巖體力學(xué)參數(shù)旋切鉆進(jìn)測(cè)試方法研究進(jìn)展

作者：王琦, 高紅科, 馮帆

單位：1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 隧道工程災(zāi)變防控與智能建養(yǎng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與土木工程學(xué)院；3. 冀凱河北機(jī)電科技有限公司

引用格式：

王琦，高紅科，馮帆. 巖體力學(xué)參數(shù)旋切鉆進(jìn)測(cè)試方法研究進(jìn)展[J]. 綠色礦山，2024，2(4)：333?343. WANG Qi， GAO Hongke， FENG Fan. Research progress on rotary cutting drilling testing method for rock mechanics parameters[J]. Journal of Green Mine，2024，2(4)：333?343.

摘要

巖體力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取是礦山巷道圍巖穩(wěn)定性分析與支護(hù)設(shè)計(jì)的前提，傳統(tǒng)采用圍巖取心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的方法，難以適應(yīng)煤礦深部開采與智能化發(fā)展對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)獲取的時(shí)效性要求。數(shù)字鉆進(jìn)測(cè)試技術(shù)是一種利用鉆孔過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的鉆速、轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭矩等隨鉆參數(shù)對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反分析的方法，該方法為實(shí)現(xiàn)巷道現(xiàn)場(chǎng)圍巖力學(xué)參數(shù)的原位實(shí)時(shí)獲取提供了新途徑，其關(guān)鍵在于建立隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系，并研發(fā)與隨鉆測(cè)試?yán)碚撓嗥ヅ涞闹悄茔@進(jìn)設(shè)備。設(shè)計(jì)研發(fā)了數(shù)字解析鉆頭，得到了基于旋切鉆進(jìn)參數(shù)的巖體切削強(qiáng)度與切削能量理論解，建立了巖體抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨鉆反演模型。研發(fā)了真三軸巖體數(shù)字鉆進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)(TRD系統(tǒng))和高精度巖體智能旋切試驗(yàn)系統(tǒng)(RCT系統(tǒng))，開展了系列巖體數(shù)字鉆進(jìn)試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了智能地質(zhì)隨鉆探測(cè)系統(tǒng)(IDE系統(tǒng))，建立了巷道圍巖力學(xué)參數(shù)隨鉆原位探測(cè)方法。研究成果為巷道圍巖原位實(shí)時(shí)智能感知提供了理論與技術(shù)支撐。

引言

巖體力學(xué)參數(shù)是礦山巷道圍巖變形破壞機(jī)理研究的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確獲取是圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前提，對(duì)圍巖安全控制至關(guān)重要。目前主要通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖取心運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單軸、三軸壓縮測(cè)試，測(cè)試周期長(zhǎng)，且難以獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境下的巖體力學(xué)參數(shù)。隨著煤礦開采向深部發(fā)展，地質(zhì)條件越趨復(fù)雜，同時(shí)國(guó)家大力推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)，上述傳統(tǒng)采用圍巖取心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的方法，難以適應(yīng)煤礦深部開采與智能化發(fā)展對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)獲取的時(shí)效性要求。

數(shù)字鉆進(jìn)測(cè)試技術(shù)是一種利用鉆孔過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的鉆速、轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭矩等隨鉆參數(shù)對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反分析的方法。該方法為實(shí)現(xiàn)巷道現(xiàn)場(chǎng)圍巖力學(xué)參數(shù)的原位實(shí)時(shí)獲取提供了新途徑，并逐漸成為熱點(diǎn)研究方向。隨鉆測(cè)試技術(shù)于1911年首次在石油勘探和開采行業(yè)應(yīng)用，是石油開發(fā)、地質(zhì)、采礦等領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。部分學(xué)者在隨鉆測(cè)試?yán)碚摲矫骈_展了研究，其中最為典型的是Teale于1964年定義了比能參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)研究了旋切鉆進(jìn)與沖擊鉆進(jìn)過(guò)程中鉆進(jìn)比能與巖體強(qiáng)度的相關(guān)性，為后來(lái)隨鉆測(cè)試?yán)碚摰陌l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨鉆測(cè)試技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于建立隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系，并研發(fā)與隨鉆測(cè)試?yán)碚撓嗥ヅ涞闹悄茔@進(jìn)設(shè)備。

