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

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

Zoning method of digital drilling for surrounding rock of underground engineering based on equivalent rock strength

The invention discloses a digital drilling zoning method for surrounding rock of underground engineering based on equivalent rock mass strength. Through indoor test and field test, combined with energy analysis method, fitting function method and weight analysis method, the relationship between parameters while drilling and uniaxial compressive strength of rock mass is established, and a digital drilling testing technique is proposed. It is convenient and flexible to divide the surrounding rock of roadway roof by using the method of predicting equivalent rock mass strength, and has the advantages of low drilling cost and high supporting efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法
本专利技术属于地下工程中安全
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，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，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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、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，构建的为等效岩体强度柱状图。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，运行于处理器上，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；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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术方便灵活，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专利技术作进一步说明。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
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。在本专利技术中，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专利技术各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本专利技术中任一部件或元件，不能理解为对本专利技术的限制。本专利技术中，术语如“固接”、“相连”、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。

【技术特征摘要】
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；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、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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，张超，江贝，杨军，张皓杰，曾昭楠，
申请(专利权)人：山东大学，中国矿业大学北京，山东天勤工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37