一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法与装置，该方法包括：1.在牙轮钻机上安装各种测量设备；2.调平牙轮钻机；3.在实验场开展钻进实验，获得不同岩性下钻杆各参数之间的对应关系；4.开展室内岩石力学实验获得不同深度处岩体的强度参数；5.建立岩体强度参数与钻杆之间的函数关系；6.根根强度参数，得到可根据钻机工作参数计算施钻位置岩体强度的计算公式；7.在测试区开展随钻测试，利用上述计算公式快速获取不同钻进深度下的岩体强度参数。本发明专利技术通过研究钻杆轴压、钻杆扭矩、转速、钻进速度和岩体强度的定量关系，可以实现在钻进过程中快速准确的获取岩体强度的目的。与传统方法相比，此方法简单易行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于矿山开采和岩土力学
，具体地涉及一种测试岩体强度参数的方法，以及使用该方法的装置。
技术介绍
岩体的力学性质与岩体的可钻性及可爆性密切相关，其既是进行爆破参数合理设计的依据，也是评价该类岩体后续机械破磨难易程度的主要指标。现有的测试岩体力学性质的方法一般包括钻孔取芯法、应力波法和电磁法等。钻孔取芯法是通过钻孔获取岩样，再把岩样制作成试件，通过试验设备测试试件的力学性质。由于地层分布的复杂性，通过有限钻孔获取的岩芯，很难确切判断一定区域的岩体性质；此外，钻孔取芯法无法给出破碎带及厘米级软弱结构层的力学性质。更为主要的，此类方法需要经过取样、加工、测试等环节，无法做到测试分析的实时性，因此无法对爆破参数的优化设计提供快速指导。应力波法是一种无损或微损的岩体力学参数测试方法，该方法主要利用炸药爆炸、高压气体突然释放等产生激振信号。上述振动信号以应力波的形式向岩体内部传播，被岩体内部及表面的振动传感器感知，通过分析各传感器所记录的应力波的到时、幅值、频率等要素，即可获得岩体的力学性质。此类方法虽能直接获得岩体的等效弹性模量等弹性参数，但无法给出岩体的强度参数。电磁法是根据岩体电磁学性质和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的监测和分析，间接反映岩体的性质。此类方法虽能通过电磁场的差异分辨出不同岩性的地层，但却无法给出不同地层的弹性模量、强度等力学参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种测试岩体强度参数的方法，以及使用该方法的装置。在本专利技术一个实施方式中，提供一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法，包括如下步骤：步骤100，在牙轮钻机上安装钻杆进尺实时测量装置，钻杆轴压实时测量装置，钻杆扭矩实时测量装置及钻杆转速实时测量装置；步骤200，选定钻孔位置，调平牙轮钻机，同时开启无线接收装置记录钻进过程中的各个参量；步骤300，在实验场开展钻进实验，获得不同岩性下钻杆轴压、钻杆转速与进尺速度及钻杆扭矩的对应关系；步骤400，对钻孔附近一定范围内不同深度处的岩石进行取样，开展室内岩石力学实验，以获得不同深度处岩体的强度参数；步骤500，借助理论分析，建立岩体强度参数与钻杆轴压、钻杆转速、进尺速度、钻杆扭矩之间的函数关系，该函数关系中包含钻头形状这一待定系数；步骤600，根据步骤300获得的对应关系及步骤400获得的强度参数，求解步骤500中所述的待定系数，得到可根据钻机工作参数计算施钻位置岩体强度的计算公式；步骤700，在测试区开展随钻测试，根据步骤600所获得的计算公式，即可快速获取不同钻进深度下的岩体强度参数。在本专利技术的一个实施方式中，所述钻杆进尺实时测量装置包括激光测距仪和数据无线发射装置。在本专利技术的一个实施方式中，所述钻杆轴压实时测量装置和所述钻杆扭矩实时测量装置分别包括应变片和网络式同步采集仪；所述钻杆转速实时测量装置为转速测量仪或转速探头。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤200中，钻孔位置通过GPS或卷尺进行定位。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤400中的室内实验为单轴压缩实验及三轴实验。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤400中的岩体强度参数包括粘聚力、内摩擦角。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤500中的理论分析步骤为：步骤501，牙轮钻头单齿压入岩体中的应力状态采用半无限空间受法向集中力作用问题的布西内斯科解，引入Drucker-Prager塑性准则，建立压力、粘聚力、内摩擦角和单齿破岩体积之间的函数关系；步骤502，根据钻杆转动一周单齿破岩体积的累积值，和通过进尺计算的破岩总体积相等的原则，先建立单齿破岩体积和牙轮钻宏观工作参数之间的关系，再进一步建立岩体强度和牙轮钻宏观工作参数之间的函数关系。在本专利技术的一个实施方式中，在步骤600中，确定待定系数的方法为曲线拟合法和线性回归法。在本专利技术的一个实施方式中，在步骤600中，所述的计算公式为将岩体强度表述为牙轮钻工作参数的函数，然后通过牙轮钻当前工作参数计算岩体强度。在本专利技术的一个实施方式中，提供一种利用随钻监测技术测试岩体强度的装置，包括提供驱动动力的回转小车，和与所述回转小车连接以在岩土上钻孔的钻杆；在所述回转小车上安装有钻杆进尺实时测量装置，在所述钻杆上安装有钻杆轴压实时测量装置、钻杆扭矩实时测量装置和钻杆转速实时测量装置，以及接收各测量装置监测数据的无线接收装置。本专利技术利用不同性质的岩石在确定的钻杆轴压和转速下钻进过程中反馈的进尺速度及扭矩不同的特点，利用随钻监测技术对岩体的强度参数进行测试。通过研究钻杆轴压、钻杆扭矩、转速、钻进速度和岩体强度的定量关系，可以实现在钻进过程中快速准确的获取岩体强度的目的。