一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法及装置

摘要

本发明属于岩土工程勘察技术领域，公开了一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法，其特征在于，包括：建立待测试对象的钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系；根据实际钻进参数，依据所述量化对应关系获取对应的岩体力学参数；其中，据实际地质情况将待测对象分为不同区段，建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系。本发明提供了一种可靠性强、便捷可靠，适用范围广的深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，特别涉及一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法。

背景技术

随着人类经济社会发展的要，已有越来越多的工程建设在深部地下开展，如水利水电工程的地下隧洞和厂房、交通工程中的深埋隧洞、矿山工程中的深部采场、能源贮备和核废料深部处置中的洞室，以及满足生物与地球物理学研究的深部科学计划－深部地下实验室等。

多年来，深部高地应力地下工程勘察一直以来都是国内外一个十分重要的研究课题。目前，深部地下工程的勘察还处于探索和积累经验阶段，不仅需要工程地质分析、评价理论的丰富与完善，更需要勘察技术与方法的突破与创新。钻孔作为深部地下工程勘察手段之一能直接有效的了解地层岩性、地质构造、岩溶等基本地质条件，通过岩芯观察判断隧洞围岩类别，通过在钻孔内进行试验与测试工作，获得深部岩体物理力学参数等。

众所周知，岩体的力学特性是评价工程岩体稳定性的主要参数，然而现有技术多采用实时重复采样测量，整体评价的可靠性受采样情况的影响较大；同时操作复杂，尤其是深部地下，方法单一，自动化程度低，导致劳动强度大。

发明内容

本发明提供一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法及装置，解决现有技术中深部地下岩体力学特性测量方法单一，效率低，可靠性低，劳动强度大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法，包括：

建立待测试对象的钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系；

根据实际钻进参数，依据所述量化对应关系获取对应的岩体力学参数；

其中，据实际地质情况将待测对象分为不同区段，建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系。

进一步地，建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系包括以下步骤：

通过钻机执行钻进操作；

在钻进过程中，实时获取钻进参数以及此刻的钻孔岩芯；

对所述钻孔岩芯进行试验并根据岩体强度准则获得对应区段岩体的力学参数；

建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系；

其中，所述钻进参数包括：钻进速度以及钻孔孔壁图像；所述钻进速度、钻孔孔壁图像以及所述钻孔岩芯依据采集位置相互对应。

进一步地的，所述钻孔孔壁图像包括：钻孔壁360°图像；

所述钻孔壁360°图像通过数字化处理得到钻孔孔壁的平面展开图和钻孔岩芯图，获得钻孔内岩体裂隙的分布情况、岩性及风化程度，并以此进行区段划分，并标记。

进一步地，将标记的区段、钻进速度以及此区段的岩体力学参数进行拟合，获得包含岩体裂隙的分布情况、钻进速度以及岩体力学参数的量化关系。

进一步地，在钻进过程中，钻进设备的运行参数设定始终不变。

进一步地，所述岩体力学参数包括：岩体的弹性模量(E_m)、粘聚力(c)及内摩擦角。

一种深地下工程的岩体力学特性原位钻进测试装置，包括：钻进设备；

钻进测量单元，设置在所述钻进设备上，跟随其动作，获取实时钻进速度及钻进距离；

摄像单元，实时获取钻孔孔壁图像；

数字处理单元，分别与所述钻进测量单元以及所述钻进摄像单元相连，获取钻进速度、钻进距离以及钻孔孔壁图像；

其中，依据所述钻孔孔壁图像将钻孔岩芯，依据岩性、岩体裂隙度及风化程度分区段并标记，并将区段标记存储在所述数字处理单元；同一区段具备相似的特征；

将所述钻进设备收集的钻孔岩芯进行试验，并依据岩体强度准则获得岩体力学参数，存储在所述数字处理单元；

所述数字处理单元将区段的标记、钻进速度以及其力学参数进行拟合。

进一步地，所述钻进测量单元包括：测速测距传感器；实时记录钻进速度和到原位点的距离。

进一步地，所述摄像单元包括：钻孔摄像仪；获取钻孔孔壁图像。

进一步地，所述数字处理单元包括：工控机。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法，通过建立实施钻进参数与岩体力学参数的量化关系，使得实时测量时，通过钻进参数便捷的得到对应岩体的力学特性参数，大大提升了测量的可靠性；另一方面，也大大降低了岩体实时测量的劳动量，提升了测量效率和自动化程度，更能推广到类似的岩体，适应范围扩大。

