王琦教授：岩体力学参数旋切钻进测试方法研究进展

岩体力学参数旋切钻进测试方法研究进展

作者：王琦, 高红科, 冯帆

单位：1. 中国矿业大学(北京) 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室；2. 中国矿业大学(北京) 力学与土木工程学院；3. 冀凯河北机电科技有限公司

引用格式：

王琦，高红科，冯帆. 岩体力学参数旋切钻进测试方法研究进展[J]. 绿色矿山，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

岩体力学参数的准确获取是矿山巷道围岩稳定性分析与支护设计的前提，传统采用围岩取心进行实验室测试的方法，难以适应煤矿深部开采与智能化发展对岩体力学参数获取的时效性要求。数字钻进测试技术是一种利用钻孔过程中实时监测的钻速、转速、钻压、扭矩等随钻参数对岩体力学参数进行反分析的方法，该方法为实现巷道现场围岩力学参数的原位实时获取提供了新途径，其关键在于建立随钻参数与岩体力学参数的定量关系，并研发与随钻测试理论相匹配的智能钻进设备。设计研发了数字解析钻头，得到了基于旋切钻进参数的岩体切削强度与切削能量理论解，建立了岩体抗压强度与弹性模量随钻反演模型。研发了真三轴岩体数字钻进试验系统(TRD系统)和高精度岩体智能旋切试验系统(RCT系统)，开展了系列岩体数字钻进试验。在此基础上，研发了智能地质随钻探测系统(IDE系统)，建立了巷道围岩力学参数随钻原位探测方法。研究成果为巷道围岩原位实时智能感知提供了理论与技术支撑。

引言

岩体力学参数是矿山巷道围岩变形破坏机理研究的基础，其准确获取是围岩稳定性分析和支护设计优化的前提，对围岩安全控制至关重要。目前主要通过对现场围岩取心运送到实验室进行单轴、三轴压缩测试，测试周期长，且难以获得现场实际环境下的岩体力学参数。随着煤矿开采向深部发展，地质条件越趋复杂，同时国家大力推进煤矿智能化建设，上述传统采用围岩取心进行实验室测试的方法，难以适应煤矿深部开采与智能化发展对岩体力学参数获取的时效性要求。

数字钻进测试技术是一种利用钻孔过程中实时监测的钻速、转速、钻压、扭矩等随钻参数对岩体力学参数进行反分析的方法。该方法为实现巷道现场围岩力学参数的原位实时获取提供了新途径，并逐渐成为热点研究方向。随钻测试技术于1911年首次在石油勘探和开采行业应用，是石油开发、地质、采矿等领域的重要技术手段。部分学者在随钻测试理论方面开展了研究，其中最为典型的是Teale于1964年定义了比能参数，并通过试验研究了旋切钻进与冲击钻进过程中钻进比能与岩体强度的相关性，为后来随钻测试理论的发展奠定了基础。随钻测试技术应用的关键在于建立随钻参数与岩体力学参数的定量关系，并研发与随钻测试理论相匹配的智能钻进设备。

随着我国地下工程领域的迅速发展，部分学者通过研发随钻测试装备，研究随钻测试理论，并实现了随钻测试技术在工程建设中的应用。岳中琦团队研发了一种能够自动、连续记录和监测钻机钻孔过程中钻进数据的钻孔过程数字监测仪(DPM)，并将其应用到边坡地质勘探等领域；基于DPM开展了岩体可钻性评价、岩性识别等大量工作，并建立了智能钻进地层实时识别与分级理论。李宁团队基于自主研制的WCS−50型微机控制旋转触探仪，研究了触探参数与岩体力学参数的关系，并研发了XCY−1型岩体力学参数旋切触探仪，在水利隧洞等工程中对岩层界面进行了有效识别。岳中文团队基于自主研发的随钻测试系统，开展了岩体室内钻进试验，研究了随钻参数对岩层界面等的响应规律。王玉杰团队研发了地质钻机数字钻进监测系统，在水库坝体等水利工程中进行了应用。上述研究主要集中于隧道、边坡工程领域，为岩体力学参数的原位随钻测试提供了理论与设备基础。巷道围岩随钻测试理论与装备的深入研究对于深部煤矿安全开采与智能化发展具有重要意义，煤矿巷道围岩智能随钻探测也是岩体测试领域的重要研究方向。

笔者团队基于自主设计研发的数字解析钻头，建立岩体解析钻进切削力学分析模型，基于力法和能量法得到岩体切削强度和切削能量理论解，建立随钻参数与岩体力学参数之间的定量关系模型。利用研发的成套室内钻进试验系统，开展系列岩体力学参数随钻测试试验，验证随钻测试理论的有效性。在此基础上，研发现场原位测试装备，建立巷道围岩力学参数随钻原位探测方法，为煤矿巷道原位智能随钻测试与实时评价提供理论和技术支撑。

部分图片

图 1 数字解析钻进切削示意

图 2 解析钻头岩体切削力学模型

图 3 岩体室内钻进试验系统

图4 岩体抗压强度与岩体切削强度关系

图 5 _ec的对比

图 6 岩体弹性模量与切削能密度散点图

图 7 _eq测试结果对比

图 8 智能地质随钻探测系统

图 9 等效抗压强度随钻深变化曲线

图 10 _ec结果对比

作者简介

王琦（1983—），男，山东临沂人，长江学者特聘教授。中国青年科技奖、国际岩石力学学会优秀青年岩石工程奖（年度唯一）获得者，全球前2%顶尖科学家、爱思唯尔中国高被引学者。兼任国家重点研发计划重点专项指南编写组专家和总体组专家、国际岩石力学学会软岩专业委员会副主席、中国岩石力学与工程学会副秘书长、采矿岩石力学分会党组组长、副理事长、软岩工程分会副理事长等职务。

研究方向

复杂条件地下工程围岩控制理论与技术研究

主要成果

主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金区域联合重点基金、山东省杰出青年基金，以及企事业委托重点项目等36项。第一发明人授权国家发明专利103项，第一/通讯作者发表SCI/EI收录论文110篇；主编/参编行业、团体标准3部。获得国家技术发明二等奖、中国专利金奖、教育部科技进步一等奖、山东省科技进步一等奖、中国岩石力学与工程学会科技进步一等奖等国家与省部级奖励15项。

煤科总院出版传媒集团成立于2015年，拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。