基于随钻参数的岩石单轴抗压强度表征模型研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金联合基金资助项目()国家自然科学基金资助项目()中央高校基本科研业务费专项资金资助项目().作者简介:王宇恒()男河北邯郸人东北大学硕士研究生 于庆磊()男山东泰安人东北大学教授博士生导师.第卷第期 年 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.基于随钻参数的岩石单轴抗压强度表征模型研究王宇恒 于庆磊 牛 鹏 李 友(东北大学 资源与土木工程学院 辽宁 沈阳)摘 要:凿岩过程中钻机工作参数的变化响应与岩石单轴抗压强度密切相关为利用随钻响应快速表征岩石力学性质使用自主搭建的随钻获取试验平台选取了 种岩石开展了一系列不同推力条件下的钻进试验研究岩石单轴抗压强度与钻机工作参数之间的相关性.研究结果发现推力随切削深度的变化率、扭矩随切削深度的变化率、钻头单位尺寸上法向力与切向力之比 与岩石单轴抗压强度正相关且不受试验条件影响.在此基础上基于随钻参数 和 是可以表征可钻性和机械比能的物理量结合量纲分析建立了以 和 为参数的岩石单轴抗压强度表征模型并通过其他种类岩石的钻进数据初步验证了该模型的可靠性.为利用凿岩过程快速表征岩石单轴抗压强度提供了一种新方法.关 键 词:随钻获取岩石可钻性机械比能岩石强度钻进参数中图分类号:文献标志码:文章编号:()()(.:.):()().()()().:()岩体作为一种天然地质体结构复杂空间多变及时掌握围岩结构特征与力学性质变化对优化工程设计、提高施工效率和安全性具有重要意义.传统的岩石力学参数一般通过现场取芯和室内试验获取其测试过程周期长且不连续难以及时对工程施工形成指导.金属矿山的开采活动依赖于大量钻孔作业大量工程实践表明钻头在遇到不同岩层或岩体结构面时钻机工作参数会发生相应的响应特征 钻头动力学响应特征与岩石的力学性质存在内在联系.通过随钻获取()技术可以捕捉钻机的推力、扭矩、转速、钻速等随钻参数.因此探寻随钻参数变化与岩石力学性质之间的内部联系建立可靠的随钻响应的解译方法能够借 助凿岩过程快速了解岩石力学性质和结构特征对优化金属矿山爆破设计具有重要的工程应用价值.国内外学者在利用 技术表征岩石力学性质方面开展了许多研究工作.最早提出机械比能的概念定义为破碎单位岩石所需要的能量谭卓英等 利用机械比能对花岗岩风化程度进行划分 等 发现了可钻性指标与岩石单轴抗压强度具有较好的相关性.以上研究表明可钻性指标、机械比能等与岩石力学性质具有较好的相关性.岩石切割试验从细观力学角度解释了刀岩相互作用机理部分学者基于切割试验的结论建立了随钻参数与岩石强度的数学关系.等 进一步将机械比能细化提出固有比能的概念 等通过刮擦试验发现岩石固有比能与岩石单轴抗压强度成正比验证了能量与岩石单轴抗压强度的定量关系 等发现切削力倾角与岩石种类无关王琦等 考虑岩石韧性破坏模式通过细观力学分析建立了随钻参数与岩石力学参数的定量关系等基于极限平衡理论推导了随钻参数与岩石单轴抗压强度的理论模型并使用微钻进行了验证.这些研究成果多是从细观力学角度开展研究工作结论在实验室得到了很好的验证.通过室内细观力学的研究工作建立的岩石单轴抗压强度定量模型大多是针对岩石的韧性破坏模式但金属矿山多以硬岩为主钻进过程中岩石的脆性破坏模式占主导地位基于韧性破坏提出的强度模型在实际应用中偏差较大.鉴于此本文借助矿山工程凿岩机在室内搭建了随钻获取的试验平台模拟现场凿岩钻进过程考虑岩石脆性破坏模式针对不同类型岩石进行了大量的钻进试验基于凿岩切割与贯入的实际物理过程分析随钻参数与岩石力学性质之间的内在关系并在此基础上建立了基于随钻参数表征的岩石单轴抗压强度模型并进行初步验证.随钻表征的理论基础 钻头力学特征考虑完全锋利钻头不考虑摩擦作用钻头与岩石的相互作用可以简化成单刀模型进行分析如图 所示.假设推力在钻头半径上均匀分布钻头单位尺寸上的法向力表示为.()式中:为钻头单位尺寸上的法向力 为推力 为钻头半径.假设扭矩在钻头半径上均匀分布钻头单位尺寸上的切向力表示为.