CN111999469A - 基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统及方法 - Google Patents

基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统及方法 Download PDF

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CN111999469A CN202010525898.XA CN202010525898A CN111999469A CN 111999469 A CN111999469 A CN 111999469A CN 202010525898 A CN202010525898 A CN 202010525898A CN 111999469 A CN111999469 A CN 111999469A
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王浩
焦玉勇
张国华
覃卫民
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Abstract

本发明公开一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统及方法。本发明的评价系统获取每次凿岩机在待验岩体钻孔时因钻杆发生振动产生的每个振动周期的振动加速度，以及钻杆沿钻孔方向钻进的位移距离；再通过每个振动周期振动的均值加速度及钻进速率来获取待验岩体的在每个振动周期中表现出的抗钻系数；最后比较若干振动周期的抗钻系数与一在先构建的抗钻系数数据库，终能够获取待验岩体的岩体等级。

Description

基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统及方法
技术领域
本发明涉及岩土力学领域，具体而言，涉及一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统及方法。
背景技术
钻孔过程中钻进与岩土体进行直接接触，钻机响应信息综合反映了岩土体的力学性质，凿岩钻机响应信息中隐藏的大量地质资料，可用于分析、测定岩土体的力学参数和空间分布，是进行地层界面识别和围岩级别划分的重要参考指标。现阶段在岩土工程领域的钻机响应信息并没有被充分收集和应用。
发明内容
本发明实施例至少公开一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统；本实施例的评价系统能够获取每次凿岩机在待验岩体钻孔时因钻杆发生振动产生的每个振动周期的振动加速度，以及钻杆沿钻孔方向钻进的位移距离；再通过每个振动周期振动的均值加速度及钻进速率来获取待验岩体的在每个振动周期中表现出的抗钻系数，用于获取待验岩体的岩体等级。
为了实现上述内容，所述评价系统包括至少一加速度敏感元件、至少一位移敏感元件、物联网关及服务器；所述加速度敏感元件安装在凿岩机的钻孔方向，并且获取所述凿岩机在待验岩体钻孔时至少一个振动周期的振动加速度，所述加速度敏感元件根据所述振动加速度生成加速度信号，并且通过所述物联网关发送所述加速度信号到所述服务器；所述位移敏感元件安装在凿岩机的钻孔方向，并且获取所述凿岩机在待验岩体钻孔时至少一个振动周期的位移距离，所述加速度敏感元件根据所述位移距离生成位移信号，并且通过所述物联网关发送所述位移信号到所述服务器；所述服务器接收所述加速度信号及所述位移信号，并且根据所述加速度信号获取均值加速度，以及所述服务器根据所述位移信号获取钻进速率；所述服务器根据所述钻进速率及所述均值加速度获取关联所述振动周期的抗钻系数；所述服务器根据至少一个所述振动周期的所述抗钻系数评价待验岩体的岩体等级。
在本发明公开的一些实施例中，所述服务器获取至少两个所述振动周期的所述抗钻系数，并且根据至少两个所述抗钻系数组合的评价所述岩体等级。
在本发明公开的一些实施例中，所述服务器根据至少两个连续所述振动周期的所述抗钻系数组合的评价所述岩体等级。
在本发明公开的一些实施例中，所述服务器获取至少两个所述抗钻系数获取一均值抗钻系数，并且根据所述均值抗钻系数评价所述岩体等级。
在本发明公开的一些实施例中，所述服务器获取任意所述振动周期的抗钻系数，具体是：令抗钻系数为K，则
Figure RE-GDA0002736543090000021
其中，C为凿岩机的常量，a为当前所述振动周期的均值加速度，V为当前所述振动周期的钻进速率。
在本发明公开的一些实施例中，所述服务器根据所述抗钻系数K评价所述岩体等级，具体是：获取一标准的i级岩体的n个振动周期的所述抗钻系数，即Ki1Ki2Ki3…Kin；构建标准的i级岩体等级的抗钻系数数据库{Ki} ＝Ki1Ki2Ki3…Kin；判断所述抗钻系数K是否属于i级岩体的抗钻系数数据库{Ki}；在判断所述抗钻系数K属于一所述抗钻系数数据库{Ki}后，获取所述i的取值；根据所述i的取值确定待验岩体的所述岩体等级。
在本发明公开的一些实施例中，所述服务器筛选符合阈值条件的Kij到所述抗钻系数数据库{Ki}，j取值1到n。
