王琦;秦乾;高松;李术才;高红科;何满潮;江贝;章冲
【摘 要】In order to overcome the problem of long period and high cost for testing the uniaxial compressive strength of rock,a method for testing the uniaxial compressive strength of rock based on digital drilling is proposed.According to the characteristics of the rock drilling process,this paper deduces the relationship between rock unit cutting energy and the drilling parameters based on the energy analysis method.At the same time,based on the self-developed multi-function rock drilling test system,the authors carried out the digital drilling test of intact rock,such as sandstone and different strength mortar specimen.Based on the analysis of the test results,a quantitative relationship model (DP-UCS model) between the drilling parameters and the uniaxial compressive strength of the rock was established and verified.The results show that the deviation rate between the uniaxial compressive strength predicted by the DP-UCS model and the uniaxial compressive strength measured by the uniaxial compression test is less than 10％,the valid
ity of the model is proved.%针对常规的现场岩石单轴抗压强度测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试岩石单轴抗压强度的方法.根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析法,推导了岩石单位切削能与随钻参数的关系式.同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了砂岩及不同强度砂浆试件等完整岩石的数字钻探试验,通过试验结果分析,建立了随钻参数与岩石单轴抗压强度的定量关系模型(DP-UCS模型),并对其进行了验证,结果表明:DP-UCS模型预测的单轴抗压强度与单轴压缩试验测定的单轴抗压强度的差异率平均值小于10％,证明了该模型的有效性. 【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2018(043)005
【总页数】7页(P1289-1295)
【关键词】数字钻探;岩石单位切削能;单轴抗压强度;随钻参数;关系模型
【作 者】王琦;秦乾;高松;李术才;高红科;何满潮;江贝;章冲
【作者单位】山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061;山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;济南大学土木建筑学院,山东济南250022;山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061
【正文语种】中 文
【中图分类】TD313
岩石单轴抗压强度的准确测试是进行支护参数设计优化、施工工法选取和信息化施工的前提。目前,单轴抗压强度的获取常采用岩石单轴压缩试验及点荷载试验。单轴压缩试验需进
行现场取芯并运送到实验室内进行测试分析,周期长,成本高,无法实时对开挖后扰动的围岩进行测试;点荷载试验是目前测试工程现场岩石强度的主要方法[1-4],可对围岩表面取下的岩石进行强度测试,但对于深部围岩体,需取芯后进行强度测试。同时,上述两种测试方法都需要将测试岩块从岩体中分离,破坏了岩块所处的真实应力状态,无法实现岩石单轴抗压强度的原位测试。因此,寻求一种岩石单轴抗压强度实时获取的原位测试方法,具有重要的工程意义。
数字钻探测试技术[5-9]是一种对钻进过程中的钻进速率、转速、扭矩、推进力等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测试研究,已证明数字钻探过程中随钻参数与岩石力学参数具有密切的相关性[10-13]。数字钻探测试技术为现场围岩体力学参数的实时获取提供了新的思路,其关键在于建立随钻参数与岩石力学参数的定量关系。钻进过程中的统计分析[14-17]或能量分析是建立岩石力学强度参数和随钻参数定量关系的常用方法。钻进过程能量分析法是利用能量守恒原理,研究动能、轴力功、钻进比功等能量参数的变化规律,是评价岩石力学性质的有效方法。TEALE[18]通过随钻参数推导了钻进比功参数的表达式;谭卓英[19-20]等研究了钻进能量、钻进比功用作风化花岗岩地层实时分级的可行性;KARASAWA[21]定义每转有效轴力能和每转有效旋转能参数,并研究其与
