[发明专利]基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法

权利要求书

1.一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：包括以下步骤：

进行室内钻进试验，获取钻头钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速；

利用能量分析法分析钻头切削岩石过程，根据能量守恒原理表达钻进过程的切削破碎能；

根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式：

W_M+W_F＝E_C+E_F，其中，扭矩做功W_M＝2πNMt，式中N为钻进转速，M为钻进扭矩，此式含义为在钻进时间段t内钻进扭矩在钻进段所做功；

钻进压力做功W_F＝FVt，式中F为钻进压力，V为钻进速率，此式含义为在钻进时间段t内钻进压力在钻进段所做功；

切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量式中μ为钻头切削刃与孔底岩石的摩擦系数，取值为0.21，R为钻头半径，L₁、L₂…L_i为第i列切削刃长度，此式含义为在钻进时间段t内切削刃与孔底摩擦所做功；

由上述可知切削刃切削岩石消耗的能量E_C＝W_M+W_F-E_F，即：

钻头切削单位体积岩石所消耗的能量为：

获取岩体随钻参数和单轴抗压强度，通过拟合函数法，将实测单轴抗压强度与岩石切削破碎能量进行拟合分析，建立函数关系，以获得随钻参数与岩体单轴抗压强度之间关系；

进行现场钻进，实时监测并采集钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，根据所建立的随钻参数与岩体单轴抗压强度的函数关系，预测等效岩体强度；

基于预测结果得到单个钻孔内的等效岩体强度，根据其随钻孔深度的变化绘制得到该钻孔内等效岩体强度图表；

在设定区段施打一系列钻孔，将每个钻孔对应的图表按照位置顺序排列，利用平滑的曲线连接相等的等效岩体强度点，得到顶板围岩等效岩体强度分布图；

根据不同位置的等效岩体强度将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的多个区域，实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度，实现分区。

2.如权利要求1所述一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：通过配合钻头以及安装在钻机上的钻压传感器、扭矩传感器、位移传感器和转速传感器测得钻进过程中的钻进压力、钻进扭矩、钻进速率和钻进转速。

3.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：所述岩体单轴抗压强度通过单轴压缩试验或点荷载试验测得。

4.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：根据能量守恒原理建立钻进过程能量表达式，具体为：扭矩做功与钻进压力做功之和等于切削刃与孔底岩石摩擦消耗的能量以及切削刃切削岩石消耗的能量之和。

5.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：开展现场围岩数字钻探试验，针对典型区段进行钻进探测，通过数字钻探测试技术实时监测并采集钻进过程中的钻进扭矩、钻进压力、钻进速率和钻进转速，计算得出岩体的切削破碎能，进而预测得到该位置岩层的等效岩体强度。

6.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：拟合函数法包括但不限于线性拟合、多项式拟合、最小二乘法和支持向量机。

7.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：构建的为单个钻孔内等效岩体强度柱状图。

8.如权利要求1所述的一种基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法，其特征是：根据不同位置的等效岩体强度进行顶板围岩分区，即将顶板围岩划分为具有不同稳定程度的Ⅰ～Ⅳ五个等级区域，等级越高，反映围岩越破碎、强度越低，从而实时定量地反映不同深度岩体的等效岩体强度。