CN108663269B - 基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，本发明通过开展室内试验和现场试验，结合能量分析法、拟合函数法、权重分析法，建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，提出基于数字钻探测试技术预测等效岩体强度的方法，对巷道顶板围岩进行分区，具有方便灵活，钻孔预测成本低，提高支护工作效率的优点。

Description

基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法

技术领域

本发明属于地下工程中安全技术领域，具体涉及一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法。

背景技术

岩石的单轴抗压强度是表征岩体性质的最重要参数，其准确测试是进行支护参数设计优化和地下工程围岩分区的前提，对研究地下工程的稳定性具有重要价值。常规测试岩体单轴抗压强度的方法主要有单轴压缩实验法和点荷载试验，但这些方法存在以下诸多问题：

1.单轴压缩试验测试方法需从工程现场提取高质量的岩芯，并运送至实验室进行测定，周期时间长，不能及时反映岩体单轴抗压强度。

2.常规测试单轴压缩试验花费较大，成本较高，不便于进行大量样本试验。

3.常规测试单轴压缩试验在运输过程中，难以避免对岩样造成扰动，导致试验结果不准确，同时对裂隙、破碎、软弱、节理围岩的单轴抗压强度和弹性模量难以进行有效测试。

4.点荷载试验虽然可以进行现场测试，但需要测量压头接触点平面的最小横截面积，既困难又不准确。

5.点荷载试验的修正方法很难消除现场试件厚度对试验结果的影响。

数字钻探测试技术是一种对钻进过程中的钻进速率、钻进转速、钻进扭矩、钻进压力四种随钻参数进行监测和部分参数定量控制的技术。大量的现场和室内数字钻探研究表明，随钻参数与岩体单轴抗压强度具有密切的相关性，且数字钻探测试技术为现场围岩单轴抗压强度的实时获取提供了新的思路，但目前尚未建立可靠的随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，无法运用数字钻探测试技术准确预测等效岩体强度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，本发明通过开展室内试验和现场试验，结合能量分析法、拟合函数法、权重分析法，建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，提出基于数字钻探测试技术预测等效岩体强度的方法，进而能够对巷道顶板围岩进行分区。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，包括以下步骤：

进行室内钻进试验，获取钻头钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速；

利用能量分析法分析钻头切削岩石过程，根据能量守恒原理表达钻进过程的切削破碎能；

获取岩体随钻参数和单轴抗压强度，通过拟合函数法，将实测单轴抗压强度与岩石切削破碎能量进行拟合分析，建立函数关系，以获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系；

进行现场钻进，实时监测并采集钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，根据所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的函数关系，预测等效岩体强度；

基于预测结果得到单个钻孔内的等效岩体强度，根据其随钻孔深度的变化绘制得到该钻孔内等效岩体强度图表；

在设定区段施打一系列钻孔，将每个钻孔对应的图表按照位置顺序排列，利用平滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效岩体强度分布图；

根据不同位置的等效岩体强度将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的多个区域，实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度，实现分区。

进一步的，通过配合钻头以及安装在钻机上的钻压传感器、扭矩传感器、位移传感器和转速传感器测得钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速。

进一步的，所述岩体单轴抗压强度通过单轴压缩试验或点荷载试验测得。

进一步的，根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式，具体为：扭矩做功与钻进压力做功之和等于切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量以及切削刃切削岩石消耗的能量之和。

进一步的，拟合函数法包括但不限于线性拟合、多项式拟合、最小二乘法和支持向量机。

进一步的，开展现场钻进试验，针对典型区段进行钻进探测，通过数字钻探测试技术实时监测并采集钻进过程中的钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，进而预测得到该位置岩层的等效岩体强度。

进一步的，构建的为单个钻孔内岩体强度柱状图”。

进一步的，根据不同位置的等效岩体强度进行顶板围岩分区，即将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的Ⅰ～Ⅳ五个等级区域，等级越高，反映围岩越破碎、强度越低，从而实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度。