岩石强度的关系,在此基础上,定义岩石可钻强度指标,反映岩石的强度性质。综上可知,利用能量分析方法建立随钻参数与单轴抗压强度参数关系的研究较少。其根本原因在于,已提出的能量参数多与钻机形式和随钻参数控制量紧密相关,在建立随钻参数与单轴抗压强度参数关系模型时,无法排除这些因素的影响,使关系模型不具备普遍适用性。
为建立具有普适性的随钻参数与岩石单轴抗压强度参数定量关系,本文根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析,推导了岩石单位切削能ηc与随钻参数的关系式。同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了不同强度完整岩石试件的数字钻探试验。基于试验结果,建立了岩石单轴抗压强度与ηc关系方程,进而得到了DP-UCS模型,并对DP-UCS模型进行了评价。研究成果可为地下工程岩石单轴抗压强度实时原位测试方法的提出提供理论依据。
1 岩石切削能量分析
岩石钻探测试常采用金刚石复合片钻头(PDC钻头),本文采用笔者设计的新型PDC钻头,由长方形金刚石复合片和胎体组成,金刚石复合片镶嵌于胎体中,形成钻齿切削刃,在旋转钻进过程中,起到破碎岩石的作用,如图1所示。
图1 金刚石复合片钻头(PDC钻头)Fig.1 Diamond compact bit(PDC Bit)
钻进过程中切削单位体积岩石所需的能量反映了钻头切削岩石的难易程度。由图2分析可知,复合片受力如下:① 钻机施加的对前方岩石的切削力Fc;② 钻机施加的钻进压力F;③ 复合片与孔底岩石相互作用的摩擦力f。
图2 岩石钻进过程中钻头复合片受力示意Fig.2 Force diagram of drill bit composite in rock drilling process
基于上述钻头复合片受力分析可知,单位时间钻机钻进岩石所做的功包括扭矩做功WM及钻进压力做功WF,切削破碎岩石的能量EC和钻头与孔底摩擦消耗的能量EF之和为钻进过程中消耗的总能量,本文根据能量守恒原理,建立能量分析模型即
WM+WF=EC+EF
(1)
钻进扭矩产生的能量WM为
WM=2πNMt
(2)
式中,M为钻头所受扭矩;N为钻头转速;t为钻进时间。
钻进压力产生的能量WF为
WF=Fvt
(3)
式中,v为钻进速度。
图3 钻头切削刃示意Fig.3 Diagram of drill bit cutting edge
如图3所示,钻头半径为R,具有3列切削刃,第i列切削刃的长度为Li(i=1,2,3)。则每列切齿所受的正压力Ki为
(4)
每列切齿所受摩擦力f对钻头中心O的力矩mi为
(5)
则摩擦力f与孔底作用的能量EF为
(6)
式中,μ为钻头金刚石复合片与孔底的摩擦因数,根据YAHIAOUI[22]的研究成果取值为0.21。
将式(2),(3)和(6)代入式(1)中,解得EC为
(7)
定义岩石单位切削能ηc,其含义为钻头切削单位体积岩石所需的能量,则ηc为
(8)
2 数字钻探试验
为系统研究岩石单轴抗压强度与岩石单位切削能ηc的关系,进而建立DP-UCS模型,推动数字钻探测试技术的发展,本文基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了不同强度完整岩石试件的数字钻探试验。
2.1 试验设备
试验所用设备为笔者研发的多功能岩石钻探测试系统,如图4所示。该系统包括钻进系统、加载系统、压力室装置及监测控制系统,可对钻进速度、钻进压力、转速和扭矩4个随钻参数中的任一值进行监测与控制,实现多种控制模式下的数字钻探试验。该设备可提供最大钻进推力50 kN,最大转速400 r/min,最大扭矩400 N·m;可对长×宽×高=300 mm×300 mm×600 mm以下的任意尺寸试件进行试验;试验参数由高精传感器监控量测,记录各类试件随钻参数随时间变化的曲线。
试验所用钻头为笔者设计的新型PDC钻头,如图1所示,钻头各项参数见表1。
表1 新型PDC钻头参数Table 1 New PDC bit parameters
钻头参数RL1L2L3尺寸/mm30 18 18 27
图4 多功能岩石钻探测试系统Fig.4 Multi-functional rock drilling system
2.2 方案设计
试验所用试件为砂岩及砂浆试件,共36组。其中砂岩试件8组,编号S1～S8,砂浆试件按7种不同强度等级进行配比,见表2,每种各4组,共28组,编号J1～J28,尺寸均为长×宽×高=150 mm×150 mm×230 mm。
复合片钻头
表2 不同砂浆强度配比Table 2 Different mortar strength ratio
kg/m3砂浆强度等级水泥河砂水M5215M7.5245M10275M153101 450300M20370M25385M30455
注:M15及M15以下强度等级水泥砂浆,水泥强度等级为32.5;M15以上强度等级水泥砂浆,水泥强度等级为42.5。
对于每个试件,先利用多功能岩石钻探测试系统对其进行数字钻探试验,钻进深度为110 mm,然后再利用取芯钻头对该试件剩余部分进行取芯,制作标准岩芯试件,并经过单轴压缩试验得到该试件的单轴抗压强度Rc。部分钻进后的试验试件如图5所示。
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