附图说明

图1为本发明实施例提供的钻孔深度随时间变化的全过程曲线；

图2为本发明实施例提供的钻进速度随孔深变化的全过程曲线；

图3为本发明实施例提供的钻孔岩体岩芯区段划分结构示意图；

图4为本发明实施例提供的弹性模量E_m与钻进速度的定量关系拟合曲线；

图5为本发明实施例提供的粘聚力c与钻进速度的定量关系拟合曲线；

图6为本发明实施例提供的内摩擦角与钻进速度的定量关系拟合曲线。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法及装置，解决现有技术中深部地下岩体力学特性测量方法单一，效率低，可靠性低，劳动强度大的技术问题；达到了提升可靠性，降低劳动强度，提升测试效率和自动化程度的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法，其特征在于，包括：

建立待测试对象的钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系；

根据实际钻进参数，依据所述量化对应关系获取对应的岩体力学参数；

其中，据实际地质情况将待测对象分为不同区段，建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系。

通过上述内容可以看出，通过钻进以及实时测量操作，建立钻进参数与岩体力学特性的量化关系，从而实现后续针对此岩体对象或者类似对象的简化测量；即仅需要知道钻进参数，并结合钻孔图像就可以获得对应的力学特性参数，而不需要在取出岩芯进行一系列实验，大大降低了劳动强度和复杂程度；同事也大大提升了后续试验的效率。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例 中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明实施例提供的一种深部地下工程的岩体力学特性原位钻进测试方法，包括：

建立待测试对象的钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系；

根据实际钻进参数，依据所述量化对应关系获取对应的岩体力学参数；

其中，据实际地质情况将待测对象分为不同区段，建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系。

即，将以岩体内部不同地质情况，划分成不同区段，建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系，从而提供一种可靠的适应性。具体来讲，实时测量的每个区段构成一个样本参数集合，可以通过收集多个样本数据进行拟合，形成稳定可靠的对应量化关系，大大提升其数据精度和可靠性。

建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系包括以下步骤：

首先，通过钻机执行钻进操作；在钻进过程中，实时获取钻进参数以及此刻的钻孔岩芯；

对所述钻孔岩芯进行试验并根据岩体强度准则获得其对应岩体的力学参数；

建立钻进参数与岩体力学参数的量化对应关系；

其中，所述钻进参数包括：钻进速度以及钻孔孔壁图像；所述钻进速度、钻孔孔壁图像以及所述钻孔岩芯依据采集位置相互对应。

即，确立某一区段岩芯，并将其通过试验获取实验数据的岩体力学参数，而后根据岩体力学强度准则进行数据换算，得到实际岩体力学参数。

并进一步，将此刻的钻进速度、钻孔孔壁图像以及区段进行关联，形成钻进参数与力学参数的关联。其中，力学参数可以是任何可行参数组合；本实施例提供的岩体力学参数组合包括：岩体的弹性模量E_m、粘聚力c及 内摩擦角

所述钻孔孔壁图像包括：钻孔壁360°图像；依据所述钻孔壁360°图像显示的岩壁情况，将所述钻孔岩芯分成区段，并标记。即，通过对图像的分析，具体的将待测试岩体划分成几个不同区段，形成若干个关联集合。

