基于多功能数字钻进系统的岩体力学参数测试研究

基于多功能数字钻进系统的岩体力学参数测试研究

0钻进参数与岩土被满足率孔道是岩石工程领域的一项重要勘探手段。如何快速、准确地超前获取岩土体力学参数是指导岩土工程安全施工的重要前提数字钻进测试技术实际上，上述研究进展的核心思想首先是确定钻进速度，再在此基础上探讨钻进参数与岩土体力学特性之间的相关关系。岳中琦本文基于已有研究基础1试验内容和方法1.1单轴压缩试验方案基于岩石实际钻进过程的力学机制，自主研发了多功能数字钻进测试系统数字钻进试验主要通过多功能数字钻进测试系统实现。该系统主要分为伺服钻进系统、气压加载系统以及数据监测采集系统三部分，其中伺服电机能够提供最大转速1250r/min，最大扭矩20N·m；压力室可提供最大钻进压强17MPa；试验台可装载长×宽×高=80mm×80mm×150mm以下的任意尺寸试样进行钻孔。试验过程中的钻进压强、钻进位移、转速和扭矩等参数均由高精度传感器监控与采集，并记录其随时间变化的钻进全过程。此外，钻进系统可同时对转速与钻进压强参数进行调节与控制，实现了“恒转速–恒钻进压强”的试验加载模式。本次试验选用标准金刚石实心钻头，直径为15mm，有效钻进深度为25mm，如图2所示。单轴压缩试验采用中国水利水电科学研究院WAW-600型微机控制电液伺服万能试验机，其最大输出载荷可达到600kN。通过位移控制加速率，按照国际岩石力学学会试验规范ISRM1.2抗渗性能分析试验采用的材料为岩石和砂浆试样，岩样取自云南德厚水库坝区右岸下层灌浆平洞先导孔YXQ300和YXQ304，以及库区Ⅱ标防渗帷幕轴线上的先导孔KII231、KII237和KII243，其中YXQ304、KII231和KII237为灰岩，YXQ300和KII243为花岗岩；砂浆试样是通过实验室按3种不同强度等级进行配比浇筑并养护而成，配比参数见表1。本文所有试验选用的试样尺寸均制作为Φ50mm×100mm的标准圆柱体。试验部分试样如图3所示。1.3试样制备和测试过程中钻头磨损、耐压强度的控制数字钻进试验包括初步探讨性试验与系统研究性试验。初步探讨性试验主要是研究随钻参数之间的响应关系，该试验共选取48个试样，每种类型各6个，其中砂浆试样M10、M15与M20分别编号为J针对上述用于数字钻进试验的每个试样，还需另外准备3个相同的试样进行单轴压缩试验，通过计算测试值的平均值得到该组试样的单轴抗压强度R此外，为了有效控制试验过程中金刚石钻头磨损和排渣效果等因素的影响，所有钻进试验方案中的钻头在未有明显磨损时进行更换，同时，由于钻进时间较短，孔深较浅（一般为5～10mm），则钻头磨损对测试结果的影响基本可以消除。其次，通过在测试过程中保持冷却水的流量和温度恒定，可以适当减少冲洗液对测试结果的影响。数字钻进试验过程如图4所示。2试验结果与分析2.1钻进参数控制根据试验设计方案开展多功能数字钻进试验，试验采用调节钻进压强F和转速n，监测钻进深度S、钻进压强F、转速n及扭矩M控制模式。以系统研究性钻进试验方案中试样D由图6可知，在钻头未接触到试件前，钻进压强F较小，接触试件后，F在较小的t内急剧上升，当入孔具有一定深度时，随着t的增加，F基本稳定在设定值附近小幅度上下波动；从图7可以看出n基本维持在425r/min。由此可见，试验控制参数F和n恒定状态良好，满足试验要求。图8为钻进过程中监测到的扭矩M随净钻进时间t变化曲线，变化规律与钻进压强F相似，呈现出急剧上升阶段和稳定阶段。利用数字钻进参数变化曲线，可以计算出该试样的钻进压强F和扭矩M测定值，且其测定方法相同。以钻进压强F为例，在钻头未接触到试样之前，其初始压强记为F2.2钻进速度与钻进压力的相关性分析为了研究数字钻进试验过程中不同参数之间的相互关系，以钻进速度v和钻进压强F为例，对初步探讨性钻进试验数据结果进行相关性分析，得到不同强度等级条件下钻进速度v与钻进压强F的变化曲线，如图9所示。由图9分析可知，在相同钻进条件下，对于同种类型的试样，钻进速度会随钻进压强的改变而变化，并且会出现峰值，即最优钻进速度，且不同强度等级试样的最优钻进速度值具有差异性，分析结果见表2。基于此，对不同类型试样的平均单轴抗压强度从图10可以看出，平均单轴抗压强度2.3钻进系统能量分析(1）岩石单位体积研磨能岩石钻进过程的实质是通过金刚石钻头侵入岩石以达到破岩的目的，该过程不仅包括金刚石钻头在钻机动力系统提供的轴向压力和扭矩力作用下对岩石的压碎与切削破坏，还存在钻头表面与岩石接触面之间的摩擦力作用下造成的磨损破坏。基于此，本文对岩石研磨钻进过程中的金刚石实心钻头进行受力分析，如图11所示。根据上述金刚石实心钻头破坏岩石的受力分析可知，钻进系统做功主要有压力功W系统提供的钻进压力做功W系统提供的扭矩做功式中，n为钻头转速，M为钻头所受扭矩，t为钻进时间。钻头与孔底摩擦消耗的能量E钻头底面摩擦所消耗的能量E式中，uf06d钻头侧向摩擦所消耗的能量E式中m钻头与水之间的黏滞阻力消耗的能量E然而，在实际研磨钻进过程中，考虑到钻进速度极小，则冷却水造成的轴向黏滞阻力可以不作考虑。此外，由于冷却水沿钻头径向的速度梯度较小，可视冷却水做等线速运动，并认为其获得钻头表面的边缘速度综合可得，岩石研磨破碎所需能量通过定义岩石单位体积研磨能η通过对金刚石钻进破坏岩石过程的理论推导，将表3中用于建立RDP-R由表4分析可知，在数字钻进试验过程中，扭矩功占系统输入总能量的99%，轴力功平均只有总能量的1%。钻头底面摩擦消耗的能量和钻头克服液体黏滞阻力所消耗的能量相对于输入总能量可以忽略不计，而钻头侧面摩擦消耗的能量数值偏大，则试验结果与实际钻进过程相符合。3rp-r3.1结构参数与表面活性剂的关系结合表3与表4中的26组试样对应的岩石单轴抗压强度R从图12可以看出，对于砂浆试样而言，相关系数R根据图12(c）中R基于研磨钻进能量分析结果，对式（10）进行简化后得将式（12）代入式（11）中，建立岩石数字钻进参数与岩石强度参数的关系模型，即RDP-R3.2rp-r基于选出的8组试样对RDP-R为了对RDP-R根据表5中的计算结果进行预测值R从图13可以看出，R4复合岩石钻头钻进能利用自主研发的室内多功能数字钻进设备及测试系统，以不同强度等级完整砂浆和岩石试样为例，进行了岩石数字钻进参数与强度特性的初探性试验研究，得到以下结论：(1）通过对岩石研磨钻进过程中的金刚石实心钻头进行受力分析，根据岩石破碎极限平衡与能量守恒原理，建立了金刚石钻头研磨钻进过程能量分析模型，推导出岩