地下工程围岩旋切钻进原位探测方法

本发明涉及岩土工程勘察，特别涉及一种地下工程围岩旋切钻进原位探测方法。

背景技术：

1、随着经济的高速发展，矿山巷道、隧道、引水隧洞等深部地下工程正以前所未有的速度向深部发展。随着埋深的不断增加，围岩地应力不断增大。研究表明，岩石的强度随围压的增加而有所提高。同时岩石在不同的围压下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现出脆性的岩石可以在高围压下转化为延性，且深部地下工程发生的以岩爆为代表的动力灾害事故相比浅部在程度上加剧、频度上提高。

2、深部岩体强度的定量测试是围岩支护设计和围岩动力灾害防治的基础。目前岩石强度测试方法以室内压缩试验为主，需要现场取芯、编录、运输、室内试验等流程，测试效率较低，无法满足现场施工进度。同时，作为支护的主要对象，破碎岩体的取芯较为困难，无法精确测量其力学参数。数字钻探测试技术利用钻进速度、钻头转速、钻进压力和钻进扭矩等随钻参数与岩体强度参数的相关性，能够实现岩体等效抗压强度参数的快速获取，为现场围岩力学参数的实时获取提供了新的途径。

3、数字钻探测试技术的关键在于随钻参数-岩体强度参数关系的建立，在原岩应力条件下，围岩应力对钻头与岩石之间的摩擦作用具有重要影响，因此，亟需建立一种考虑原岩应力的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，实现深部岩体强度参数的准确、实时获取。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，该方法通过开展围压作用下岩石数字钻进试验，分析数字钻头在围压作用下产生的钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz，得到了三向围压作用下岩石试件的切削能量密度理论解 ξc，并结合岩石试件的抗压强度 σc，建立了考虑三向围压作用的岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，能够实现地下工程的围岩抗压强度的原位定量测试。

2、为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种新的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法。所述地下工程围岩旋切钻进原位探测方法包括：获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz；建立钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz分别与钻进深度 h的拟合关系式；建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解 ξc；获取岩石试件的抗压强度 σc；根据获取的岩石试件的抗压强度 σc和切削能量密度解 ξc，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度。

4、根据本发明的一实施方式，其中，所述获取三向围压作用下的岩石试件的钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz包括：通过岩石钻进系统对三向围压作用下岩石试件开展数字钻进试验，监测随钻参数随钻进深度的变化情况；根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进系统的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz。

5、根据本发明的一实施方式，其中，所述随钻参数包括初始钻进扭矩 mc、初始钻进压力 fc、实时钻进扭矩 mh和实时钻进压力 fh，所述根据随钻参数计算得到不同钻进深度下岩石钻进系统的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz包括：开展岩石数字钻进试验，保持钻头处于无切削旋转的状态；监测岩石钻进系统的钻头无钻进深度时的初始钻进扭矩 mc和初始钻进压力 fc；监测不同钻进深度下钻头无切削旋转的实时钻进扭矩 mh和实时钻进压力 fh；根据公式 mz= mh- mc、 fz= fh- fc计算不同钻进深度下的钻头无切削旋转时的钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz。

6、根据本发明的一实施方式，其中，所述岩石钻进系统包括导向钻进单元和监测控制单元，所述导向钻进单元用于对所述岩石试件进行钻进，所述监测控制单元用于实时控制和监测随钻参数，所述随钻参数还包括钻进速度 v、钻头转速 n、钻进扭矩 m和钻进压力 f，建立三向围压作用下岩石试件的切削能量密度解。

7、根据本发明的一实施方式，其中，所述根据获取的岩石试件的抗压强度 σc和切削能量密度解 ξc，建立岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，以获取围岩等效抗压强度包括：将室内压缩试验获得的岩石试件的抗压强度和数字钻进试验获得的岩石试件的切削能量密度进行线性回归分析，以确定线性回归系数 α和常数 β；将 α和 β的值代入，计算得到。

8、根据本发明的一实施方式，其中，所述地下工程围岩旋切钻进原位探测方法还包括：对围岩强度进行区域划分，设定第一阈值 a1、第二阈值 a2，且 a1＜ a2；当时，围岩强度对应的深度范围为强度劣化区；当时，围岩强度对应的深度范围为强度恢复区；当时，围岩强度对应的深度范围为原岩强度区；根据围岩分区特征采取相应的支护措施。

9、本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：

10、本发明的地下工程围岩旋切钻进原位探测方法，该方法通过开展围压作用下岩石数字钻进试验，考虑数字钻头受到的切削力和摩擦力，分析数字钻头在围压作用下产生的钻进扭矩增量 mz和钻进压力增量 fz，利用监测到的钻进速度、钻头转速、钻进扭矩、钻进压力等随钻参数，得到了三向围压作用下岩石试件的切削能量密度理论解 ξc，并结合岩石试件的抗压强度 σc，建立了考虑三向围压作用的岩体等效抗压强度旋切钻进评价模型，实现地下工程的围岩抗压强度的原位定量测试；通过直接钻进原位获取深部高应力条件下的岩体等效抗压强度，克服了常规试验方法无法测试原岩应力条件下岩体强度并进行围岩强度分区的问题。