所述钻孔壁360°图像通过数字化处理得到钻孔孔壁的平面展开图和钻孔岩芯图，获得钻孔内岩体裂隙的分布情况，并以此进行区段划分。

进一步地，将标记的区段、钻进速度以及此区段的岩体力学参数进行拟合，获得包含岩体情况、钻进速度以及力学参数的量化关系。

进一步地，在钻进过程中，钻进设备的运行参数设定始终不变；保持标准的统一性，使得采集的钻进参数是在同一标准下获得的，使得钻进参数的采集可靠性大大提高。

采用上述方案进行测量，本实施例还提出了一种装置。

一种深地下工程的岩体力学特性原位钻进测试装置，包括：钻进设备；

钻进测量单元，设置在所述钻进设备上，跟随其动作，获取实时钻进速度及钻进距离；

摄像单元，获取钻孔孔壁图像；

数字处理单元，分别与所述钻进测量单元以及所述钻进摄像单元相连，获取钻进速度、钻进距离以及钻孔孔壁图像；将区段标记存储在所述数字处理单元；

将所述钻进设备收集的钻孔岩芯进行试验，并依据岩体强度准则获得岩体力学参数，存储在所述数字处理单元；

所述数字处理单元将区段的标记、钻进速度以及其力学参数进行拟合。

所述钻进测量单元包括：测速测距传感器；实时记录钻进速度和到原位点的距离。

所述摄像单元包括：钻孔摄像仪；获取钻孔孔壁图像。

所述数字处理单元包括：工控机；实现便捷的人机交流，数据输入以 及拟合分析。

下面将通过一个具体的实施例介绍。

钻孔机组执行在深部地层岩体钻井眼这样的钻孔作业；钻进测量单元测量并采集存储与钻进有关的动态参数。

参见图1和图2，测速测距传感器用以监测测量相对于基准点的钻进尺寸和钻进速度。实时地将测量数据连续存储，根据对实时钻进参数数据的分析生成钻头钻进深度一随时间变化的曲线，钻进速度随深度变化的过程曲线。

需要注意的是，在钻孔的整个过程中，钻机油压等外部参数(钻头上的推进力)的设置应始终保持不变，此条件下得到的钻进参数过程曲线才可用以测试分析沿钻孔的岩体力学特性。

参见图3，利用数字钻孔摄像仪自孔口至孔底获取钻孔壁360°图像，数字化处理后获得岩体裂隙等结构面的分布情况，从而对钻孔全程的岩体结构进行分区。

依据岩性及岩体裂隙度及风化程度，对钻孔沿线的岩体，按照深度进行区段划分，并进行标记。具体来讲，以K代表岩体裂隙度为主要标准进行划分，即是指沿钻孔轴线单位长度上的节理数量作为主要划分标准；也还可以以某些岩性主要参数为指标进行划分。

完整岩体区段的K＝0，疏节理岩体区段K＝1～3·m^-1，密节理岩体区段K＝3～10·m^-1，不含端点3，非常密集节理岩体区段K＞10·m^-1。

通过室内试验获取不同深度钻孔岩芯的力学参数并将其转换成对应区段岩体的力学参数。

参见图4～6，并进一步通过区段多样本拟合获得钻进速度对应的量化曲线关系。

下面结合实例对本发明测试方法做进一步说明。

具体实施例：

本实例对埋深2370m的锦屏二级水电站试验隧洞的岩体结构与力学特性进行原位测试，钻孔孔深35.96m。具体步骤和方法如下：

在钻机机组上安装钻进测量单元，并进行钻进操作。在本实例中，钻机机组为一个液压回转式钻机。钻机钻进时，钻头一边旋转，一边被顶推进入井眼的底端。输出与移动量成正比例的电压信号。

钻进测量单元将所测的模拟电压信号输送至数字处理单元，由工控机对钻进参数数据进行存储与分析。

通过对监测数据的进一步分析处理，产生钻进速度随深度变化的过程曲线。

图1是钻孔15.68～26.36m范围内位移随时间变化的实时曲线，横坐标为钻进的实时时间，纵坐标为钻杆的位移，单位是mm。

图2是钻进速度随孔深变化的全过程曲线。

参见图3，在钻孔内安装数字钻孔摄像仪，通过数字摄像仪获得的钻孔虚拟岩芯和平面展开图，直观显示了裂隙等结构面的产状和宽度。根据不同时间段同部位的测试图像，可进一步获得裂隙等结构面的产生和发展演化特征。

参见图4～6，对采取的部分岩芯进行室内试验获得钻孔全程不同区段的岩体力学特性参数，采用某些岩体强度准则将岩芯的力学参数转换成对应区段岩体的力学参数，从而建立钻速与岩体力学参数之间的定量关系。

综上所述，钻进过程监测系统可以对深部岩体信息进行追踪。根据钻进参数的变化特征并结合钻孔摄像可对深部岩体结构进行准确可靠的判断；根据钻进过程中钻速的变化特征并结合室内岩芯试验可获得钻速与所穿透岩体的力学参数之间的定量关系，在相似的地质及钻进条件下，基于连续监测的钻速参数并结合沿孔壁的钻孔摄像图像，利用此定量关系可以求取连续的、可靠的深部岩体的力学特性参数。该测试方法突出多手段结合，可靠度高，对于深部高地应力岩体结构与力学特性进行综合的评价， 以对深部地下工程设计与施工提供可靠的依据。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。