()式中:为钻头单位尺寸上的切向力 为扭矩 .不考虑摩擦作用切向力与法向力完全作用于切削岩石则二者合力为切削力切削力与水平面夹角的正切值可以表示为 .()式中:为切削力倾角()系数 是钻头单位尺寸上法向力与切向力之比.钻进过程中切向力 作用于切割岩石法向力 作用于贯入岩石系数 反映了钻头切削力作用于贯入和切割岩石的比例.增大代表着法向力 占比升高说明贯入岩石的难度占比增大 减小则代表着切割岩石的难度占比增大.图 锋利钻头力学分析 岩石破坏模式切削深度是表征钻头与岩石接触长度的参数如图 所示.在相同推力条件下切削深度不受转速影响切削深度 可表示为.()式中:为切削深度 为钻速 为转速 .随切削深度的增大岩石由韧性破坏向脆性破坏转变控制破坏模式转变的深度称为临界切削深度与岩石力学性质有关通常小于.由于能量耗散机制不同机械比能可作为区分岩石破坏模式的指标机械比能是破碎单位体积第 期 王宇恒等:基于随钻参数的岩石单轴抗压强度表征模型研究 岩石所消耗的能量表达式为.()式中 为机械比能.切削深度小于临界切削深度时机械比能较高当大于临界切削深度时机械比能迅速降低.金属矿山钻进过程中岩石硬度较大脆性破坏模式占主导地位.因此从岩石脆性破坏模式出发研究随钻参数与岩石力学性质之间关系更符合实际工程中的钻进物理过程.图 钻头三维运动轨迹 工程钻进指标可钻性指标和机械比能分别从生产和能量的角度对钻进行为进行定量化描述是重要的工程钻进指标.机械比能包括推力做功和扭矩做功两部分试验表明扭矩是破碎岩石的主要因素推力做功可以忽略不计.忽略推力部分做功并结合式()可得到扭矩与切削深度的关系:.()式()表示了扭矩与切削深度关于机械比能的线性约束关系解释了扭矩与切削深度关系的物理意义.可钻性指标最早以钻速表示然而钻速同时受转速和推力的影响冯上鑫等研究表明推力一定的条件下转速不影响扭矩和切削深度的大小据此提出以推力随切削深度的增长速率作为岩石可钻性的评价指标/:.()在式()的基础上考虑钻头尺寸得到与应力量纲相同的可钻性指标:.()式中:为可钻性指标 为推力变化量 为切削深度变化量.进一步将式()转换成推力与切削深度的关系:.()式()表示了推力与切削深度关于可钻性指标的线性约束关系解释了推力与切削深度关系曲线的物理意义.钻头实际运动过程包括持续切割和持续贯入如图 所示机械比能定量描述了切割岩石的难易程度可钻性指标定量描述了钻头贯入岩石的难易程度综合二者对钻进行为进行描述更符合实际过程.通过获取钻机的推力、扭矩、切削深度 建立三者的变化特征可得到机械比能、可钻性指标 以及表征切削力倾角的系数.随钻获取试验平台与试验方案 试验平台搭建为了获取与现场凿岩一致的随钻数据采用工程中常用液压凿岩装备在室内搭建了随钻获取的试验平台.钻头类型为矿用三翼金刚石钻头直径为 钻头上共镶嵌有 个切削齿每个切削齿直径 倾角 材料为复合金刚石如图 所示.液压回转式钻机型号为 给进油缸最大压力为 最大提供 的推力旋转油缸最大压力为 最大提供 的扭矩.试验平台最大可进行 深度的钻进试验示意图如图 所示.图 钻进试验所用复合金刚石钻头 随钻参数获取为获取随钻参数随钻获取试验平台安装了精密的数据采集传感器.试验平台的数据采集系东北大学学报(自然科学版)第 卷 统由压力传感器、光电式接近开关、位移传感器、数据采集仪、机等组成.钻进时各传感器以时间序列分别记录钻机的工作参数数据采集频率为 .本节以岩石钻进试验数据为例介绍随钻参数的获取方式.通过 个压力传感器获取给进油缸液压油进口、给进油缸液压油出口、旋转油缸液压油进口、旋 转 油 缸 液 压 油 出 口 处 的 压 力 分 别 记为压力传感器采集的原始数据如图 所示.试验表明钻机输出的推力与扭矩作用在两方面:克服钻机自身机械摩擦作用在岩石上.钻机通过空载运行排除抵抗机械摩擦消耗的推力与扭矩可以得到实际作用在岩石上的推力与扭矩.根据压力与推力、扭矩的线性关系推力与扭矩获取方法如式()、式()所示换算后的结果如图 所示.岩石搭载平台 进给压力测量旋转压力测量 转速测量位移测量 数据采集仪岩石试件 钻头.图 随钻获取试验平台示意图 ()()()()().