进一步的，通过绘制顶板围岩等效强度分区图，指导设计锚固材料的长度及各种注浆参数，在顶板定向预裂切缝成巷技术中确定钻孔爆破位置、钻孔深度和装药量。

一种基于数字钻探测试的等效岩体强度钻探分区系统，包括处理器，所述处理器执行以下指令：

获取钻头钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速；

利用能量分析法分析钻头切削岩石过程，根据能量守恒原理表达钻进过程的切削破碎能；

获取岩体随钻参数和单轴抗压强度，通过拟合函数法，将实测单轴抗压强度与岩石切削破碎能量进行拟合分析，建立函数关系，以获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系；

实时监测并采集现场钻进的钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，根据所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的函数关系，预测等效岩体强度；

基于预测结果得到单个钻孔内的等效岩体强度，根据其随钻孔深度的变化绘制得到该钻孔内等效岩体强度图表；

将在设定区段施打的一系列钻孔中每个钻孔对应的图表按照位置顺序排列，利用平滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效岩体强度分布图；

根据不同位置的等效岩体强度将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的多个区域，实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度，实现分区。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明具有实时预测的特点，可在现场直接钻探预测，避免了样本送往实验室过程中的扰动影响，同时极大程度上缩短测试时间，能够快速准确的预测等效岩体强度，为确定合理的支护方案提供及时有效的依据；

2、本发明通过绘制顶板围岩等效强度分区图，可以指导设计锚固材料的长度及各种注浆参数，便于顶板定向预裂切缝成巷技术中确定钻孔爆破位置、钻孔深度和装药量；

3、本发明方便灵活，钻孔预测成本低，提高支护工作效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区流程简图；

图2是PDC钻头示意图；

图3是切削破碎能与等效岩体强度和随钻参数关系图；

图4是单孔等效岩体强度柱状图；

图5(a)、图5(b)是顶板围岩等效岩体强度分区的断面图以及整体图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

根据背景技术，目前尚未建立可靠的随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，无法运用数字钻探测试技术准确预测等效岩体强度，为了解决上述问题，本发明通过开展室内试验和现场试验，结合能量分析法、拟合函数法、权重分析法，建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，提出基于数字钻探测试技术预测等效岩体强度的方法，对巷道顶板围岩进行分区。

首先，在实验室内开展岩石试样钻进试验，通过配合PDC钻头以及安装在钻机上的钻压传感器、扭矩传感器、位移传感器和转速传感器测得钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速，利用能量分析法分析PDC钻头切削岩石过程即钻头切削刃对其前方岩石的切削作用和切削刃与其下方岩石的摩擦作用，根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式：

W_M+W_F＝E_C+E_F，其中，扭矩做功W_M＝2πNMt，式中N为钻进转速，M为钻进扭矩，此式含义为在钻进时间段t内钻进扭矩在钻进段所做功；

钻进压力做功W_F＝FVt，式中F为钻进压力，V为钻进速率，此式含义为在钻进时间段t内钻进压力在钻进段所做功；

切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量式中μ为钻头切削刃与孔底岩石的摩擦系数，取值为0.21，R为钻头半径，L₁、L₂…L_i为第i列切削刃长度，此式含义为在钻进时间段t内切削刃与孔底摩擦所做功；

由上述可知切削刃切削岩石消耗的能量E_C＝W_M+W_F-E_F，即：

钻头切削单位体积岩石所消耗的能量为：

同时，通过开展室内试验或现场测试试验，获取相应岩体的随钻参数和单轴抗压强度，利用拟合函数法，将单轴抗压强度与岩石切削破碎能进行拟合分析，建立函数关系，进一步获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系式σ＝f(ηc)＝f(F，N，M，V)，拟合的方法有线性拟合、多项式拟合、最小二乘法和支持向量机，但不局限于以上所列举的各种方法。

开展现场钻进试验，针对典型区段进行钻进探测，通过数字钻探测试技术实时监测并采集钻进过程中的钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，并代入随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，预测得到该位置岩层的等效岩体强度。

上述即可完成预测过程。

基于预测结果，还能够进一步的对巷道顶板围岩进行分区。

分区过程还包括：

根据预测得到的该位置岩层的等效岩体强度，绘制得出该钻孔等效岩体强度柱状图，所述等效岩体强度柱状图是根据探测不同深度岩层的等效岩体强度绘制得到的等效强度变化图。进一步在该区段施打一系列探孔，将这些柱状图按照位置顺序排列，用圆滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效强度分布图。