在本发明公开的一些实施例中，所述服务器筛选符合阈值条件的Kij到所述抗钻系数数据库{Ki}，具体是：
获取一均值系数
Figure RE-GDA0002736543090000031
Figure RE-GDA0002736543090000032
获取一标准误差SE，
Figure RE-GDA0002736543090000033
获取一置信区间为，
Figure RE-GDA0002736543090000034
取置信水平为95％的置信区间值，那么z＝1.96，则
Figure RE-GDA0002736543090000035
将
Figure RE-GDA0002736543090000036
收纳到所述抗钻系数数据库{Ki}。
本发明实施例至少公开一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价方法。
所述评价方法被执行的步骤包括：获取凿岩机在待验岩体钻孔时至少一个振动周期的振动加速度及位移距离；根据所述振动加速度获取加速度；根据所述位移距离获取钻进速率；根据所述钻进速率及所述均值加速度获取关联所述振动周期的抗钻系数；根据至少一个所述振动周期的抗钻系数评价待验岩体的岩体等级。
在本发明公开的一些实施例中，根据至少一个所述振动周期的抗钻系数评价所述岩体等级，被执行时具体是：获取至少两个所述振动周期的所述抗钻系数；根据至少两个所述抗钻系数组合的评价所述岩体等级。
针对上述方案，本发明通过以下参照附图对公开的示例性实施例作详细描述，亦使本发明实施例的其它特征及其优点清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为评价系统的拓扑结构；
图2为评价方法执行步骤的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参考实施方案，这些实施方案的示例在附图中示出。下面的详细描述中示出许多具体细节，以便提供对各种所描述的实施方案的充分理解。但是，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，各种所描述的实施方案可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他情况下，没有详细地描述众所周知的方法、过程、部件、电路和网络，以免不必要地使实施方案的各方面晦涩难懂。
在本文中对各种所描述的实施方案的描述中所使用的术语只是为了描述特定实施方案的目的，而并非旨在进行限制。如在对各种实施方案中的描述和所附权利要求书中所使用的那样，单数形式“一个”(“a”、“a n”)和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确地指示。还将理解的是，本文中所使用的术语“和/或”是指并且涵盖相关联地列出的项目中的一个或多个项目的任何和全部可能的组合。还将理解的是，术语“包括”(“includes”、“including”、“comprises”和/或“comprising”) 在本说明书中使用时是指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其分组。
本实施例公开一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统。
图1中示出本实施例评价系统的拓扑结构，具体有加速度传感器、位移传感器、物联网关及服务器，在此拓扑结构中加速度传感器及位移传感器分别的通过物联网关与服务器通信。
本实施例加速度传感器安装在凿岩机的钻孔方向，仅用于在凿岩机单次及多次钻孔待验岩体时获取凿岩机的振动加速度，并且根据振动加速度生成加速度信号。
本实施例位移传感器安装在凿岩机的钻孔方向,用于在凿岩机单次及多次钻孔待验岩体时获取凿岩机钻进的位移距离，并且根据位移距离生产位移信号。
本实施例的物联网关具备多种通信接口及协议，能够适配不同类型的加速度传感器及位移传感器，用于接收加速度信号及位移信号。并且在调制上述的加速度信号及位移信号后发送到服务器。
本实施例的服务器一般包括存储器及处理器。其中存储器主要包括存储程序区和存储数据区；其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序，以及本实施例涉及的程序等。以及，存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据，包括本实施例中涉及的显示屏上显示的应用的相关设置信息或使用情况信息等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件，及其他易失性固态存储器件。处理器提供高速运算能力，能够调用及执行存储器中存储的程序。本实施例中服务器被配置在机房，并且由专业的运维人员配置及维护，用于通过有线链路远程的与物联网关通信，用于接收物联网关调制的加速度信号及位移信号。
服务器根据调制的加速度信号获取每个振动周期的均值加速度；根据调制位移信号获取每个振动周期的位移距离，再通过位移距离及振动周期计算关联每个振动周期的钻进速率。
本实施例服务器能够根据钻进速率及均值加速度计算每个振动周期的抗钻系数；抗钻系数能够用于使服务器评价待验岩体的岩体等级。
