一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法与装置与流程

本发明属于矿山开采和岩土力学技术领域，具体地涉及一种测试岩体强度参数的方法，以及使用该方法的装置。

背景技术：

岩体的力学性质与岩体的可钻性及可爆性密切相关，其既是进行爆破参数合理设计的依据，也是评价该类岩体后续机械破磨难易程度的主要指标。现有的测试岩体力学性质的方法一般包括钻孔取芯法、应力波法和电磁法等。

钻孔取芯法是通过钻孔获取岩样，再把岩样制作成试件，通过试验设备测试试件的力学性质。由于地层分布的复杂性，通过有限钻孔获取的岩芯，很难确切判断一定区域的岩体性质；此外，钻孔取芯法无法给出破碎带及厘米级软弱结构层的力学性质。更为主要的，此类方法需要经过取样、加工、测试等环节，无法做到测试分析的实时性，因此无法对爆破参数的优化设计提供快速指导。

应力波法是一种无损或微损的岩体力学参数测试方法，该方法主要利用炸药爆炸、高压气体突然释放等产生激振信号。上述振动信号以应力波的形式向岩体内部传播，被岩体内部及表面的振动传感器感知，通过分析各传感器所记录的应力波的到时、幅值、频率等要素，即可获得岩体的力学性质。此类方法虽能直接获得岩体的等效弹性模量等弹性参数，但无法给出岩体的强度参数。

电磁法是根据岩体电磁学性质和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的监测和分析，间接反映岩体的性质。此类方法虽能通过电磁场的差异分辨出不同岩性的地层，但却无法给出不同地层的弹性模量、强度等力学参数。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种测试岩体强度参数的方法，以及使用该方法的装置。

在本发明一个实施方式中，提供一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法，包括如下步骤：

步骤100，在牙轮钻机上安装钻杆进尺实时测量装置，钻杆轴压实时测量装置，钻杆扭矩实时测量装置及钻杆转速实时测量装置；

步骤200，选定钻孔位置，调平牙轮钻机，同时开启无线接收装置记录钻进过程中的各个参量；

步骤300，在实验场开展钻进实验，获得不同岩性下钻杆轴压、钻杆转速与进尺速度及钻杆扭矩的对应关系；

步骤400，对钻孔附近一定范围内不同深度处的岩石进行取样，开展室内岩石力学实验，以获得不同深度处岩体的强度参数；

步骤500，借助理论分析，建立岩体强度参数与钻杆轴压、钻杆转速、进尺速度、钻杆扭矩之间的函数关系，该函数关系中包含钻头形状这一待定系数；

步骤600，根据步骤300获得的对应关系及步骤400获得的强度参数，求解步骤500中所述的待定系数，得到可根据钻机工作参数计算施钻位置岩体强度的计算公式；

步骤700，在测试区开展随钻测试，根据步骤600所获得的计算公式，即可快速获取不同钻进深度下的岩体强度参数。

在本发明的一个实施方式中，所述钻杆进尺实时测量装置包括激光测距仪和数据无线发射装置。

在本发明的一个实施方式中，所述钻杆轴压实时测量装置和所述钻杆扭矩实时测量装置分别包括应变片和网络式同步采集仪；所述钻杆转速实时测量装置为转速测量仪或转速探头。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤200中，钻孔位置通过GPS或卷尺进行定位。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤400中的室内实验为单轴压缩实验及三轴实验。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤400中的岩体强度参数包括粘聚力、内摩擦角。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤500中的理论分析步骤为：

步骤501，牙轮钻头单齿压入岩体中的应力状态采用半无限空间受法向集中力作用问题的布西内斯科解，引入Drucker-Prager塑性准则，建立压力、粘聚力、内摩擦角和单齿破岩体积之间的函数关系；

