岩石力学参数数字钻探快速预测技术研究

摘要

地下工程中围岩力学参数的测试是确定支护参数、围岩分级、分析围岩稳定性的基础，其中主要的岩石力学参数包括粘聚力和内摩擦角（以下简称c、ψ参数）以及单轴抗压强度UCS。室内岩石力学试验为测定上述参数的主要方式，但存在周期长、成本高、无法及时指导现场等问题。且还没有一种可以同时快速测定单轴抗压强度和c、ψ参数等岩石力学参数的现场测试仪器。
　　为解决上述难题，提出基于数字钻探测试技术快速预测岩石力学参数的方法，实现该方法的关键在于研发数字钻探测试仪器，并建立具有普适性的随钻参数与岩石力学参数定量关系，本文结合室内仪器研发、理论分析和室内试验进行了以下研究。
　　(1)明确了随钻参数与岩石力学参数的响应规律
　　研发室内岩体数字钻探测试系统，开展了不同随钻参数控制方案下的花岗岩、砂岩和砂浆等类型岩石的数字钻探试验，明确了随钻参数随钻进深度的变化规律以及随钻参数与岩石强度参数的响应规律。
　　在常用的恒转速-钻进速率模式下，扭矩M和推进力F为监测值，随钻进深度的增加，M和F变化曲线可分为上升阶段和稳定阶段，M和F在稳定阶段小幅度上下波动，这可能因岩石材料的非均质性所致;
　　在同种岩石条件下，扭矩M和推进力F随钻进速率V的增大而增大，随转速N的增大而减小;在相同转速N和钻进速率V下，扭矩M和推进力F随岩石强度的增大而增大。
　　(2)基于滑移线的岩石切削力学模型及其在c、ψ参数反演中的应用
　　根据岩石切削破碎特征，建立一种不预设破坏面的岩石切削力学模型，基于滑移线理论推导了岩石的极限切削荷载，得到了随钻参数与c、ψ参数关系式，最终形成岩石c、ψ参数数字钻探测定方法。
　　利用室内岩体数字钻探测试系统钻进花岗岩试件，将得到的随钻数据与理论分析结果对比，两者平均差异率为9.08％，验证了岩石切削力学模型以及随钻参数与岩石c、ψ参数关系模型的合理性和有效性。
　　花岗岩各方案下岩石c、ψ参数数字钻探测定方法与三轴方法得到的内摩擦角平均差异率ξψ=4.27％，粘聚力的ξc=8.33％，证明了本文提出的岩石c、ψ参数数字钻探测定方法的有效性和可行性。
　　理论分析表明，极限切削荷载会随极限切削荷载倾角、切削刃后倾角、粘聚力或内摩擦角的增大而增大，在保持内摩擦角不变时，岩石极限切削荷载与粘聚力呈线性响应。
　　(3)岩石力学参数数字钻探快速预测方法
　　首先基于ε-SVR方法建立了随钻参数与单轴抗压强度的关系模型，提出了基于数字钻探测试技术预测岩石单轴抗压强度的方法，结合第3章提出的岩石c、ψ参数数字钻探测定方法，提出岩石力学参数数字钻探快速预测方法，该方法不需要其他试验的参与，可同时对地下工程围岩单轴抗压强度和c、ψ参数快速测定，实现了岩石力学参数的“随钻随测，准确全面”测定。
　　通过建立数字钻探过程中钻进速率V、转速N、扭矩M、推进力F和极限切削荷载q等5个物理参量与岩石单轴抗压强度的定量关系，基于数字钻探测试技术可有效实现对岩石单轴抗压强度的准确预测。
　　砂岩各方案下岩石力学参数数字钻探快速预测方法与三轴压缩试验方法得到的内摩擦角平均绝对误差MAE为1.86°，粘聚力的MAE为3.35MPa，证明了本文提出的岩石力学参数数字钻探快速预测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 岩石力学参数测试技术研究

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 主要研究内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 主要创新点

2．1 研发背景

2．2 研发目标

2．3 室内岩体数字钻探测试系统基本结构

2．4 不同控制模式岩体数字钻探测试试验

2．4．1 恒转速-钻进速率模式

2．4．2 恒转速-推进力模式

2．5 随钻参数与岩石强度参数响应关系

2．6 本章小节

第3章 基于滑移线的岩石切削力学模型及其在c、φ参数反演中的应用

3．1 问题的引出

3．2 岩石切削理论分析

3．2．1 理论基础和基本假设

3．2．2 滑移线基本方程与本文方向规定

3．2．3 应力边界条件

3．2．4 岩石的极限切削荷载q求解

3．3 随钻参数与岩石c、φ参数的关系

3．3．1 钻头扭矩M求解

3．3．2 推进力F求解

3．3．3 随钻参数与岩石c、φ参数关系模型

3．4 室内试验验证

3．4．1 试验仪器和试验材料

3．4．2 试验方案设计

3．4．3 试验结果与理论计算对比

3．5 不同因素对岩石极限切削荷载q的影响

3．5．2 切削刃后倾角κ对极限切削荷载q的影响

3．5．3 粘聚力c和内摩擦角φ对岩石极限切削荷载q的影响

3．6 岩石c、φ参数数字钻探测定方法

3．6．1 方法的提出

3．6．2 方法的验证

3．7 本章小节

第4章 岩石力学参数数字钻探快速预测方法

4．1 基于数字钻探预测岩石单轴抗压强度的方法

4．1．1 问题的引出

4．1．2 ε-SVR基本原理及模型评价指标

4．1．3 数字钻探测试试验

4．1．4 基于ε-SVR的随钻参数与单轴抗压强度关系模型

4．2 岩石力学参数数字钻探快速预测方法

4．2．1 问题的引出

4．2．2 岩石力学参数数字钻探快速预测方法

4．3 本章小节

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间参于科研项目

在读期间发表的论文

在读期间申请的专利

在读期间获得的奖励