()式中:/为推力与液压力换算系数 为推力()为空载运行时给进油缸液压油进出口处的压力差用于抵抗机械摩擦经现场测试取 为扭矩与液压力换算系数 为扭矩()为空载运行时旋转油缸液压油进出口处的压力差经测试取 .钻杆的转速通过安装的光电式接近开关采集获取.钻杆表面共粘有 对均匀分布的黑白条纹钻杆每旋转一周接近开关记录次以图 钻机推力与扭矩测量 ()个压力传感器原始数据()处理后的推力与扭矩数据.为间隔向 端发送 内记录的次数通过计算单位时间内光电式接近开关记录的次数可以得到钻头的转速计算公式为.()式中:为 时刻钻头的转速/为白条纹个数取为 时刻光电式接近开关输出的开关次数 为时间间隔取 .图 是接近开关采集的原始数据图 为换算得到的转速.图 钻头转速测量 ()光电式接近开关原始数据()处理后的转速数据.钻头的钻速是通过计算单位时间内位移传感器记录的位移变化量得到计算公式为 .()式中:为钻头钻速/为位移传感器输出的物理量 为时间间隔取 .图 是位移传感器采集的原始数据图 为换算后得到的钻速.由处理后的随钻数据可以看出各项随钻参第 期 王宇恒等:基于随钻参数的岩石单轴抗压强度表征模型研究 数在钻进过程中均维持在稳定值附近波动满足试验要求.图 钻头钻速测量 ()位移传感器原始数据()处理后的钻速数据.试验方案考虑岩石种类的影响选取 种不同种类的岩石进行钻进试验试验岩样的长度为 其中 种砂岩产地为四川闪长岩、花岗岩产地为辽宁通过国际岩石力学学会()建议的方法测定了岩石单轴抗压强度与抗拉强度如表 所示.表 岩石的力学参数 岩石种类单轴抗压强度抗拉强度细粒岩屑长石砂岩 中细粒长石岩屑砂岩 中粒辉石闪长岩 细粒二长花岗岩 对每种岩石进行不同推力条件下的钻进试验钻进深度均为 每次钻进试验推力增加约 直到钻进试验推力达到设定的 钻机的推力通过手动调节液压阀门开度进行设定.通过改变推力获得推力 切削深度关系曲线、扭矩 切削深度关系曲线.钻进试验中未对试件加载因此各钻孔之间无影响钻进后的部分岩石试件如图 所示.图 部分钻进后的岩石试件 结果与分析钻进岩石过程中随钻参数在平均值附近平稳波动因此以钻进阶段各随钻参数的平均值作为试验结果.根据试验方案开展岩石钻进试验数据处理后得到每次钻进试验的推力、扭矩、钻速、转速、切削深度等随钻参数.随钻参数变化特征根据试验结果分别建立钻头推力与切削深度、扭矩与切削深度、单位尺寸上法向力与切向力关系曲线如图 图 所示.从图 与图 可知 推力 切削深度、扭矩 切削深度曲线表现出显著的线性拟合关系与式()和式()提出的模型相符二者的变化特征分别用最佳拟合曲线的斜率 表示即增加单位切削深度所需要的推力增量与扭矩增量.对于同一种岩石即使在不同推力的钻进试验中均保持不变与工况无关但在不同岩石中 有明显差异表现出与岩石力学性质有明显的相关性.图 切削深度与推力关系曲线 图 切削深度与扭矩关系曲线 东北大学学报(自然科学版)第 卷 图 为钻头单位尺寸上法向力与切向力的关系曲线二者的比值 是关于切削力倾角的系数表示了切削力作用在贯入和切割岩石的比例.从图可知在相同岩石钻进过程中切削力倾角保持恒定并且不受工况条件影响同样表现出与岩石力学性质的相关性.图 钻头单位尺寸上的切向力与法向力关系曲线 岩石单轴抗压强度对钻进指标的影响通过以上分析进一步定义岩石可钻性指标机械比能 为().()式中:为推力随切削深度变化率为扭矩随切削深度变化率.种岩石的试验结果如表 所示.表 岩石的随钻参数变化特征 岩石种类 细粒岩屑长石砂岩 中细粒长石岩屑砂岩 中粒辉石闪长岩 细粒二长花岗岩 图 显示了岩石可钻性指标、机械比能、法向力与切向力比值 与岩石单轴抗压强度之间的关系.由图可以看出本文定义的岩石可钻性指标、机械比能 与岩石单轴抗压强度具有较好的线性关系验证了采用这两个参数表征岩石强度的可行性.与岩石单轴抗压强度呈正相关说明随岩石单轴抗压强度的增大和切割岩石相比贯入岩石的难度越来越大.图 与岩石单轴抗压强度的关系 岩石单轴抗压强度表征模型 模型提出以上分析表明本文定义的岩石可钻性指标 与机械比能 这两个随钻获取的参数与岩石单轴抗压强度密切相关并且与岩石单轴抗压强度量纲相同.可钻性指标和机械比能分别描述了钻头贯入和切割岩石的难易程度图 显示了/与岩石单轴抗压强度的关系.