步骤502，根据钻杆转动一周单齿破岩体积的累积值，和通过进尺计算的破岩总体积相等的原则，先建立单齿破岩体积和牙轮钻宏观工作参数之间的关系，再进一步建立岩体强度和牙轮钻宏观工作参数之间的函数关系。

在本发明的一个实施方式中，在步骤600中，确定待定系数的方法为曲线拟合法和线性回归法。

在本发明的一个实施方式中，在步骤600中，所述的计算公式为将岩体强度表述为牙轮钻工作参数的函数，然后通过牙轮钻当前工作参数计算岩体强度。

在本发明的一个实施方式中，提供一种利用随钻监测技术测试岩体强度的装置，包括提供驱动动力的回转小车，和与所述回转小车连接以在岩土上钻孔的钻杆；在所述回转小车上安装有钻杆进尺实时测量装置，在所述钻杆上安装有钻杆轴压实时测量装置、钻杆扭矩实时测量装置和钻杆转速实时测量装置，以及接收各测量装置监测数据的无线接收装置。

本发明利用不同性质的岩石在确定的钻杆轴压和转速下钻进过程中反馈的进尺速度及扭矩不同的特点，利用随钻监测技术对岩体的强度参数进行测试。通过研究钻杆轴压、钻杆扭矩、转速、钻进速度和岩体强度的定量关系，可以实现在钻进过程中快速准确的获取岩体强度的目的。与传统方法相比，此方法简单易行，且能实时给出当前钻进深度下岩体的粘聚力、内摩擦角等强度参数。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的利用随钻监测技术测试岩体强度的方法的流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的利用随钻监测技术测试岩体强度的装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施方式的利用随钻监测技术测试岩体强度的方法，包括如下步骤：

步骤100，在牙轮钻机100上安装钻杆进尺实时测量装置30，钻杆轴压实时测量装置40，钻杆扭矩实时测量装置50，钻杆转速实时测量装置60；

其中，钻杆进尺实时测量装置30包括激光测距仪31和数据无线发射设备32，该激光测距仪31和数据无线发射设备32，安装在牙轮钻机100的回转小车10上，安装时保证激光测距仪31和地面垂直。

钻杆轴压实时测量装置40包括应变片42和同步采集仪41，该应变片42贴在钻杆20上，并将同步采集仪41固定在钻杆20上，采用全桥接法将应变片42和同步采集仪41相连；具体的同步采集仪41采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪。

钻杆扭矩实时测量装置50包括应变片52和同步采集仪51，该应变片52贴在钻杆20上，并将同步采集仪51固定在钻杆20上，采用全桥接法将应变片52和同步采集仪51相连；具体的同步采集仪51采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪。

钻杆转速实时测量装置60可以是安装在钻杆上的转速测量仪或转速探头，并将其和同步采集仪41、51相连。

步骤200，选定钻孔位置，调平牙轮钻机，同时开启记录仪器记录钻进过程中的各个参量。

钻孔位置的选择可以通过GPS或卷尺进行定位。在牙轮钻机100工作的同时，开启前述各测量装置，以获取牙轮钻机100工作过程中的各工作参数，通过开启无线接收装置70实时显示各工作参数。调平牙轮钻机100可以保证钻孔的垂直度。

步骤300，在实验场开展钻进实验，获得不同岩性下，钻杆轴压、钻杆转速与进尺速度及钻杆扭矩的对应关系；

在本步骤中，首先通过改变钻杆轴压及钻杆转速这两个输入量，获得相同地层中进尺速度及钻杆扭矩的不同响应；而后固定钻杆轴压及钻杆转速，获得不同地层中进尺速度及钻杆扭矩的不同响应。

