岩体能量随钻原位测定与控制设计方法

1.本发明涉及岩土工程勘察技术领域，特别涉及岩体能量随钻原位测定与控制设计方法。


背景技术：

2.当前对于能源需求量逐步增加，矿山开采、巷道开挖逐渐向深部转移。深部岩体随着埋深增加，受重力作用、地质构造等影响下岩体内部出现高应力并聚集大量能量。
3.伴随着地下工程的施工及开挖扰动的影响，深部岩体内部原有的能量平衡被破坏，岩体内部聚集的能量释放，造成原有支护体系失稳破坏，导致围岩大变形、顶板垮落等灾害事故发生。因此，对于现场原位岩体内部能量的快速精确获取十分重要，是地下工程支护方案设计的前提，对地下工程围岩的稳定性分析具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，可进行岩体能量测试，实现对现场围岩能量的原位分级，为围岩支护设计提供依据。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：本发明提供了岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，包括以下步骤：通过开展岩体钻进测试试验，对岩体进行旋切耗能分析，综合岩体的随钻参数钻进速度v、钻头转速n、钻进扭矩m、钻进压力f，建立基于随钻参数的岩体切削能量密度计算公式；开展岩石单轴压缩加卸载试验，通过对岩石加卸载曲线进行积分获取岩石弹性能密度，并建立岩体等效能量密度随钻测试模型；现场开展岩体原位钻探试验，确定现场岩体等效能量密度，建立现场岩体原位能量分级指标，实现现场岩体原位能量分级；根据现场岩体原位能量分级结果，选取合理的现场围岩支护设计方案。
5.作为进一步的技术方案，在切削岩体过程中，受钻杆与钻孔壁摩擦的影响，钻进过程中产生扭矩增量δm，实际扭矩为m-δm。
6.作为进一步的技术方案，通过开展岩石单轴压缩加卸载试验，设定首次加载强度，后对岩石进行卸载，受压强度卸载至设定强度，再次对岩石加载直至破坏，此时为岩石破坏峰值强度，绘制岩石加载过程中的应力应变曲线，通过对岩石的加卸载曲线中卸载曲线与峰值强度围成的图形进行积分，计算出岩石弹性能密度。
7.作为进一步的技术方案，通过对岩体切削能量密度与岩石弹性能密度进行回归拟合分析，建立岩体等效能量密度随钻测试模型。
8.作为进一步的技术方案，利用岩体智能旋切测试系统开展现场岩体原位钻探试验，获取现场原位岩体的随钻参数与岩体切削能量密度，得到现场岩体等效能量密度。
9.作为进一步的技术方案，根据岩体等效能量密度及地下工程走向内的围岩体积，
确定地下工程支护方向范围内围岩能量。
10.作为进一步的技术方案，根据现场岩体原位能量，测定所需支护范围内岩体能量的可储存量，并对岩体进行能量分级。作为进一步的技术方案，对岩体划分为三个能量等级，包括：若地下工程支护方向范围内围岩能量大于等于第一阈值，且小于第二阈值，则确定所述钻进岩体的能量可储存量为低储能岩体；若地下工程支护方向范围内围岩能量大于等于所述第二阈值，且小于第三阈值，则确定所述钻进岩体的能量可储存量为中储能岩体；若地下工程支护方向范围内围岩能量大于等于所述第三阈值，且小于等于第四阈值，则确定所述钻进岩体的能量可储存量为高储能岩体。
11.作为进一步的技术方案，根据钻进岩体可储存能量大小，实现对现场岩体能量进行梯度分级，进而对现场原位岩体内部能量测定。
12.作为进一步的技术方案，由岩体能量分级结果，对地下工程支护方向范围内围岩进行支护设计，确定现场岩体能量支护设计评价方法，确定支护构件吸收能量。
13.上述本发明的有益效果如下：（1）本发明通过开展岩体钻进测试试验，对岩体进行旋切耗能分析，综合岩体的随钻参数，建立基于随钻参数的岩体切削能量密度公式。通过开展岩石单轴压缩加卸载试验，对岩石加卸载曲线积分得到岩石弹性能密度，建立岩体切削能量密度与岩石弹性能密度的定量关系，得到岩体等效能量密度计算公式。
14.（2）本发明钻头在旋转切削岩石的过程中，随着钻孔的深度加深，由于受钻孔内壁对钻头侧壁产生的垂向压力影响，钻头在旋转反方向沿钻头侧壁切向产生摩擦，摩擦导致岩体在钻进过程中产生扭矩增量δm，实际的扭矩值应为m-δm，有利于提高精度。
15.（3）本发明可以对现场原位岩体内部能量快速精确获取，利用岩体智能旋切测试系统开展现场岩体原位钻探试验，获取现场岩体等效能量密度，确定地下工程支护方向范围内围岩能量。
16.（4）本发明通过建立现场岩体原位能量分级指标，实现现场岩体原位能量分级，为围岩支护设计提供依据，减少围岩大变形、顶板垮落等灾害事故发生，对地下工程围岩的稳定性分析具有重要意义。
附图说明
17.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限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：图1示出了本发明实施例中岩体能量随钻原位测定与控制设计方法的流程图；图2示出了本发明实施例中岩石弹性能密度单轴压缩单次加卸载曲线图；图3示出了本发明实施例中地下工程现场岩体原位钻探试验与支护图。
