王琦教授：巖體力學(xué)參數(shù)旋切鉆進測試方法研究進展

創(chuàng)新點

（1）建立了地質(zhì)解析鉆頭與錨桿解析鉆頭的巖體旋切鉆進力學(xué)分析模型，得到了巖體切削強度與切削能量理論解，形成了巖體力學(xué)參數(shù)隨鉆反演理論。

（2）研發(fā)了真三軸巖體數(shù)字鉆進試驗系統(tǒng)（TRD系統(tǒng)）、高精度巖體智能旋切試驗系統(tǒng)（RCT系統(tǒng)），以及智能地質(zhì)隨鉆探測系統(tǒng)（IDE系統(tǒng)）等成套室內(nèi)與現(xiàn)場隨鉆測試裝備。

（3）建立了巖體力學(xué)參數(shù)隨鉆原位探測方法，實現(xiàn)了基于隨鉆多元信息的巖體力學(xué)參數(shù)實時探測與評價。未來將基于礦山現(xiàn)場隨鉆探測大數(shù)據(jù)，優(yōu)化現(xiàn)場原位測試裝備與分析軟件，實現(xiàn)礦山巷道圍巖性質(zhì)的原位實時智能感知。

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巖體力學(xué)參數(shù)旋切鉆進測試方法研究進展

作者：王琦, 高紅科, 馮帆

單位：1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 隧道工程災(zāi)變防控與智能建養(yǎng)全國重點實驗室；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與土木工程學(xué)院；3. 冀凱河北機電科技有限公司

引用格式：

王琦，高紅科，馮帆. 巖體力學(xué)參數(shù)旋切鉆進測試方法研究進展[J]. 綠色礦山，2024，2(4)：333?343. WANG Qi， GAO Hongke， FENG Fan. Research progress on rotary cutting drilling testing method for rock mechanics parameters[J]. Journal of Green Mine，2024，2(4)：333?343.

摘要

巖體力學(xué)參數(shù)的準確獲取是礦山巷道圍巖穩(wěn)定性分析與支護設(shè)計的前提，傳統(tǒng)采用圍巖取心進行實驗室測試的方法，難以適應(yīng)煤礦深部開采與智能化發(fā)展對巖體力學(xué)參數(shù)獲取的時效性要求。數(shù)字鉆進測試技術(shù)是一種利用鉆孔過程中實時監(jiān)測的鉆速、轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭矩等隨鉆參數(shù)對巖體力學(xué)參數(shù)進行反分析的方法，該方法為實現(xiàn)巷道現(xiàn)場圍巖力學(xué)參數(shù)的原位實時獲取提供了新途徑，其關(guān)鍵在于建立隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系，并研發(fā)與隨鉆測試理論相匹配的智能鉆進設(shè)備。設(shè)計研發(fā)了數(shù)字解析鉆頭，得到了基于旋切鉆進參數(shù)的巖體切削強度與切削能量理論解，建立了巖體抗壓強度與彈性模量隨鉆反演模型。研發(fā)了真三軸巖體數(shù)字鉆進試驗系統(tǒng)(TRD系統(tǒng))和高精度巖體智能旋切試驗系統(tǒng)(RCT系統(tǒng))，開展了系列巖體數(shù)字鉆進試驗。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了智能地質(zhì)隨鉆探測系統(tǒng)(IDE系統(tǒng))，建立了巷道圍巖力學(xué)參數(shù)隨鉆原位探測方法。研究成果為巷道圍巖原位實時智能感知提供了理論與技術(shù)支撐。

引言

巖體力學(xué)參數(shù)是礦山巷道圍巖變形破壞機理研究的基礎(chǔ)，其準確獲取是圍巖穩(wěn)定性分析和支護設(shè)計優(yōu)化的前提，對圍巖安全控制至關(guān)重要。目前主要通過對現(xiàn)場圍巖取心運送到實驗室進行單軸、三軸壓縮測試，測試周期長，且難以獲得現(xiàn)場實際環(huán)境下的巖體力學(xué)參數(shù)。隨著煤礦開采向深部發(fā)展，地質(zhì)條件越趨復(fù)雜，同時國家大力推進煤礦智能化建設(shè)，上述傳統(tǒng)采用圍巖取心進行實驗室測試的方法，難以適應(yīng)煤礦深部開采與智能化發(fā)展對巖體力學(xué)參數(shù)獲取的時效性要求。

