破碎岩体特性随钻测试与评价方法与流程

1.本发明涉及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及破碎岩体特性随钻测试与评价方法。


背景技术：

2.随着深部煤矿巷道的开挖，巷道周围常出现围岩松散破碎现象，导致围岩强度降低，巷道难以支护，进而导致围岩大变形、顶板冒落等灾害事故发生，因此获取破碎岩体的强度，进而获取岩体破碎范围和破碎程度对地下工程设计极为重要。
3.而目前对于破碎岩体强度指标的获取，由于常规单轴压缩试验需进行现场取芯并运送至实验室进行测试分析，周期长，成本高，且点荷载试验需取芯进行强度测试，而破碎严重的岩体无法进行岩样取芯，导致常规的单轴压缩试验、点荷载试验无法实现对破碎岩体强度的测量，因此，目前缺少一种定量评价岩体破碎程度的指标和快速有效的测试破碎岩体强度，进而获取岩体破碎程度和破碎范围的试验方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的第一发明目的提供一种破碎岩体特性随钻测试与评价方法；该方法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和建立的岩体强度随钻测试模型，对破碎岩体的等效抗压强度进行计算，并且提出了基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数，对岩体的破碎程度进行定量评价，同时根据随钻参数和等效抗压强度波动的范围和波动的程度，可定量评价破碎岩体的破碎范围。
5.本发明的第二发明目的提供一种破碎岩体性质数字钻进试验系统，可以制作不同岩性、不同破碎程度、不同破碎范围的破碎岩体，同时具有监测与控制随钻参数的功能。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：本发明的实施例提供了一种破碎岩体特性随钻测试与评价方法，包括如下步骤：步骤1：自下而上依次将下层完整岩块、破碎岩块、上层完整岩块放入破碎岩体试件制作装置中，通过锚杆固定，形成破碎岩体试件；步骤2：将破碎岩体试件放置于试验台上，并固定，使用破碎岩体钻进系统对破碎岩体进行数字钻进试验，监测随钻参数随钻进深度的变化情况；步骤3：将监测的随钻参数带入岩体强度随钻测试模型，得到破碎岩体的等效抗压强度；步骤4：根据破碎岩体与完整岩体等效抗压强度，建立基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数计算公式；步骤5：将建立的等效强度弱化系数用于现场试验，结合随钻参数、等效抗压强度和等效强度随钻弱化系数定量评价破碎岩体的破碎程度和破碎范围。
7.上述本发明的实施例的有益效果如下：1.本发明提出的破碎岩体特性随钻测试与评价方法，该方法利用破碎岩体试件制
作装置制作了不同岩性、不同破碎程度、不同破碎范围的破碎岩体，并通过开展室内数字钻进试验，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和建立的岩体强度随钻测试模型，对破碎岩体的等效抗压强度进行计算。本发明可通过直接进行钻进获取破碎岩体的等效抗压强度，克服了常规试验方法破碎岩体取芯困难或者无法取芯的问题。
8.2.本发明提出的破碎岩体特性随钻测试与评价方法可以制作不同岩性、不同破碎程度、不同破碎范围的破碎岩体，用于进行不同类型的数字钻进试验；同时具有监测与控制随钻参数的功能。
9.3.本发明提出了基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数，可实现对岩体的破碎程度的定量评价。
附图说明
10.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
11.图1是本发明破碎岩体特性随钻测试与评价方法技术路线图。
12.图2是本发明破碎岩体性质随钻试验系统正视图。
13.图3是本发明破碎岩体试件制作装置正视图。
14.图4是本发明破碎岩体试件制作装置底部图。
15.图中，1、破碎岩体试件制作装置；2、数字钻头；3、钻杆；4、转速传感器；5、压扭复合传感器；6、位移传感器；7、锚杆；8、锁具；9、托盘；10、四周约束装置；11、上层完整岩块；12、破碎岩块；13、下层完整岩块；14、底部支撑装置。
具体实施方式
16.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
17.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“中”“下”字样，仅表示与附图本身的上、中、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
18.正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种破碎岩体性质数字钻进试验方法及系统，该方法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和建立的岩体强度随钻测试模型得到破碎岩体的等效抗压强度，并且提出了基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数，对岩体的破碎程度进行定量评价，同时根据随钻参数和等效抗压强度波动的范围和波动的程度，可定量评价破
碎岩体的破碎范围；该破碎岩体性质随钻试验系统，可以制作不同岩性、不同破碎程度、不同破碎范围的破碎岩体，同时具有监测与控制随钻参数的功能。
