基于冲击耗能指数定量评价岩石硬度试验研究

摘要

岩石硬度是反映岩层软硬、可钻性和爆破难易程度的重要指标,解译冲击钻进钻具响应信息可为原位、快速、定量评价岩石硬度提供新思路。采用高精度数字型位移、液压和转速传感器监测冲击钻机的关键传动部位,搭建了冲击钻机数字钻进过程监测系统。平行开展岩石硬度测定和冲击钻进正交试验,建立了各类岩石的钻进响应信息标准数据库,深入剖析推进压、冲击压、旋转速度与冲击耗能之间函数关系,并提出利用冲击耗能指数定量评价岩石硬度的方法。研究发现,推进压和冲击耗能呈负相关的线性关系;冲击压和钻进耗能拟合曲线为开口向上抛物线,各种岩石对应曲率半径不尽相同,但对称轴基本一致;钎杆转速对钻进耗能的影响可忽略。通过对单位体积钻进耗能进行无量纲化处理,滤除了冲击钻进机械参数的影响,定义了可用于表征岩石硬度的新指标:冲击耗能指数η,其离散性小且与岩石硬度具有良好的相关性。利用数字传感技术获取和解译常规钻孔的钻进过程响应信息,可在不额外增加勘测或试验工作量情况下测定岩石硬度,为工程现场直接评价岩体参数提出了新途径。