步骤400，对钻孔附近一定范围内不同深度处的岩石进行取样，开展室内岩石力学实验获得不同深度处岩体的强度参数。

本步骤中的室内实验包括单轴压缩实验及三轴实验，本步骤中的强度参数包括粘聚力及内摩擦角。

步骤500，借助理论分析，建立岩体强度参数与钻杆轴压、钻杆转速、进尺速度、钻杆扭矩之间的函数关系，该函数关系中包含钻头形状这一待定系数。

理论分析包含如下步骤：

步骤501，牙轮钻头单齿压入岩体中的应力状态采用半无限空间受法向集中力作用问题的布西内斯科解，引入Drucker-Prager塑性准则，建立压力、粘聚力、内摩擦角和单齿破岩体积之间的函数关系；

步骤502，根据钻杆转动一周单齿破岩体积的累积值和通过进尺计算的破岩总体积相等的原则，先建立单齿破岩体积和牙轮钻宏观工作参数之间的关系，再进一步建立岩体强度和牙轮钻宏观工作参数之间的函数关系。

步骤600，根据步骤300获得的对应关系及步骤400获得的强度参数，求解步骤500中所述的待定系数，得到可根据钻机工作参数计算施钻位置岩体强度的计算公式。

本步骤中，确定待定系数的方法为曲线拟合法和线性回归法。

步骤700，在测试区开展随钻测试，根据步骤600所获得的计算公式，即可快速获取不同钻进深度下的岩体强度参数。

本步骤中，所述的计算公式为将岩体强度表述为牙轮钻工作参数的函数，然后通过牙轮钻当前工作参数计算岩体强度。

本发明利用不同性质的岩石在确定的钻杆轴压和转速下钻进过程中反馈的进尺速度不同的特点，利用随钻监测技术对岩体的强度参数进行测试。通过研究钻杆轴压、钻杆转速、钻杆扭矩、钻进速度和岩体强度的定量关系，可以实现在钻进过程中快速准确地获取岩体强度的目的。与传统方法相比，此方法简单易行，且能实时给出当前钻进深度下岩体的强度参数。

如图2所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种利用随钻监测技术测试岩体强度的装置，其包括提供驱动动力的回转小车10，和与回转小车10连接以在岩土上钻孔的钻杆20；在回转小车10上安装有钻杆进尺实时测量装置30，在钻杆20上安装有钻杆轴压实时测量装置40、钻杆扭矩实时测量装置50和钻杆转速实时测量装置60，以及接收各测量装置监测数据的无线接收装置70。

其中，钻杆进尺实时测量装置30包括激光测距仪31和数据无线发射设备32，该激光测距仪31和数据无线发射设备32，安装在牙轮钻机100的回转小车10上，安装时保证激光测距仪31和地面垂直。

钻杆轴压实时测量装置40包括应变片42和同步采集仪41，该应变片42贴在钻杆20上，并将同步采集仪41固定在钻杆20上，采用全桥接法将应变片42和同步采集仪41相连；具体的同步采集仪41采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪。

钻杆扭矩实时测量装置50包括应变片52和同步采集仪51，该应变片52贴在钻杆20上，并将同步采集仪51固定在钻杆20上，采用全桥接法将应变片52和同步采集仪51相连；具体的同步采集仪51采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪。

钻杆转速实时测量装置60可以是安装在钻杆上的转速测量仪或转速探头，并将其和同步采集仪41、51相连。

以下给出本发明的两个具体实施例。

实施例1：

利用随钻监测技术测试岩体强度，所选区域为爆破开采临空面后方平台，钻孔到临空面的距离为9m，该区域地层主要为灰岩，利用现场衡阳衡冶重型机械有限公司出产的YZ35D型牙轮钻机进行钻孔，当上一钻孔结束时，回转小车在底部，进行监测设备的安装。

将激光测距仪和无线发射装置安装在回转小车上，安装过程中要保证激光测距仪和地面的垂直度；在钻杆上粘贴测试钻杆轴压和扭矩的应变片，应变片采用全桥连接，并与北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪相连，将采集仪固定在钻杆上，进行离线采样；在钻杆上做标记，采用秒表和人工计圈的方式记录转速。

