巖體力學(xué)參數旋切鉆進(jìn)測試方法研究進(jìn)展

作者：王琦, 高紅科, 馮帆

單位：1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 隧道工程災變防控與智能建養全國重點(diǎn)實(shí)驗室；2. 中國礦業(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)參數旋切鉆進(jìn)測試方法研究進(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)參數的準確獲取是礦山巷道圍巖穩定性分析與支護設計的前提，傳統采用圍巖取心進(jìn)行實(shí)驗室測試的方法，難以適應煤礦深部開(kāi)采與智能化發(fā)展對巖體力學(xué)參數獲取的時(shí)效性要求。數字鉆進(jìn)測試技術(shù)是一種利用鉆孔過(guò)程中實(shí)時(shí)監測的鉆速、轉速、鉆壓、扭矩等隨鉆參數對巖體力學(xué)參數進(jìn)行反分析的方法，該方法為實(shí)現巷道現場(chǎng)圍巖力學(xué)參數的原位實(shí)時(shí)獲取提供了新途徑，其關(guān)鍵在于建立隨鉆參數與巖體力學(xué)參數的定量關(guān)系，并研發(fā)與隨鉆測試理論相匹配的智能鉆進(jìn)設備。設計研發(fā)了數字解析鉆頭，得到了基于旋切鉆進(jìn)參數的巖體切削強度與切削能量理論解，建立了巖體抗壓強度與彈性模量隨鉆反演模型。研發(fā)了真三軸巖體數字鉆進(jìn)試驗系統(TRD系統)和高精度巖體智能旋切試驗系統(RCT系統)，開(kāi)展了系列巖體數字鉆進(jìn)試驗。在此基礎上，研發(fā)了智能地質(zhì)隨鉆探測系統(IDE系統)，建立了巷道圍巖力學(xué)參數隨鉆原位探測方法。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)參數是礦山巷道圍巖變形破壞機理研究的基礎，其準確獲取是圍巖穩定性分析和支護設計優(yōu)化的前提，對圍巖安全控制至關(guān)重要。目前主要通過(guò)對現場(chǎng)圍巖取心運送到實(shí)驗室進(jìn)行單軸、三軸壓縮測試，測試周期長(cháng)，且難以獲得現場(chǎng)實(shí)際環(huán)境下的巖體力學(xué)參數。隨著(zhù)煤礦開(kāi)采向深部發(fā)展，地質(zhì)條件越趨復雜，同時(shí)國家大力推進(jìn)煤礦智能化建設，上述傳統采用圍巖取心進(jìn)行實(shí)驗室測試的方法，難以適應煤礦深部開(kāi)采與智能化發(fā)展對巖體力學(xué)參數獲取的時(shí)效性要求。

數字鉆進(jìn)測試技術(shù)是一種利用鉆孔過(guò)程中實(shí)時(shí)監測的鉆速、轉速、鉆壓、扭矩等隨鉆參數對巖體力學(xué)參數進(jìn)行反分析的方法。該方法為實(shí)現巷道現場(chǎng)圍巖力學(xué)參數的原位實(shí)時(shí)獲取提供了新途徑，并逐漸成為熱點(diǎn)研究方向。隨鉆測試技術(shù)于1911年首次在石油勘探和開(kāi)采行業(yè)應用，是石油開(kāi)發(fā)、地質(zhì)、采礦等領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。部分學(xué)者在隨鉆測試理論方面開(kāi)展了研究，其中最為典型的是Teale于1964年定義了比能參數，并通過(guò)試驗研究了旋切鉆進(jìn)與沖擊鉆進(jìn)過(guò)程中鉆進(jìn)比能與巖體強度的相關(guān)性，為后來(lái)隨鉆測試理論的發(fā)展奠定了基礎。隨鉆測試技術(shù)應用的關(guān)鍵在于建立隨鉆參數與巖體力學(xué)參數的定量關(guān)系，并研發(fā)與隨鉆測試理論相匹配的智能鉆進(jìn)設備。

隨著(zhù)我國地下工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，部分學(xué)者通過(guò)研發(fā)隨鉆測試裝備，研究隨鉆測試理論，并實(shí)現了隨鉆測試技術(shù)在工程建設中的應用。岳中琦團隊研發(fā)了一種能夠自動(dòng)、連續記錄和監測鉆機鉆孔過(guò)程中鉆進(jìn)數據的鉆孔過(guò)程數字監測儀(DPM)，并將其應用到邊坡地質(zhì)勘探等領(lǐng)域；基于DPM開(kāi)展了巖體可鉆性評價(jià)、巖性識別等大量工作，并建立了智能鉆進(jìn)地層實(shí)時(shí)識別與分級理論。李寧團隊基于自主研制的WCS?50型微機控制旋轉觸探儀，研究了觸探參數與巖體力學(xué)參數的關(guān)系，并研發(fā)了XCY?1型巖體力學(xué)參數旋切觸探儀，在水利隧洞等工程中對巖層界面進(jìn)行了有效識別。岳中文團隊基于自主研發(fā)的隨鉆測試系統，開(kāi)展了巖體室內鉆進(jìn)試驗，研究了隨鉆參數對巖層界面等的響應規律。王玉杰團隊研發(fā)了地質(zhì)鉆機數字鉆進(jìn)監測系統，在水庫壩體等水利工程中進(jìn)行了應用。上述研究主要集中于隧道、邊坡工程領(lǐng)域，為巖體力學(xué)參數的原位隨鉆測試提供了理論與設備基礎。巷道圍巖隨鉆測試理論與裝備的深入研究對于深部煤礦安全開(kāi)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也是巖體測試領(lǐng)域的重要研究方向。

筆者團隊基于自主設計研發(fā)的數字解析鉆頭，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度和切削能量理論解，建立隨鉆參數與巖體力學(xué)參數之間的定量關(guān)系模型。利用研發(fā)的成套室內鉆進(jìn)試驗系統，開(kāi)展系列巖體力學(xué)參數隨鉆測試試驗，驗證隨鉆測試理論的有效性。在此基礎上，研發(fā)現場(chǎng)原位測試裝備，建立巷道圍巖力學(xué)參數隨鉆原位探測方法，為煤礦巷道原位智能隨鉆測試與實(shí)時(shí)評價(jià)提供理論和技術(shù)支撐。

部分圖片

圖 1 數字解析鉆進(jìn)切削示意

圖 2 解析鉆頭巖體切削力學(xué)模型

圖 3 巖體室內鉆進(jìn)試驗系統

圖4 巖體抗壓強度與巖體切削強度關(guān)系

圖 5 _ec的對比

圖 6 巖體彈性模量與切削能密度散點(diǎn)圖

圖 7 _eq測試結果對比

圖 8 智能地質(zhì)隨鉆探測系統

圖 9 等效抗壓強度隨鉆深變化曲線(xiàn)

圖 10 _ec結果對比

作者簡(jiǎn)介

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

研究方向

復雜條件地下工程圍巖控制理論與技術(shù)研究

主要成果

主持國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金區域聯(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)項目等36項。第一發(fā)明人授權國家發(fā)明專(zhuān)利103項，第一/通訊作者發(fā)表SCI/EI收錄論文110篇；主編/參編行業(yè)、團體標準3部。獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎、中國專(zhuān)利金獎、教育部科技進(jìn)步一等獎、山東省科技進(jìn)步一等獎、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì )科技進(jìn)步一等獎等國家與省部級獎勵15項。

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