与传统方法相比，此方法简单易行，且能实时给出当前钻进深度下岩体的粘聚力、内摩擦角等强度参数。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的利用随钻监测技术测试岩体强度的方法的流程示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的利用随钻监测技术测试岩体强度的装置的结构示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术一个实施方式的利用随钻监测技术测试岩体强度的方法，包括如下步骤：步骤100，在牙轮钻机100上安装钻杆进尺实时测量装置30，钻杆轴压实时测量装置40，钻杆扭矩实时测量装置50，钻杆转速实时测量装置60；其中，钻杆进尺实时测量装置30包括激光测距仪31和数据无线发射设备32，该激光测距仪31和数据无线发射设备32，安装在牙轮钻机100的回转小车10上，安装时保证激光测距仪31和地面垂直。钻杆轴压实时测量装置40包括应变片42和同步采集仪41，该应变片42贴在钻杆20上，并将同步采集仪41固定在钻杆20上，采用全桥接法将应变片42和同步采集仪41相连；具体的同步采集仪41采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪。钻杆扭矩实时测量装置50包括应变片52和同步采集仪51，该应变片52贴在钻杆20上，并将同步采集仪51固定在钻杆20上，采用全桥接法将应变片52和同步采集仪51相连；具体的同步采集仪51采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062T0型24位网络式同步采集仪。钻杆转速实时测量装置60可以是安装在钻杆上的转速测量仪或转速探头，并将其和同步采集仪41、51相连。步骤200，选定钻孔位置，调平牙轮钻机，同时开启记录仪器记录钻进过程中的各个参量。钻孔位置的选择可以通过GPS或卷尺进行定位。在牙轮钻机100工作的同时，开启前述各测量装置，以获取牙轮钻机100工作过程中的各工作参数，通过开启无线接收装置70实时显示各工作参数。调平牙轮钻机100可以保证钻孔的垂直度。步骤300，在实验场开展钻进实验，获得不同岩性下，钻杆轴压、钻杆转速与进尺速度及钻杆扭矩的对应关系；在本步骤中，首先通过改变钻杆轴压及钻杆转速这两个输入量，获得相同地层中进尺速度及钻杆扭矩的不同响应；而后固定钻杆轴压及钻杆转速，获得不同地层中进尺速度及钻杆扭矩的不同响应。步骤400，对钻孔附近一定范围内不同深度处的岩石进行取样，开展室内岩石力学实验获得不同深度处岩体的强度参数。本步骤中的室内实验包括单轴压缩实验及三轴实验，本步骤中的强度参数包括粘聚力及内摩擦角。步骤500，借助理论分析，建立岩体强度参数与钻杆轴压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，在牙轮钻机上安装钻杆进尺实时测量装置，钻杆轴压实时测量装置，钻杆扭矩实时测量装置及钻杆转速实时测量装置；步骤200，选定钻孔位置，调平牙轮钻机，同时开启无线接收装置记录钻进过程中的各个参量；步骤300，在实验场开展钻进实验，获得不同岩性下钻杆轴压、钻杆转速与进尺速度及钻杆扭矩的对应关系；步骤400，对钻孔附近一定范围内不同深度处的岩石进行取样，开展室内岩石力学实验，以获得不同深度处岩体的强度参数；步骤500，借助理论分析，建立岩体强度参数与钻杆轴压、钻杆转速、进尺速度、钻杆扭矩之间的函数关系，该函数关系中包含钻头形状这一待定系数；步骤600，根据步骤300获得的对应关系及步骤400获得的强度参数，求解步骤500中所述的待定系数，得到可根据钻机工作参数计算施钻位置岩体强度的计算公式；步骤700，在测试区开展随钻测试，根据步骤600所获得的计算公式，即可快速获取不同钻进深度下的岩体强度参数。

【技术特征摘要】
1.一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，在牙轮钻机上安装钻杆进尺实时测量装置，钻杆轴压实时测量装置，钻杆扭矩实时测量装置及钻杆转速实时测量装置；步骤200，选定钻孔位置，调平牙轮钻机，同时开启无线接收装置记录钻进过程中的各个参量；步骤300，在实验场开展钻进实验，获得不同岩性下钻杆轴压、钻杆转速与进尺速度及钻杆扭矩的对应关系；步骤400，对钻孔附近一定范围内不同深度处的岩石进行取样，开展室内岩石力学实验，以获得不同深度处岩体的强度参数；步骤500，借助理论分析，建立岩体强度参数与钻杆轴压、钻杆转速、进尺速度、钻杆扭矩之间的函数关系，该函数关系中包含钻头形状这一待定系数；步骤600，根据步骤300获得的对应关系及步骤400获得的强度参数，求解步骤500中所述的待定系数，得到可根据钻机工作参数计算施钻位置岩体强度的计算公式；步骤700，在测试区开展随钻测试，根据步骤600所获得的计算公式，即可快速获取不同钻进深度下的岩体强度参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钻杆进尺实时测量装置包括激光测距仪和数据无线发射装置。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钻杆轴压实时测量装置和所述钻杆扭矩实时测量装置分别包括应变片和网络式同步采集仪；所述钻杆转速实时测量装置为转速测量仪或转速探头。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤200中，钻孔位置通...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世海，冯春，郭汝坤，乔继延，郑炳旭，李战军，崔晓荣，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11