隨著我國(guó)地下工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，部分學(xué)者通過(guò)研發(fā)隨鉆測(cè)試裝備，研究隨鉆測(cè)試?yán)碚摚?shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)試技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用。岳中琦團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種能夠自動(dòng)、連續(xù)記錄和監(jiān)測(cè)鉆機(jī)鉆孔過(guò)程中鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的鉆孔過(guò)程數(shù)字監(jiān)測(cè)儀(DPM)，并將其應(yīng)用到邊坡地質(zhì)勘探等領(lǐng)域；基于DPM開展了巖體可鉆性評(píng)價(jià)、巖性識(shí)別等大量工作，并建立了智能鉆進(jìn)地層實(shí)時(shí)識(shí)別與分級(jí)理論。李寧團(tuán)隊(duì)基于自主研制的WCS?50型微機(jī)控制旋轉(zhuǎn)觸探儀，研究了觸探參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，并研發(fā)了XCY?1型巖體力學(xué)參數(shù)旋切觸探儀，在水利隧洞等工程中對(duì)巖層界面進(jìn)行了有效識(shí)別。岳中文團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的隨鉆測(cè)試系統(tǒng)，開展了巖體室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)，研究了隨鉆參數(shù)對(duì)巖層界面等的響應(yīng)規(guī)律。王玉杰團(tuán)隊(duì)研發(fā)了地質(zhì)鉆機(jī)數(shù)字鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在水庫(kù)壩體等水利工程中進(jìn)行了應(yīng)用。上述研究主要集中于隧道、邊坡工程領(lǐng)域，為巖體力學(xué)參數(shù)的原位隨鉆測(cè)試提供了理論與設(shè)備基礎(chǔ)。巷道圍巖隨鉆測(cè)試?yán)碚撆c裝備的深入研究對(duì)于深部煤礦安全開采與智能化發(fā)展具有重要意義，煤礦巷道圍巖智能隨鉆探測(cè)也是巖體測(cè)試領(lǐng)域的重要研究方向。

筆者團(tuán)隊(duì)基于自主設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)字解析鉆頭，建立巖體解析鉆進(jìn)切削力學(xué)分析模型，基于力法和能量法得到巖體切削強(qiáng)度和切削能量理論解，建立隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系模型。利用研發(fā)的成套室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)，開展系列巖體力學(xué)參數(shù)隨鉆測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證隨鉆測(cè)試?yán)碚摰挠行浴Ｔ诖嘶A(chǔ)上，研發(fā)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試裝備，建立巷道圍巖力學(xué)參數(shù)隨鉆原位探測(cè)方法，為煤礦巷道原位智能隨鉆測(cè)試與實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)提供理論和技術(shù)支撐。

部分圖片

圖 1 數(shù)字解析鉆進(jìn)切削示意

圖 2 解析鉆頭巖體切削力學(xué)模型

圖 3 巖體室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖4 巖體抗壓強(qiáng)度與巖體切削強(qiáng)度關(guān)系

圖 5 _ec的對(duì)比

圖 6 巖體彈性模量與切削能密度散點(diǎn)圖

圖 7 _eq測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖 8 智能地質(zhì)隨鉆探測(cè)系統(tǒng)

圖 9 等效抗壓強(qiáng)度隨鉆深變化曲線

圖 10 _ec結(jié)果對(duì)比

作者簡(jiǎn)介

王琦（1983—），男，山東臨沂人，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)優(yōu)秀青年巖石工程獎(jiǎng)（年度唯一）獲得者，全球前2%頂尖科學(xué)家、愛(ài)思唯爾中國(guó)高被引學(xué)者。兼任國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)指南編寫組專家和總體組專家、國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)軟巖專業(yè)委員會(huì)副主席、中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)、采礦巖石力學(xué)分會(huì)黨組組長(zhǎng)、副理事長(zhǎng)、軟巖工程分會(huì)副理事長(zhǎng)等職務(wù)。

研究方向

復(fù)雜條件地下工程圍巖控制理論與技術(shù)研究

主要成果

主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)基金、山東省杰出青年基金，以及企事業(yè)委托重點(diǎn)項(xiàng)目等36項(xiàng)。第一發(fā)明人授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利103項(xiàng)，第一/通訊作者發(fā)表SCI/EI收錄論文110篇；主編/參編行業(yè)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)3部。獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、中國(guó)專利金獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等國(guó)家與省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)15項(xiàng)。

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