[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

说明书

本发明公开了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，本发明通过开展室内试验和现场试验，结合能量分析法、拟合函数法、权重分析法，建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，提出基于数字钻探测试技术预测等效岩体强度的方法，对巷道顶板围岩进行分区，具有方便灵活，钻孔预测成本低，提高支护工作效率的优点。

技术领域

本发明属于地下工程中安全技术领域，具体涉及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。

背景技术

岩石的单轴抗压强度是表征岩体性质的最重要参数，其准确测试是进行支护参数设计优化和地下工程围岩分区的前提，对研究地下工程的稳定性具有重要价值。常规测试岩体单轴抗压强度的方法主要有单轴压缩实验法和点荷载试验，但这些方法存在以下诸多问题：

1.单轴压缩试验测试方法需从工程现场提取高质量的岩芯，并运送至实验室进行测定，周期时间长，不能及时反映岩体单轴抗压强度。

2.常规测试单轴压缩试验花费较大，成本较高，不便于进行大量样本试验。

3.常规测试单轴压缩试验在运输过程中，难以避免对岩样造成扰动，导致试验结果不准确，同时对裂隙、破碎、软弱、节理围岩的单轴抗压强度和弹性模量难以进行有效测试。

4.点荷载试验虽然可以进行现场测试，但需要测量压头接触点平面的最小横截面积，既困难又不准确。

5.点荷载试验的修正方法很难消除现场试件厚度对试验结果的影响。

数字钻探测试技术是一种对钻进过程中的钻进速率、钻进转速、钻进扭矩、钻进压力四种随钻参数进行监测和部分参数定量控制的技术。大量的现场和室内数字钻探研究表明，随钻参数与岩体单轴抗压强度具有密切的相关性，且数字钻探测试技术为现场围岩单轴抗压强度的实时获取提供了新的思路，但目前尚未建立可靠的随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，无法运用数字钻探测试技术准确预测等效岩体强度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了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，本发明通过开展室内试验和现场试验，结合能量分析法、拟合函数法、权重分析法，建立随钻参数与岩体单轴抗压强度关系式，提出基于数字钻探测试技术预测等效岩体强度的方法，进而能够对巷道顶板围岩进行分区。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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，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；

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。

进一步的，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。