18.图中：1、岩体智能旋切测试系统；2、支护构件；3、防护网。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.如图1所示，本实施例提供了岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，包括以下步骤：s101：通过开展岩体钻进测试试验，对岩体进行旋切耗能分析，综合岩体的随钻参数v、n、m、f，建立基于随钻参数的岩体切削能量密度计算公式ev，如下：ev=g(v，n，m，f)其中，ev为岩体切削能量密度，v为钻进速度，n为钻头转速，m为钻进扭矩，f为钻进压力。
21.岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，通过对旋切钻进的岩体能量转化进行分析，并综合岩体钻进过程中的随钻参数v、n、m、f，建立基于随钻参数的岩体切削能量密度计算公式ev，其含义为岩体在切削过程中破碎单位岩体所需要的能量，计算公式如下：其中，ev为岩体切削能量密度，v为钻进速度，n为钻头转速，m为钻进扭矩，δm为扭矩增量，μ1为数字解析钻头与受切削岩石间的摩擦因数，f为钻进压力，r为数字解析钻头的半径，li为数字解析钻头的第i列切削刃的长度（i=1, 2, 3,
ꢀ…
, n）。
22.钻头在旋转切削岩石的过程中，随着钻孔的深度加深，由于受钻孔内壁对钻头侧壁产生的垂向压力影响，钻头在旋转反方向沿钻头侧壁切向产生摩擦，摩擦导致岩体在钻进过程中产生扭矩增量δm，因此实际的扭矩值应为m-δm，δm计算公式如下：其中，μ2为钻杆与钻孔壁的摩擦系数，l为钻进过程中钻孔内钻杆的长度。
23.s102：通过利用室内岩石单轴压缩机开展岩石单轴压缩加卸载试验，设定首次加载强度nσc（0＜n≤1），后对岩石进行卸载，受压强度卸载至iσc（0＜i＜1），再次对岩石加载直至破坏，此时岩石破坏峰值强度为σc，绘制岩石加载过程中的应力应变曲线，如图2所示，通过对岩石的加卸载曲线中卸载曲线与峰值强度σc围成的图形进行积分，计算出岩石弹性能密度ρu，如下：其中，ρu为岩石弹性能密度，ε1为岩石破坏时峰值强度所对应的应变大小；f(x)为岩石的加卸载曲线中应力应变函数。
24.s103：通过对岩体切削能量密度ev与岩石弹性能密度ρu进行回归拟合分析，建立岩体等效能量密度随钻测试模型u
re
，如下：其中，u
re
为岩体等效能量密度，α1和β1为随钻测试岩体能量密度关系式的拟合系
数。
25.s104：如图3所示，利用岩体智能旋切测试系统1开展现场岩体原位钻探试验，获取现场原位岩体的随钻参数与岩体切削能量密度，得到现场岩体等效能量密度u
re
。
26.根据岩体等效能量密度u
re
，确定地下工程支护方向范围内围岩能量分级指标u
re
，如下：其中，u
re
为地下工程支护方向范围内围岩能量，u
rem
为地下工程走向的第m段长度内现场岩体能量密度（m=1, 2, 3,
ꢀ…
, n），vm为地下工程走向的第m段长度内围岩的体积。
27.s105：根据现场岩体原位能量分级指标u
re
，测定所需支护范围内岩体能量的可储存量，并对岩体进行能量分级。在实施中，可以预先设置围岩能量u
re
与能量分级范围的对应关系。如表1所示，围岩的能量分级可以分为低储能岩体j1、中储能岩体j2和高储能岩体j3。低储能岩体j1对应的围岩能量ure的范围为y1≤ure＜y2、中储能岩体j2对应的围岩能量ure的范围为y2≤ure＜y3和高储能岩体j3对应的围岩能量ure的范围为y3≤ure≤y4。
28.表1利用岩体智能旋切测试系统1开展现场岩体原位钻探试验，确定地下工程支护方向范围内围岩能量分级指标u
re
，根据围岩能量分级指标u
re
，确定围岩能量分级阈值y1、y2、y3和y4，基于围岩能量u
re
与能量分级范围的对应关系，确定待评价岩体的围岩能量分级。
29.如表1所示，若岩体的围岩能量大于等于第一阈值y1，且小于第二阈值y2，则确定待评价岩体的围岩为低储能岩体j1。若岩体的围岩能量大于等于第二阈值y2，且小于第三阈值y3，则确定待评价岩体的围岩为中储能岩体j2。若岩体的围岩能量大于等于第三阈值y3，且小于等于第四阈值y4，则确定待评价岩体的围岩为高储能岩体j3。
30.根据钻进岩体可储存能量大小，实现对现场岩体能量进行梯度分级，进而对现场原位岩体内部能量快速精确测定，为现场支护体系的选取提供指导。确定支护方案设计，具体的支护方案包括确定支护构件2和防护网3。
31.验证优化是通过开展现场岩体原位钻探试验，确定地下工程支护方向范围内围岩能量u
re
和围岩能量分级来进行的，一是验证前期所建立的岩体等效能量密度随钻测试模型的有效性和准确性，二是通过开展现场不同岩性和不同强度类型的岩体钻进试验，进一步反馈优化岩体等效能量密度随钻测试模型。
32.s106：根据岩体能量分级结果，对地下工程支护方向范围内围岩进行支护设计，确定现场岩体能量支护设计评价方法，确定支护构件吸收能量u
设
，如下：其中，a为能量支护安全系数（a＞1），u
re
为地下工程支护方向范围内围岩能量。