數(shù)字鉆進測試技術(shù)是一種利用鉆孔過程中實時監(jiān)測的鉆速、轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭矩等隨鉆參數(shù)對巖體力學(xué)參數(shù)進行反分析的方法。該方法為實現(xiàn)巷道現(xiàn)場圍巖力學(xué)參數(shù)的原位實時獲取提供了新途徑，并逐漸成為熱點研究方向。隨鉆測試技術(shù)于1911年首次在石油勘探和開采行業(yè)應(yīng)用，是石油開發(fā)、地質(zhì)、采礦等領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。部分學(xué)者在隨鉆測試理論方面開展了研究，其中最為典型的是Teale于1964年定義了比能參數(shù)，并通過試驗研究了旋切鉆進與沖擊鉆進過程中鉆進比能與巖體強度的相關(guān)性，為后來隨鉆測試理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨鉆測試技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于建立隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系，并研發(fā)與隨鉆測試理論相匹配的智能鉆進設(shè)備。

隨著我國地下工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，部分學(xué)者通過研發(fā)隨鉆測試裝備，研究隨鉆測試理論，并實現(xiàn)了隨鉆測試技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用。岳中琦團隊研發(fā)了一種能夠自動、連續(xù)記錄和監(jiān)測鉆機鉆孔過程中鉆進數(shù)據(jù)的鉆孔過程數(shù)字監(jiān)測儀(DPM)，并將其應(yīng)用到邊坡地質(zhì)勘探等領(lǐng)域；基于DPM開展了巖體可鉆性評價、巖性識別等大量工作，并建立了智能鉆進地層實時識別與分級理論。李寧團隊基于自主研制的WCS?50型微機控制旋轉(zhuǎn)觸探儀，研究了觸探參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，并研發(fā)了XCY?1型巖體力學(xué)參數(shù)旋切觸探儀，在水利隧洞等工程中對巖層界面進行了有效識別。岳中文團隊基于自主研發(fā)的隨鉆測試系統(tǒng)，開展了巖體室內(nèi)鉆進試驗，研究了隨鉆參數(shù)對巖層界面等的響應(yīng)規(guī)律。王玉杰團隊研發(fā)了地質(zhì)鉆機數(shù)字鉆進監(jiān)測系統(tǒng)，在水庫壩體等水利工程中進行了應(yīng)用。上述研究主要集中于隧道、邊坡工程領(lǐng)域，為巖體力學(xué)參數(shù)的原位隨鉆測試提供了理論與設(shè)備基礎(chǔ)。巷道圍巖隨鉆測試理論與裝備的深入研究對于深部煤礦安全開采與智能化發(fā)展具有重要意義，煤礦巷道圍巖智能隨鉆探測也是巖體測試領(lǐng)域的重要研究方向。

筆者團隊基于自主設(shè)計研發(fā)的數(shù)字解析鉆頭，建立巖體解析鉆進切削力學(xué)分析模型，基于力法和能量法得到巖體切削強度和切削能量理論解，建立隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系模型。利用研發(fā)的成套室內(nèi)鉆進試驗系統(tǒng)，開展系列巖體力學(xué)參數(shù)隨鉆測試試驗，驗證隨鉆測試理論的有效性。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)現(xiàn)場原位測試裝備，建立巷道圍巖力學(xué)參數(shù)隨鉆原位探測方法，為煤礦巷道原位智能隨鉆測試與實時評價提供理論和技術(shù)支撐。

部分圖片

圖 1 數(shù)字解析鉆進切削示意

圖 2 解析鉆頭巖體切削力學(xué)模型

圖 3 巖體室內(nèi)鉆進試驗系統(tǒng)

圖4 巖體抗壓強度與巖體切削強度關(guān)系

圖 5 _ec的對比

圖 6 巖體彈性模量與切削能密度散點圖

圖 7 _eq測試結(jié)果對比

圖 8 智能地質(zhì)隨鉆探測系統(tǒng)

圖 9 等效抗壓強度隨鉆深變化曲線

圖 10 _ec結(jié)果對比

作者簡介

王琦（1983—），男，山東臨沂人，長江學(xué)者特聘教授。中國青年科技獎、國際巖石力學(xué)學(xué)會優(yōu)秀青年巖石工程獎（年度唯一）獲得者，全球前2%頂尖科學(xué)家、愛思唯爾中國高被引學(xué)者。兼任國家重點研發(fā)計劃重點專項指南編寫組專家和總體組專家、國際巖石力學(xué)學(xué)會軟巖專業(yè)委員會副主席、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會副秘書長、采礦巖石力學(xué)分會黨組組長、副理事長、軟巖工程分會副理事長等職務(wù)。

研究方向

復(fù)雜條件地下工程圍巖控制理論與技術(shù)研究

主要成果

主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合重點基金、山東省杰出青年基金，以及企事業(yè)委托重點項目等36項。第一發(fā)明人授權(quán)國家發(fā)明專利103項，第一/通訊作者發(fā)表SCI/EI收錄論文110篇；主編/參編行業(yè)、團體標準3部。獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎、中國專利金獎、教育部科技進步一等獎、山東省科技進步一等獎、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科技進步一等獎等國家與省部級獎勵15項。

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨宮在芹

編輯丨李莎

審核丨常明然

期刊簡介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運而生?！毒G色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟政策與評價等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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