抗钻系数能够用于评价岩体等级的基础具体如下。
因为岩体受到冲击荷载时，冲击区域内的岩体发生破裂，形成破碎坑。具体表现是岩体受冲击荷载作用时，凿岩机的钻头接触的冲击区域发生剧烈的压缩，此时冲击力大于岩体抵抗冲击的阻力，并且开始形成锥形微裂纹，凿岩机的钻杆继续挤压岩石，使其形变量增大进而形成更深的裂纹。那么当应力足够大时，岩体会拉伸的断裂形成若干块状破碎，即破碎坑，该过程不断重复，从而不断形成新的破碎坑，使钻孔不断加深；
由上述岩体的破碎过程可知，在冲击过程中消耗的能量主要是用于使岩体发生各种形变破碎、钻杆的钻头与岩体底部的摩擦、钻杆冲击岩体时抵消的回弹做功等，其中有效的破岩消耗能量是造成各种岩石变形的能量。
在同一凿岩机时，该能量消耗只与岩体自身的力学性质有关，是岩体抵抗钻凿破坏能力的重要标志。除了钻头旋转剥落冲击形成的岩渣所消耗的能量外，其余用于阻止钻头运动的摩擦阻力消耗的能量以及抵消钻杆回弹所消耗的能量均为非有效耗能，该耗能与破岩无关。那么对岩体抵抗钻凿的破坏进行研究，因各级别岩体的物理力学性状不同，单位体积破碎功是不同的；那么在相同条件下，某一种岩体单位体积的破碎功是一个定值，它不仅反映了围岩抗破碎的属性，也能反映围岩综合物理力学特征。
基于上述凿岩机钻进破岩的理论基础，通过配置岩体的抗钻系数，能够用于评价不同等级岩体的综合物理特性指标。
具体是令破碎岩体的总体积为V；单次冲击时，冲击功为W，钻进时间为t；凿岩机冲击破岩的次数为t*f，则能量守恒定律公式为Vq＝u1Wft(式 1)，其中q为单位体积岩石破碎功，t为钻进时间为f为冲击频率。
同时，因为单位时间(单次冲击历时)冲击功与振动加速度a的关系为W＝u2FΔs＝u2maΔs(式2)，其中Fz为凿岩机的活塞对钻杆的冲击力，Δs为钻杆单次冲击位移(冲程)，m为凿岩机冲击部分的质量。
将式1及式2组合有Vq＝u1u2maΔsft。同时，考虑到因钻孔过程凿岩机能量传导、钻杆钻头与岩体的非必要摩擦、抵消冲击回弹、钻头剪切破岩等消耗一部分钻机能量，引入效能系数u1、u2均表示钻进破岩能量转化的有效系数。
进一步，因为破岩总体积V取决于钻头底面积A，钻进速率v以及钻进时间t；
因此有V＝Avt，那么Avtq＝u1u2maΔsft，
即
Figure RE-GDA0002736543090000081
令
Figure RE-GDA0002736543090000082
有，
Figure RE-GDA0002736543090000083
令
Figure RE-GDA0002736543090000084
有，
Figure RE-GDA0002736543090000085
那么抗钻系数K为，则根据上式构建有抗钻系数的计算公式，即在相同的凿岩机时，抗钻系数K仅与钻进速率v及均值加速度a关联。
本实施例服务器能够根据凿岩机单次钻孔，即一个振动周期的钻进速率v及振动加速度a抗钻系数获取关联振动周期的抗钻系数K；再通过抗钻系数K评价待验岩体的岩体等级。
本实施例服务器通过抗钻系数K评价岩体等级具体执行的步骤是：
先获取待验岩体在若干次钻孔，即若干振动周期的钻进速率及均值加速度；
再计算每个振动周期的抗钻系数K，
Figure RE-GDA0002736543090000091
其中，C为凿岩机的常量，a为当前振动周期的均值加速度，V为当前振动周期的钻进速率；
计算若干抗钻系数K的均值抗钻系数KA；
判断均值抗钻系数KA是否属于一抗钻系数数据库{Ki}，并且在判断均值抗钻系数KA属于一抗钻系数数据库{Ki}后，获取i的取值；
根据i的取值确定待验岩体的岩体等级。
优选的，本实施例服务器构建抗钻系数数据库{Ki}有多种；本实施例示例性的提供两种服务器构建抗钻系数数据库{Ki}的方式。
方式一：服务器获取一标准的i级岩体的n个振动周期的抗钻系数，即Ki1Ki2Ki3…Kin；再构建标准的i级岩体等级的抗钻系数数据库{Ki}＝ Ki1Ki2Ki3…Kin。
方式二：服务器获取一标准的i级岩体的n个振动周期的抗钻系数，即Ki1Ki2Ki3…Kin；再筛选符合阈值条件的Kij到抗钻系数数据库{Ki}，j取值1到n。
方式二中，服务器筛选符合阈值条件的Kij过程是：
获取一均值系数
Figure RE-GDA0002736543090000092
Figure RE-GDA0002736543090000093
获取一标准误差SE，
Figure RE-GDA0002736543090000094
获取一置信区间为，
Figure RE-GDA0002736543090000101
取置信水平为95％的置信区间值，那么z＝1.96，则
Figure RE-GDA0002736543090000102
将
Figure RE-GDA0002736543090000103
收纳到抗钻系数数据库{Ki}。
那么本实施例服务器获取每次凿岩机在待验岩体钻孔时因钻杆发生振动产生的每个振动周期的振动加速度，以及钻杆沿钻孔方向钻进的位移距离。服务器再通过每个振动周期振动的均值加速度及钻进速率来获取待验岩体的在每个振动周期中表现出的抗钻系数。服务器再比较若干振动周期的抗钻系数与一在先构建的抗钻系数数据库，终能够获取待验岩体的岩体等级。
