数字钻探随钻参数与岩石单轴抗压强度关系

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。

基于数字钻探和支持向量机预测岩体单轴抗压强度的方法

针对常规的现场岩体单轴抗压强度(UCS)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技术预测岩体UCS的方法。利用自主研发的岩体数字钻探测试系统,开展了不同强度岩石试件的数字钻探试验和单轴压缩试验,基于支持向量机(SVM)建立了随钻参数与UCS的关系模型。作为模型输入参量的随钻参数,包括由传感器测定的钻进速率、转速、扭矩、推进力,也包括通过能量分析推导的岩石单位切削能ηc。结果显示,验证集中关系模型预测的UCS和单轴压缩试验测得的UCS相近,拟合优度R2为0.977,平均绝对误差MAE为3.037 MPa,表明基于SVM方法建立的随钻参数与UCS关系模型,在岩体UCS预测方面取得了较好的效果;同时表明数字钻探测试技术可实现对岩体UCS的有效预测。

基于数字钻探的岩石c-φ参数测试方法

岩石黏聚力c和内摩擦角φ(以下简称c-φ参数)的准确测试是进行地下工程支护设计优化及信息化施工的基础。传统的岩石室内试验方法测试步骤繁琐,周期长、成本高,无法进行原位测定。数字钻探技术为现场准确测定岩石力学参数提供了新的途径,实现该技术的关键在于建立随钻参数与岩石c-φ参数间的定量关系。基于此,本文根据岩石切削破碎特征,建立了一种不预设破坏面的岩石切削力学模型,弥补了现有岩石切削力学模型将破坏面假设为平面,从而与岩石受切削时实际的破坏面特征存在差异的不足。基于滑移线理论推导了岩石极限切削力,得到了随钻参数DP(Drilling Parameters)与岩石c-φ参数关系式(DP-cφ关系式)。将利用自主研发的岩体数字钻探测试系统开展室内试验所得到的随钻参数与理论计算得到的结果进行对比分析,两者平均差异率为8.44%,验证了所建立的岩石切削力学模型和DP-cφ关系式的合理性和正确性。在此基础上,提出了岩石c-φ参数数字钻探测定方法,并通过室内试验进行了该方法与传统三轴试验方法测定结果的对比分析,结果表明:两种方法得到的岩石黏聚力和内摩擦角平均差异率均小于10%,证明了本文所提出的数字钻探测定方法的有效性和可行性。该方法实施方便、快捷,可实现现场工程岩体c-φ参数的原位测定。

未来的数字钻探技术

从数字技术的角度描述了未来的钻探前景 ,它是基于自动检测系统、智能专家系统和自动控制系统基础之上的数字控制体系。

基于数字钻探和机器学习预测岩体单轴抗压强度的方法

以岩体的单轴抗压强度为研究对象,采用传统数字钻探技术所建立的模型在低抗压强度阶段拟合优度不高。在传统模型的基础上引入钻压指数α、疲劳破碎阶段和表面破碎阶段总时间tp以及钻进系统旋转破碎单位体积能耗μp构建新模型,对岩体单轴抗压强度进行拟合。研究表明,在岩体质量较差的情况下,实际岩体单轴抗压强度与预测的岩体单轴抗压强度的拟合优度R2为0.7034,新模型的拟合优度R2为0.8807,对比表明在岩体单轴抗压强度低的情况下,新条件下的关系模型优于原关系模型。

地下工程围岩数字钻探测试系统研发与应用

岩体力学参数与结构特征是地下工程稳定性分析的基础,围岩参数的实时获取对支护设计至关重要。地下工程建设常面临高应力、极软岩等复杂地质条件,导致围岩松散破碎,锚注支护是破碎围岩控制的有效方法,注浆前后破碎围岩体的力学性能是锚注参数设计的基本依据。数字钻探测试技术为实现围岩参数实时获取与锚注效果定量评价提供了新的手段。在前期岩体力学随钻理论研究、多功能真三轴岩体钻探测试系统(室内TRD系统)自主研制与大量室内试验的基础上,研发了本安型地下工程围岩数字钻探测试系统(现场SDT系统),基于该系统开展了完整岩石层、破碎岩体层和注浆岩体层等不同组合条件下分层岩体的数字钻探试验,结果显示:(1)现场SDT系统控制和监测性能良好,与室内TRD系统匹配程度高;(2)随钻参数在岩层界面处响应明显,基于现场SDT系统测试的岩体等效单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角与室内岩石力学测试结果的平均差值率均小于15%;(3)基于现场SDT系统测试的注浆后破碎岩层等效单轴抗压强度为注浆前的3.5倍。现场SDT系统可有效实现岩层界面准确识别、岩体等效力学参数实时测试和破碎岩体注浆效果定量评价。