进一步的，所述岩体单轴抗压强度通过单轴压缩试验或点荷载试验测得；本发明提出的等效岩体强度通过数字钻探测试技术预测得到，且该方法适用于完整、破碎岩体。

根据不同位置的等效岩体强度进行顶板围岩分区，即将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的若干个区域，比如，将顶板围岩划分为Ⅰ～Ⅳ五个等级区域，等级越高，反映围岩越破碎、强度越低，从而实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度。

作为一种典型实施例，具体包括以下步骤：

a.在实验室内开展岩石试样钻进试验，通过配合PDC钻头以及安装在钻机上的钻压传感器、扭矩传感器、位移传感器和转速传感器测得钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速，PDC钻头如图2所示。

b.利用能量分析法分析PDC钻头切削岩石过程即钻头切削刃对其前方岩石的切削作用和切削刃与其下方岩石的摩擦作用，根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式：

W_M+W_F＝E_C+E_F，其中，扭矩做功W_M＝2πNMt，式中N为钻进转速，M为钻进扭矩，此式含义为在钻进时间段t内钻进扭矩在钻进段所做功；

钻进压力做功W_F＝FVt，式中F为钻进压力，V为钻进速率，此式含义为在钻进时间段t内钻进压力在钻进段所做功；

切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量式中μ为钻头切削刃与孔底岩石的摩擦系数，可以取值0.21，R为钻头半径，L₁、L₂…L_i为第i列切削刃长度，此式含义为在钻进时间段t内切削刃与孔底摩擦所做功；

由上述可知切削刃切削岩石消耗的能量E_C＝W_M+W_F-E_F，即

则钻头切削单位体积岩石所消耗的能量为：

c.通过开展室内试验或现场测试实验，获取岩体随钻参数和单轴抗压强度。

d.通过拟合函数法，将实测单轴抗压强度与岩石切削破碎能进行拟合分析，建立函数关系，进一步获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系式，即σ＝f(ηc)＝f(F，N，M，V)，关系图如图3所示。

e.开展现场钻进试验，利用数字钻探测试技术实时监测并采集钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，代入所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的关系式，预测等效岩体强度。

完成预测整个过程。

f.统计记录单个钻孔内预测得到的等效岩体强度，根据其随钻孔深度的变化绘制得到该钻孔内等效岩体强度柱状图，如图4所示。

g.进一步在该区段施打一系列探孔，将这些柱状图按照位置顺序排列，用圆滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效岩体强度分布图，如图5(a)和图5(b)所示。

h.根据不同位置的等效岩体强度将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的若干个区域，比如，将顶板围岩划分为Ⅰ～Ⅳ五个等级区域，等级越高，反映围岩越破碎、强度越低，从而实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度，通过绘制顶板围岩等效强度分区图，可以指导设计锚固材料的长度及各种注浆参数，便于顶板定向预裂切缝成巷技术中确定钻孔爆破位置、钻孔深度和装药量。

当然，在其他实施例中，可以将分等级的个数进行更改，如减少或增加等，这些均为根据现场情况可进行的调整，在此不再赘述。

本实施例还提供一种基于数字钻探测试的等效岩体强度钻探分区系统，包括处理器，所述处理器执行以下指令：

获取钻头钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速；

利用能量分析法分析钻头切削岩石过程，根据能量守恒原理表达钻进过程的切削破碎能；

获取岩体随钻参数和单轴抗压强度，通过拟合函数法，将实测单轴抗压强度与岩石切削破碎能量进行拟合分析，建立函数关系，以获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系；

实时监测并采集现场钻进的钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，根据所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的函数关系，预测等效岩体强度；

基于预测结果得到单个钻孔内的等效岩体强度，根据其随钻孔深度的变化绘制得到该钻孔内等效岩体强度图表；

将在设定区段施打的一系列钻孔中的每个钻孔对应的图表按照位置顺序排列，利用平滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效岩体强度分布图；

根据不同位置的等效岩体强度将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的多个区域，实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度，实现分区。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：包括以下步骤：

