基于钻进能量理论的隧道凝灰岩地层界面识别及围岩分级方法

钻机钻进过程中钻头旋转产生的扭矩以及作用于钻头的轴推进力是破碎岩石的能量来源,当钻进条件确定时,可用破碎单位体积岩石的实际能耗来反映岩石的物理力学性质。基于此原理在青岛胶州湾海底隧道FK4+375.5的上断面进行了超前地质探孔作业,得到凝灰岩地层中的钻进参数及钻进能量随钻头位移的变化曲线,并利用能量理论对钻进过程中监测的钻机参数进行分析,研究发现:在凝灰岩中,数字钻机参数与围岩岩性响应程度较高,围岩完整、坚硬、无裂隙水时,整体钻进参数值较高;围岩裂隙发育、含水或有断层、夹泥层时,钻进速度、推进力、转速、扭矩、打击能等数据会突变,其值变小。分析所得结果与钻孔取芯、TSP超前预报等物探手段得到的结果基本一致。并采用能量法对围岩进行分析,利用钻进比能划分相应的岩体区段,判断出围岩等级。通过对能量曲线的分析发现,在凝灰岩地层中,当钻进能量小于0.95 kJ时会出现断层或较大的节理裂隙区。

不同应力下煤体钻孔试验及钻进能量响应研究

针对钻孔过程中煤体应力对钻进能量的影响问题,利用自制的恒钻压钻进试验装置开展煤岩钻孔试验,测定了钻进参数,研究了钻进能量与煤体应力的关系;利用钻屑参数计算了钻屑表面能,研究了煤体应力与表面能的关系,通过对比钻进能量和钻屑表面能,对钻孔过程中能量的转化进行了分析。研究结果表明:扭矩功在钻进能量中占比95%以上,钻进能量随煤体应力增加而增加,近似呈线性关系;钻屑量和钻屑表面能均随煤体应力增加而增加,钻进能量向钻屑表面能转化过程中存在8%~33%的能量损耗,损耗能量的形式主要是声能和钻头摩擦生热。

金刚石钻进能量在风化花岗岩地层中的变化特征

利用钻进过程监测系统在风化花岗岩地层中的试验数据对钻进系统的动能、轴力功、黏滞能耗及钻进总能量进行了分析。研究表明,钻具系统的动能在钻进能量中占主导地位,轴力功与黏滞能耗所占的比重很低,钻具系统的动能以及钻进总能量与岩石的风化程度呈负相关,轴力功与岩石的风化程度呈正相关,说明钻进能量与岩石风化程度具有很好的响应关系。最后,从破碎单位体积能耗的观点出发,分析了钻进比功与岩石风化程度之间的关系。研究表明,在全风化及强风化花岗岩地层中,金刚石旋转钻进比功值明显低于冲击凿碎比功;在微风化的坚硬与极坚硬岩石中,金刚石旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎比功。这为金刚石旋转钻进中岩石的实时分级与实时判层提供了新的方法。

风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析

旋转钻进是岩土工程钻探的主要钻进方式,从能量守恒原理出发,对旋转钻进的能量进行分析。同时,在R-20液压式回转钻机上安装数字式钻孔过程监测(DPM)系统,在风化花岗岩地基工程中进行试验,并在监测数据的基础上对钻进能量进行分析计算。研究结果表明,钻进过程中用于破碎岩石的能量主要来自钻进系统的动能,钻进系统用于破碎岩石的能量分配与地层强度特性有关。在风化程度较低或新鲜岩层中钻进时,破碎岩石98%以上的能量来自系统的动能,而轴压力推动钻头位移所给出的能量不到2%;在土层或全风化岩层中,轴压力所做的功达到22%以上,且明显随风化程度的增高而增大,说明钻进系统动能与轴力功可用以表征地层的可钻性,这为实时钻进能量用于地层的识别提供理论依据。