基于数字钻探测试技术的岩石力学参数测定方法研究

摘要

近年来，我国地下工程建设速度和建设规模得到了空前发展，相应的复杂条件地下工程逐年增加，对围岩稳定性控制以及施工安全造成了极大的挑战。针对现场围岩体结构及力学参数进行快速、有效预测是进行地下工程合理支护设计，保证地下工程安全、高效施工的前提，因此发展针对岩石力学参数进行快速有效测定的方法显得尤为重要。而目前存在的对岩石单轴抗压强度(UCS)、粘聚力c、内摩擦角φ等岩石力学参数进行测试的方法，普遍存在过程繁琐、周期长、成本高、测试滞后、应用范围局限等不足，因此亟需建立一种针对现场围岩体结构及力学参数进行快速有效预测的方法。基于此，本文围绕岩石力学参数的快速测定方法，通过力学分析及数学统计方法，结合室内岩石钻进试验开展相关研究，并取得了以下成果:
　　(1)随钻参数之间及随钻参数与岩石力学参数之间的相关性研究
　　自主研发了多功能数字钻探试验系统，研制了新型聚晶金刚石复合片钻头，开展了花岗岩、石灰岩、砂岩以及砂浆试件的钻进试验，揭示了岩石钻进过程中随钻参数之间以及随钻参数与岩石力学参数之间的相关性，并验证了数字钻探试验系统结构的合理性和有效性。
　　岩石钻进过程中，随钻参数之间以及随钻参数与岩石力学参数之间均具有显著的相关性。随着钻进速度的增大，钻进扭矩与钻进压力均呈逐渐增大的非线性变化趋势，增大速度逐渐加快;随着转速的增大，钻进扭矩及钻进压力均呈逐渐减小的非线性变化趋势，减小速度明显减慢。
　　(2)基于数字钻探的岩石UCS测定方法
　　基于能量分析法推导了岩石单位切削能ηc，通过数字钻探试验系统开展了岩石室内钻进试验和单轴压缩试验，获取了不同强度岩石试件的随钻参数与力学参数。在此基础上，利用SVM方法建立了随钻参数与岩石UCS的关系模型，通过岩石钻进试验评价了基于SVM方法建立的随钻参数与UCS关系模型的表现性能，形成了基于数字钻探的岩石UCS测定方法。
　　岩石钻进试验与单轴压缩试验对比分析表明，验证集中关系模型预测的UCS和单轴压缩试验测得的UCS比较接近，证明基于SVM方法建立的随钻参数与UCS关系模型在岩石UCS预测方面取得了较好的效果，也为建立具有普适性的随钻参数与UCS关系模型提供了新的思路。
　　(3)基于数字钻探的岩石c-φ参数测定方法
　　考虑岩石切削破坏特征，提出了岩石切削上限法分析力学模型，基于虚功原理推导了岩石的极限切削力，建立了随钻参数与岩石c-φ参数关系式。系统开展了不同方案下石灰岩试件的钻进试验，对比分析钻进试验的随钻参数与理论计算的对应参数，石灰岩各方案平均差异率ξ均低于10％，验证了随钻参数与岩石c-φ参数关系式的合理性和有效性。
　　基于建立的随钻参数与岩石c-φ参数关系式，结合得到的岩石UCS数字钻探测定方法，提出了岩石c-φ参数的数字钻探测定方法。该方法操作简单，可同时对地下工程岩石UCS和c-φ参数进行快速、有效测定，实现了岩石力学参数的“随钻随测，准确全面”。
　　通过对数字钻探测定方法与传统三轴压缩试验方法测定的岩石力学参数进行对比分析，验证了本文提出的岩石c-φ参数数字测定方法的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩石力学参数常规获取方法

1．2．2 数字钻探测试仪器研究现状

1．2．3 随钻参数与岩石力学参数定量关系研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 创新点

第2章 岩石室内数字钻探试验

2．1 多功能数字钻探试验系统

2．1．1 研发背景

2．1．2 系统概况

2．2 试验方法与步骤

2．3 岩石钻进试验研究

2．3．1 特制钻头研制

2．3．2 试验方案

2．3．3 随钻参数之间的相关性分析

2．4 本章小结

第3章 岩石UCS的数字钻探测定技术

3．1 岩石切削能量分析

3．2 数字钻探试验研究

3．2．1 方案设计

3．2．2 试验开展

3．2．3 试验结果

3．3 随钻参数与UCS关系

3．3．1 SVM非线性回归原理

3．3．2 随钻参数与UCS关系模型建立

3．3．3 随钻参数与UCS关系模型评价

3．4 本章小结

第4章 岩石c-φ参数的数字钻探测定技术

4．1 岩石切削理论分析

4．1．1 岩石切削机理和理论基本假设

4．1．2 岩石极限切削力分析

4．2 随钻参数与岩石c-φ参数的关系

4．2．1 钻头扭矩M求解

4．2．2 钻进压力F求解

4．2．3 随钻参数与岩石c-φ参数关系式

4．3 室内试验验证

4．3．1 试验材料

4．3．2 试验方案

4．3．3 试验结果及理论计算对比分析

4．4 岩石c-φ参数数字钻探测定方法

4．4．1 方法提出

4．4．2 方法验证

4．5 本章小结

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间参与的科研项目

在读期间获得的奖励

在读期间发表的论文