33.本实施例通过开展岩体钻进测试试验，对岩体进行旋切耗能分析，综合岩体的随钻参数，建立基于随钻参数的岩体切削能量密度公式。通过开展岩石单轴压缩加卸载试验，对岩石加卸载曲线积分得到岩石弹性能密度，建立岩体切削能量密度与岩石弹性能密度的定量关系，得到岩体等效能量密度计算公式。利用岩体智能旋切测试系统1开展现场岩体原位钻探试验，确定现场岩体等效能量密度，建立现场岩体原位能量分级指标，实现现场岩体原位能量分级，为围岩支护设计提供依据。
34.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：通过开展岩体钻进测试试验，对岩体进行旋切耗能分析，综合岩体的随钻参数钻进速度v、钻头转速n、钻进扭矩m、钻进压力f，建立基于随钻参数的岩体切削能量密度计算公式；开展岩石单轴压缩加卸载试验，通过对岩石加卸载曲线进行积分获取岩石弹性能密度，并建立岩体等效能量密度随钻测试模型；现场开展岩体原位钻探试验，确定现场岩体等效能量密度，建立现场岩体原位能量分级指标，实现现场岩体原位能量分级；根据现场岩体原位能量分级结果，选取合理的现场围岩支护设计方案。2.如权利要求1所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，在切削岩体过程中，受钻杆与钻孔壁摩擦的影响，钻进过程中产生扭矩增量δm，实际扭矩为m-δm。3.如权利要求1所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，通过开展岩石单轴压缩加卸载试验，设定首次加载强度，后对岩石进行卸载，受压强度卸载至设定强度，再次对岩石加载直至破坏，此时为岩石破坏峰值强度，绘制岩石加载过程中的应力应变曲线，通过对岩石的加卸载曲线中卸载曲线与峰值强度围成的图形进行积分，计算出岩石弹性能密度。4.如权利要求1所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，通过对岩体切削能量密度与岩石弹性能密度进行回归拟合分析，建立岩体等效能量密度随钻测试模型。5.如权利要求1所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，利用岩体智能旋切测试系统开展现场岩体原位钻探试验，获取现场原位岩体的随钻参数与岩体切削能量密度，得到现场岩体等效能量密度。6.如权利要求1所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，根据岩体等效能量密度及地下工程走向内的围岩体积，确定地下工程支护方向范围内围岩能量。7.如权利要求6所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，根据现场岩体原位能量，测定所需支护范围内岩体能量的可储存量，并对岩体进行能量分级。8.如权利要求7所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，对岩体划分为三个能量等级，包括：若地下工程支护方向范围内围岩能量大于等于第一阈值，且小于第二阈值，则确定所述钻进岩体的能量可储存量为低储能岩体；若地下工程支护方向范围内围岩能量大于等于所述第二阈值，且小于第三阈值，则确定所述钻进岩体的能量可储存量为中储能岩体；若地下工程支护方向范围内围岩能量大于等于所述第三阈值，且小于等于第四阈值，则确定所述钻进岩体的能量可储存量为高储能岩体。9.如权利要求8所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，根据钻进岩体可储存能量大小，实现对现场岩体能量进行梯度分级，进而对现场原位岩体内部能量测定。10.如权利要求1所述的岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，其特征在于，由岩体能量分级结果，对地下工程支护方向范围内围岩进行支护设计，确定现场岩体能量支护设计评价方法，确定支护构件吸收能量。

技术总结
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，特别涉及岩体能量随钻原位测定与控制设计方法，包括通过开展岩体钻进测试试验，对岩体进行旋切耗能分析，综合岩体的随钻参数钻进速度V、钻头转速N、钻进扭矩M、钻进压力F，建立基于随钻参数的岩体切削能量密度计算公式；开展岩石单轴压缩加卸载试验，通过对岩石加卸载曲线进行积分获取岩石弹性能密度，并建立岩体等效能量密度随钻测试模型；现场开展岩体原位钻探试验，确定现场岩体等效能量密度，建立现场岩体原位能量分级指标，实现现场岩体原位能量分级；根据现场岩体原位能量分级结果，选取合理的现场围岩支护设计方案；本发明可进行岩体能量测试，实现对现场围岩能量的原位分级。实现对现场围岩能量的原位分级。实现对现场围岩能量的原位分级。


技术研发人员：王琦 蔡松林 江贝 高红科 章冲
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/12