19.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明的破碎岩体特性随钻测试与评价方法采用破碎岩体性质随钻试验系统对破碎岩体进行钻进试验得到随钻参数，根据建立的岩体强度随钻测试模型得到破碎岩体等效抗压强度，并根据破碎岩体和完整岩体的等效抗压强度建立基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数计算公式，进行现场钻进试验，根据得到等效强度随钻弱化系数对现场岩体的破碎程度进行评价，同时根据随钻参数和等效抗压强度波动的范围和波动的程度，定量评价破碎岩体的破碎范围。
20.具体的，破碎岩体特性随钻测试与评价方法，包括如下步骤：步骤1：自下而上依次将下层完整岩块、破碎岩块、上层完整岩块放入破碎岩体试件制作装置中，通过锚杆固定，形成破碎岩体试件；步骤2：将破碎岩体试件放置于试验台上，并固定，使用破碎岩体钻进系统对破碎岩体进行数字钻进试验，监测随钻参数随钻进深度的变化情况；步骤3：将监测的随钻参数带入岩体强度随钻测试模型，得到破碎岩体的等效抗压强度；步骤4：根据破碎岩体与完整岩体等效抗压强度，建立基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数计算公式；步骤5：将建立的等效强度弱化系数用于现场试验，结合随钻参数、等效抗压强度和等效强度随钻弱化系数定量评价破碎岩体的破碎程度和破碎范围。
21.进一步的，所述步骤3中的岩体强度随钻测试模型为：式中，为岩体等效抗压强度，为岩石单位切削能，、、为岩石单轴抗压强度与切削能量的拟合系数。
22.将步骤2检测到的随钻参数带入到岩体强度随钻测试模型得到相应的破碎岩体等效抗压强度。
23.进一步的，所述步骤4中的基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数计算公式为：式中，rwd为等效强度随钻弱化系数，为破碎岩体等效抗压强度，为完整岩体等效抗压强度，等效强度随钻弱化系数用来反映岩体的破碎程度。
24.进一步的，所述步骤5中定量评价破碎岩体的破碎程度和破碎范围，当围岩智能数字钻机获取随钻参数后，带入岩体强度随钻测试模型得到破碎岩体的等效抗压强度，根据破碎岩体与完整岩体的等效抗压强度得到基于随钻参数的等效强度随钻弱化系数，实现对岩体破碎程度的定量评价；同时当数字钻头2钻进上层完整岩块11时，随钻参数和等效抗压强度会在稳定值附近平稳的波动，当钻头开始接触破碎岩块12随钻参数和等效抗压强度会随空隙的存在产生较为剧烈的波动，当数字钻头由破碎岩块12进入下层完整岩块13，随钻参数和等效抗压强度会逐渐上升到稳定值附近平稳波动，通过中间剧烈波动的范围和波动
的程度，可以定量评价破碎岩体破碎范围。
25.本实施例基于上述方法，还提供了一种破碎岩体性质随钻试验系统，如图2所示的破碎岩体性质随钻试验系统，其包括破碎岩体试件制作装置1和破碎岩体钻进系统；破碎岩体试件制作装置1包括四周约束装置、底部支撑装置以及锚固装置三部分，用于制作多类型破碎岩体；所述破碎岩体钻进系统包括导向钻进单元和监测控制单元，用于对破碎岩体试件进行钻进，同时对钻进过程中的钻进速度、钻头转速、钻头扭矩和钻进压力进行实时监测。所述破碎岩体钻进系统能够以恒钻进速度和恒钻头转速，或所述恒钻头转速和恒钻进压力进行钻进。
26.具体的，导向钻进单元包括液压马达（在图中未示出）、数字钻头2和钻杆3；所述液压马达提供钻进动力；所述钻杆3及数字钻头2在液压马达的驱动下进行钻进；所述监测控制单元由高精度传感器及控制主机组成，具有监测与控制随钻参数的功能。
27.进一步的，所述数字钻头2由长方形金刚石复合片和胎体组成，金刚石复合片镶嵌于胎体中，形成钻头切削刃，切削刃可具有多列。
28.进一步的，监测控制单元包括转速传感器4、压扭复合传感器5和位移传感器6；所述转速传感器4和压扭复合传感器5位于钻机上，分别用于监测钻头转速、钻进压力和钻头扭矩随钻进深度的变化情况；所述位移传感器6位于钻机平台底部，用于监测钻进深度随钻进时间的变化情况。
29.具体的，如图3、图4所示，本实施例公开的破碎岩体试件制作装置，由锚杆7、锁具8、托盘9、四周约束装置10和底部支撑装置14五部分组成。
30.所述四周约束装置10包含前后、左右四个钢板，用于约束内部所放岩体；所述底部支撑装置14包含四个横梁，四个横梁焊接在四周约束钢板的底部四个角的位置，每个横梁与相连的两个钢板的夹角为45
°
，底部支撑装置14用于支撑上部所放的岩体。
31.岩体制作子系统制作试件上、下层为完整岩块、中层为破碎岩块，三个岩层的厚度比例可调节，模拟不同的破碎范围，三层通过锚固件连接，可用于制作不同岩性、不同破碎程度、不同破碎范围的破碎岩体。
32.进一步的，锚杆7贯穿上层的完整岩块、中层的破碎岩块、下层的完整岩块，锚杆7的两端通过锁具8、托盘9锁紧固定。
33.所述破碎岩体试件制作装置，工作原理是：将下层完整岩块13先放入四周约束装置10内部，通过底部支撑装置14进行支撑，再在下层完整岩块13上放入破碎岩块12，之后在破碎岩块12上方放入上层完整岩块11，待三块岩体放入后，由顶部的上层完整岩块11打入锚杆7，使锚杆7贯穿三块岩石，依次在四个角打入另外3根锚杆7，在两侧的锚杆7处依次安装托盘9和锁具8对锚杆7进行锚固形成破碎岩体试件，同时对于破碎岩块12可以设置不同的破碎范围、不同的破碎程度、不同的岩体岩性和不同的岩层组合，形成多种类型的破碎岩体试件，从而进行多种类型的数字钻进试验。
34.所述破碎岩体性质随钻试验系统，工作原理是：对图3破碎岩体试件制作装置制作成的破碎岩体试件，通过数字钻头2进行数字钻进试验，通过位移传感器6、转速传感器4、压扭复合传感器5监测钻进速度、钻头转速、钻头扭矩和钻进压力随深度的变化情况。
35.上述结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所述领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，凡是依照本发明中的设
计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等仍在本发明的保护范围内。