设定不同的工作液压及工作转速进行钻孔，获得相应的进尺速度及扭矩。在钻孔附近进行取样，通过室内实验获得不同深度处岩体的粘聚力及内摩擦角。借助理论分析，牙轮钻单齿压入岩体中的应力状态可采用半无限空间受法向集中力作用问题的布西内斯科解，引入Drucker-Prager塑性准则，建立压力、粘聚力、内摩擦角和单齿破岩体积之间的函数关系，为V₀＝(F/c)^3/2。其中，V₀为单齿破岩体积，F为压力，c为粘聚力。根据分析，内摩擦角对单齿破岩体积的影响较小，可忽略。

根据钻杆转动一周单齿破岩体积的累积值和通过进尺计算的破岩总体积相等的原则可建立单齿破岩体积和牙轮钻宏观工作参数之间的关系为v＝Kn_TV₀/R²，其中，K为和牙轮钻头形状有关的待定系数，R为钻孔半径，n_T为转速。

进一步，建立岩体强度和牙轮钻钻杆轴压、转速、进尺速度、扭矩等工作参数之间的函数关系，而后通过室内实验获得钻测区域岩体的强度参数，进而计算出待定系数K，可以得到粘聚力的计算公式为c＝N(16.17n_T/v)^2/3。根据随钻监测获得的牙轮钻工作参数实时计算出所钻岩体的强度，钻进灰岩A时轴压为138.9kN，转速为1r/s，进尺速度为0.0042m/s，随钻监测获得的粘聚力为34.13MPa，室内实验测得的粘聚力为34.36MPa，表明测试具有较高的精度。

实施例2：

利用随钻监测技术测试岩体强度，所选区域为爆破开采临空面后方平台，钻孔到临空面的距离为9m，该区域地层主要为铁矿石，利用现场衡阳衡冶重型机械有限公司出产的YZ35D型牙轮钻机进行钻孔，当上一钻孔结束时，回转小车在底部，进行监测设备的安装。

将激光测距仪和无线发射装置安装在回转小车上，安装过程中要保证激光测距仪和地面的垂直度；在钻杆上粘贴测试钻杆轴压和扭矩的应变片，应变片采用全桥连接，并和北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪相连，将采集仪固定在钻杆上，进行离线采样；在钻杆上做标记，采用秒表和人工计圈的方式记录转速。

设定不同的工作液压及工作转速进行钻孔，获得相应的进尺速度及扭矩。在钻孔附近进行取样，通过室内实验获得不同深度处岩体的粘聚力及内摩擦角。借助理论分析，牙轮钻单点压入岩体中的应力状态可采用半无限空间受法向集中力作用问题的布西内斯科解，引入Drucker-Prager塑性准则，建立压力、粘聚力、内摩擦角和单齿破岩体积之间的函数关系，为V₀＝(F/c)^3/2。其中，V₀为单齿破岩体积，F为压力，c为粘聚力。根据分析，内摩擦角对单齿破岩体积的影响较小，可忽略。

根据钻杆转动一周单齿破岩体积的累积值和通过进尺计算的破岩总体积相等的原则可建立单齿破岩体积和牙轮钻宏观工作参数之间的关系为v＝Kn_TV₀/R²，其中，K为和牙轮钻头形状有关的待定系数，R为钻孔半径，n_T为转速。

进一步，建立岩体强度和牙轮钻钻杆轴压、转速、进尺速度、扭矩等工作参数之间的函数关系，而后通过室内实验获得钻测区域岩体的强度参数，进而计算出待定系数K，可以得到粘聚力的计算公式为c＝N(16.17n_T/v)^2/3。根据随钻监测获得的牙轮钻工作参数实时计算出所钻铁矿的强度，钻进铁矿石时所用的轴压为138.9kN，转速为1r/s，进尺速度为0.0025m/s，根据随钻监测获得的粘聚力为48.23MPa，室内实验测得的粘聚力为50.36MPa，表明测试具有较高的精度。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。