[发明专利]一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统及方法

权利要求书

1.一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统的使用方法，其特征在于，采用的钻测试验系统包括钻进装置、数据采集装置、围压模拟装置、平移滑台和底座，

所述钻进装置包括数控钻床、变径套、钻杆和PDC钻头，变径套一端与数控钻床的主轴同轴连接，变径套另一端与钻杆一端同轴连接，钻杆另一端与PDC钻头同轴连接；所述数控钻床通过主轴、变径套和钻杆对PDC钻头提供钻进动力；

所述数据采集装置包括压扭传感器、信号变送器和计算机，压扭传感器固定在平移滑台上部，压扭传感器通过信号变送器与计算机连接；信号变送器用于将压扭传感器监测到的给进力及扭矩信号反馈给计算机；

所述围压模拟装置固定在压扭传感器上部并处于PDC钻头下方，其包括压力腔体，压力腔体内设有三个两两垂直的施压板；所述压力腔体顶部腔体壁设有通孔，所述的三个施压板在施压时能和压力腔体壁共同将煤岩试样覆盖并形成六面体，每个施压板分别与一个液压推杆连接，每个液压推杆分别与一个油泵连接；围压模拟装置用于模拟井下实际围压环境；

所述底座上设有滑轨，平移滑台装在滑轨上，并能沿着滑轨移动；平移滑台用于调整数据采集装置的位置，确保压扭传感器中心与钻杆轴线对齐，具体步骤为：

A、从某矿井中采集一块煤岩体，并将其加工成多个煤岩试样；

B、将其中一个煤岩试样放入压力腔体内，接着通过平移滑台调整压力腔体的位置，使其通孔处于PDC钻头正下方；

C、控制三个油泵来设定施加压力值，通过三个施压板对煤岩试样施加三轴围压，并保持该状态；

D、启动数控钻床，数控钻床通过主轴、变径套和钻杆对PDC钻头提供钻进动力，驱动PDC钻头穿过通孔进入压力腔体内，此时PDC钻头对煤岩试样进行钻孔，压扭传感器实时监测钻进过程中PDC钻头对煤岩试样施加的扭矩和给进力，并通过信号变送器反馈给计算机进行记录；

E、计算机根据接收到实时扭矩和给进力的数据，结合单轴抗压强度与扭矩、给进力的力学关系式进行计算，具体为：

式中，M_b为PDC钻头所受扭矩，Nm；F_b为PDC钻头所受给进力，N；D′为PDC钻头两个金刚石复合片之间的距离，mm；σ_c为单轴抗压强度，MPa；S_a为切削刀具底部与岩石接触面积，与PDC钻头磨损程度有关，视为定值；γ为PDC钻头的金刚石复合片倾角，°；α为岩石斜面对金刚石复合片作用力与斜面法线的夹角，°；

由式(1)得出，扭矩与给进力呈线性关系，满足下式：

式中，A为线性拟合的斜率，B为线性拟合的截距，B值是与单轴抗压强度相关的量，为消除参数α与γ对公式的影响，将B与A作除法处理，得到式(3)：

整理后，得：

对钻进过程中数据采集系统得到的扭矩和给进力数据进行线性拟合，得到拟合方程的斜率A和截距B数值，代入式(4)，即能预测得出在当前设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；

F、将测试完成后的煤岩试样取出，再从步骤A的多个煤岩试样中选择一个，并再设定一个围压值，然后重复步骤B至E，从而得出在本次设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；如此重复多次，能预测得出不同围压条件下该矿井煤岩体的单轴抗压强度σ_c值。

2.根据权利要求1所述的一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统的使用方法，其特征在于，所述通孔为圆形，其直径比PDC钻头直径大2-4mm。