进行室内钻进试验，获取钻头钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速；

利用能量分析法分析钻头切削岩石过程，根据能量守恒原理表达钻进过程的切削破碎能；

根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式：

W_M+W_F＝E_C+E_F，其中，扭矩做功W_M＝2πNMt，式中N为钻进转速，M为钻进扭矩，此式含义为在钻进时间段t内钻进扭矩在钻进段所做功；

钻进压力做功W_F＝FVt，式中F为钻进压力，V为钻进速率，此式含义为在钻进时间段t内钻进压力在钻进段所做功；

切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量式中μ为钻头切削刃与孔底岩石的摩擦系数，取值为0.21，R为钻头半径，L₁、L₂…L_i为第i列切削刃长度，此式含义为在钻进时间段t内切削刃与孔底摩擦所做功；

由上述可知切削刃切削岩石消耗的能量E_C＝W_M+W_F-E_F，即：

钻头切削单位体积岩石所消耗的能量为：

获取岩体随钻参数和单轴抗压强度，通过拟合函数法，将实测单轴抗压强度与岩石切削破碎能量进行拟合分析，建立函数关系，以获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系；

进行现场钻进，实时监测并采集钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，根据所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的函数关系，预测等效岩体强度；

基于预测结果得到单个钻孔内的等效岩体强度，根据其随钻孔深度的变化绘制得到该钻孔内等效岩体强度图表；

在设定区段施打一系列钻孔，将每个钻孔对应的图表按照位置顺序排列，利用平滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效岩体强度分布图；

根据不同位置的等效岩体强度将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的多个区域，实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度，实现分区。

2.如权利要求1所述一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：通过配合钻头以及安装在钻机上的钻压传感器、扭矩传感器、位移传感器和转速传感器测得钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速。

3.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：所述岩体单轴抗压强度通过单轴压缩试验或点荷载试验测得。

4.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式，具体为：扭矩做功与钻进压力做功之和等于切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量以及切削刃切削岩石消耗的能量之和。

5.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：开展现场围岩数字钻探试验，针对典型区段进行钻进探测，通过数字钻探测试技术实时监测并采集钻进过程中的钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，进而预测得到该位置岩层的等效岩体强度。

6.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：拟合函数法包括但不限于线性拟合、多项式拟合、最小二乘法和支持向量机。

7.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：构建的为单个钻孔内等效岩体强度柱状图。

8.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：根据不同位置的等效岩体强度进行顶板围岩分区，即将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的Ⅰ～Ⅳ五个等级区域，等级越高，反映围岩越破碎、强度越低，从而实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度。

9.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：通过绘制顶板围岩等效强度分区图，指导设计锚固材料的长度及各种注浆参数，在顶板定向预裂切缝成巷技术中确定钻孔爆破位置、钻孔深度和装药量。

10.一种基于数字钻探测试的等效岩体强度钻探分区系统，其特征是：包括处理器，所述处理器执行以下指令：

获取钻头钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速；

利用能量分析法分析钻头切削岩石过程，根据能量守恒原理表达钻进过程的切削破碎能；

根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式：

W_M+W_F＝E_C+E_F，其中，扭矩做功W_M＝2πNMt，式中N为钻进转速，M为钻进扭矩，此式含义为在钻进时间段t内钻进扭矩在钻进段所做功；

钻进压力做功W_F＝FVt，式中F为钻进压力，V为钻进速率，此式含义为在钻进时间段t内钻进压力在钻进段所做功；

切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量式中μ为钻头切削刃与孔底岩石的摩擦系数，取值为0.21，R为钻头半径，L₁、L₂…L_i为第i列切削刃长度，此式含义为在钻进时间段t内切削刃与孔底摩擦所做功；

由上述可知切削刃切削岩石消耗的能量E_C＝W_M+W_F-E_F，即：

钻头切削单位体积岩石所消耗的能量为：

获取岩体随钻参数和单轴抗压强度，通过拟合函数法，将实测单轴抗压强度与岩石切削破碎能量进行拟合分析，建立函数关系，以获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系；

实时监测并采集现场钻进的钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，根据所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的函数关系，预测等效岩体强度；

基于预测结果得到单个钻孔内的等效岩体强度，根据其随钻孔深度的变化绘制得到该钻孔内等效岩体强度图表；

将在设定区段施打的一系列钻孔中的每个钻孔对应的图表按照位置顺序排列，利用平滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效岩体强度分布图；

根据不同位置的等效岩体强度将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的多个区域，实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度，实现分区。