本实施例对上述评价系统具体阐述的基础上，进一步公开一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价方法。该评价方法的步骤以指令的形式被执行在服务器中。服务器在执行该指令时，实现图2中示出的步骤。
S100获取凿岩机在待验岩体钻孔时若干个振动周期的振动加速度及位移距离。
S200根据振动加速度获取加速度。
S300根据位移距离获取钻进速率。
S400根据钻进速率及均值加速度获取关联振动周期的抗钻系数。
S500获取若干振动周期的抗钻系数。
S600根据若干抗钻系数组合的评价岩体等级。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述评价系统包括至少一加速度敏感元件、至少一位移敏感元件、物联网关及服务器；
所述加速度敏感元件安装在凿岩机的钻孔方向，并且获取所述凿岩机在待验岩体钻孔时至少一个振动周期的振动加速度，所述加速度敏感元件根据所述振动加速度生成加速度信号，并且通过所述物联网关发送所述加速度信号到所述服务器；
所述位移敏感元件安装在凿岩机的钻孔方向，并且获取所述凿岩机在待验岩体钻孔时至少一个振动周期的位移距离，所述加速度敏感元件根据所述位移距离生成位移信号，并且通过所述物联网关发送所述位移信号到所述服务器；
所述服务器接收所述加速度信号及所述位移信号，并且根据所述加速度信号获取均值加速度，以及所述服务器根据所述位移信号获取钻进速率；
所述服务器根据所述钻进速率及所述均值加速度获取关联所述振动周期的抗钻系数；
所述服务器根据至少一个所述振动周期的所述抗钻系数评价待验岩体的岩体等级。
2.如权利要求1所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述服务器获取至少两个所述振动周期的所述抗钻系数，并且根据至少两个所述抗钻系数组合的评价所述岩体等级。
3.如权利要求2所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述服务器根据至少两个连续所述振动周期的所述抗钻系数组合的评价所述岩体等级。
4.如权利要求2所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述服务器获取至少两个所述抗钻系数获取一均值抗钻系数，并且根据所述均值抗钻系数评价所述岩体等级。
5.如权利要求4所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述服务器获取任意所述振动周期的抗钻系数，具体是：
令抗钻系数为K，则
Figure FDA0002533786470000021
其中，C为凿岩机的常量，a为当前所述振动周期的均值加速度，V为当前所述振动周期的钻进速率。
6.如权利要求1所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述服务器根据所述抗钻系数K评价所述岩体等级，具体是：
获取一标准的i级岩体的n个振动周期的所述抗钻系数，即Ki1Ki2Ki3…Kin；
构建标准的i级岩体等级的抗钻系数数据库{Ki}＝Ki1Ki2Ki3…Kin；
判断所述抗钻系数K是否属于i级岩体的抗钻系数数据库{Ki}；
在判断所述抗钻系数K属于一所述抗钻系数数据库{Ki}后，获取所述i的取值；
根据所述i的取值确定待验岩体的所述岩体等级。
7.如权利要求6所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述服务器筛选符合阈值条件的Kij到所述抗钻系数数据库{Ki}，j取值1到n。
8.如权利要求7所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价系统，其特征在于，
所述服务器筛选符合阈值条件的Kij到所述抗钻系数数据库{Ki}，具体是：
获取一均值系数
Figure FDA0002533786470000031
获取一标准误差SE，
Figure FDA0002533786470000032
获取一置信区间为，
Figure FDA0002533786470000033
取置信水平为95％的置信区间值，那么z＝1.96，则
Figure FDA0002533786470000034
将
Figure FDA0002533786470000041
收纳到所述抗钻系数数据库{Ki}。
9.一种基于抗钻系数评价岩体等级的评价方法，其特征在于，
所述评价方法被执行的步骤包括：
获取凿岩机在待验岩体钻孔时至少一个振动周期的振动加速度及位移距离；
根据所述振动加速度获取加速度；
根据所述位移距离获取钻进速率；
根据所述钻进速率及所述均值加速度获取关联所述振动周期的抗钻系数；
根据至少一个所述振动周期的抗钻系数评价待验岩体的岩体等级。
10.如权利要求9所述的基于抗钻系数评价岩体等级的评价方法，其特征在于，
根据至少一个所述振动周期的抗钻系数评价所述岩体等级，被执行时具体是：
获取至少两个所述振动周期的所述抗钻系数；
根据至少两个所述抗钻系数组合的评价所述岩体等级。
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