从图中可以看出/与岩石单轴抗压强度存在显著的正比例关系.同时考虑钻头差异的影响引入与钻头特征有关的修正系数 最终建立的基于随钻参数变化特征的岩石单轴抗压强度表征模型为.()式中:为岩石单轴抗压强度表征值 为钻头特征修正系数根据图 最优拟合曲线的斜率取 .图 /与岩石单轴抗压强度关系 /第 期 王宇恒等:基于随钻参数的岩石单轴抗压强度表征模型研究 公式()的物理含义可以理解为岩石单轴抗压强度与岩石可钻性指标()有关也与切削力用于贯入和切割岩石的比例(/)有关.岩石可钻性指标()与岩石自身力学性质有关切削力作用于贯入和切割岩石的比例(/)正比于钻头法向力()与切向力()的比值.等和 等分别从室内试验和数值模拟的角度证明了 与钻头切削齿的倾角 有关本文提出的强度指标表征模型可能还受钻头特征的影响因此引入与钻头有关的修正系数 描述不同几何特征钻头的影响钻头特征和系数 的关系需要进一步深入探究.为评价表征值与试验值 的差异定义差异率指标:.()对比钻进试验中 种岩石的单轴抗压强度表征值与试验值结果如图 所示.从图可知岩石单轴抗压强度表征值与试验值较为吻合差异率分别为 平均差异率为 差异率的标准差为 表明岩石单轴抗压强度表征值与试验值之间的误差率很小且差异率波动平稳.图 岩石单轴抗压强度表征值与试验值对比 模型对比基于本文试验数据利用已有模型表征不同工况下的岩石强度结果如图 所示.从图可知相同岩石在不同工况下的强度表征结果存在多解性已有模型受工况影响较大而岩石的 作为岩石的客观属性不应随钻进工况发生变化.本文所提出的模型考虑了钻进工况对随钻参数的影响通过一系列不同工况下的随钻数据每种岩石只得到唯一的强度表征结果(图)并且显示出与试验值较高的相关性.图 不同工况下岩石强度表征值与岩石单轴抗压强度试验值的关系散点图 ()机械比能 ()单位体积切削能 ()可钻性强度 ()可钻性指数.东北大学学报(自然科学版)第 卷 初步验证为验证提出的强度表征模型的可靠性选取另一种类的岩石进行了验证.所用试验岩样为泥质细粒长石岩屑砂岩通过开展不同推力条件下的钻孔试验建立推力、扭矩与切削深度的关系如图 所示.根据曲线斜率得到岩样的随钻参数变化特征.试验采用同样的钻头因此 可取值为 .泥质细粒长石岩屑砂岩的具体计算结果及随钻参数见表.图 钻头推力、扭矩随切削深度关系 表 泥质细粒长石岩屑砂岩的试验结果和计算结果 差异率 由表 可知泥质细粒长石岩屑砂岩的单轴抗压强度试验值为 基于随钻参数的单轴抗压强度表征值为 差异率为 初步验证了模型的可靠性.另外本文所用的泥质细粒长石岩屑砂岩与中粒辉石闪长岩的单轴抗压强度十分接近但通过随钻获取试验得到的两种岩石的可钻性指标 与机械比能 却差别很大如表 所示.泥质细粒长石岩屑砂岩的可钻性指标 与机械比能 比中粒辉石闪长岩分别高出 这表明单一指标无法较好地表征岩石的单轴抗压强度也进一步验证了本文采用可钻性指标和机表 泥质细粒长石岩屑砂岩与中粒辉石闪长岩试验结果 名称泥质细粒长石岩屑砂岩 中粒辉石闪长岩 械比能作为岩石单轴抗压强度表征指标的可行性.结 论)推力随切削深度的变化率、扭矩随切削深度的变化率、钻头单位尺寸上法向力与切向力之比 均表现出相对同种岩石不变性并且不受试验条件影响.)随钻参数变化特征 均与岩石单轴抗压强度呈线性相关.)基于本文定义的机械比能和可钻性指标建立了岩石单轴抗压强度表征模型表征结果与试验值比较接近为利用凿岩过程快速表征岩石力学参数提供了一种新方法.参考文献:.():.()():.():.():.谭卓英岳中琦蔡美峰.风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析.岩石力学与工程学报():.(.():.)谭卓英李文岳鹏君等.基于钻进参数的岩土地层结构识别技术与方法.岩土工程学报():.(.():.).:.():.:.():.():.第 期 王宇恒等:基于随钻参数的岩石单轴抗压强度表征模型研究 :.():.:.:.王琦秦乾高红科等.基于数字钻探的岩石 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