体积岩石所需要的能量，如图2所示；
c、根据钻进单位体积岩石所需要的能量的变化趋势确定出围岩松动圈的范围约为3m，确定依据是：在破碎围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较少，在完整围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较多；
d、根据c步骤得到的围岩松动圈的范围，在确定钻孔深度超过松动圈范围一定距离后停止钻孔。
所述的数字化钻机2，其特征在于安装在凿岩台车1上，在钻进的过程中，可以实时记录钻进距离与时间的关系，以及钻机功率与时间的关系，并输入计算机3进行数据分析。
以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法，其特征在于包括如下步骤：
a、地下工程开挖完成后，通过数字化钻机向围岩中打钻，在钻机钻进的过程中，实时记录钻进距离与时间的关系，以及钻机功率与时间的关系；
b、根据钻进距离与时间的关系，计算在距离壁面任意位置处，单位时间内的钻进量，并根据孔径参数计算得到单位时间内钻进岩石的体积；根据钻机功率与时间的关系，计算在相应位置处，单位时间内钻机消耗的能量；进而由单位时间内钻机消耗的能量除以单位时间内钻进岩石的体积，得到在任意位置处钻进单位体积岩石所需要的能量；
c、根据钻进单位体积岩石所需要的能量的变化趋势确定出围岩松动圈的范围，确定依据是：在破碎围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较少，在完整围岩中钻进单位体积岩石所需要的能量较多；
d、根据c步骤得到的围岩松动圈的范围，在确定钻孔深度超过松动圈范围一定距离后停止钻孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于钻孔能量的围岩松动圈测试方法，其特征在于所述的数字化钻机安装在凿岩台车上，在钻进的过程中，可以实时记录钻进距离与时间的关系，以及钻机功率与时间的关系，并输入计算机进行数据分析。
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