喬 梁 李曉昭② 鄧龍傳② 熊志勇 張 弛

(①南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023,中國(guó))(②中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,徐州 221116,中國(guó))(③中建二局第四建筑工程有限公司,天津 300457,中國(guó))(④上海隧道工程有限公司,上海 200238,中國(guó))

0 引 言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn),隧道工程逐漸向著大埋深、長(zhǎng)距離發(fā)展,隧道沿線的地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜多變(洪開(kāi)榮,2015,2017)。在復(fù)雜的地形、地貌及地質(zhì)條件下施工,若不能掌握掌子面前方的巖土體條件,很可能遇到軟弱破碎帶、斷層、突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害(李術(shù)才,2008; 郭瑞等,2019)。傳統(tǒng)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有工程地質(zhì)調(diào)查法、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法、物探法和超前取芯鉆探預(yù)測(cè)法等(丁恩保等,1995; 李術(shù)才等,2014)。工程地質(zhì)調(diào)查法操作方便,對(duì)于淺埋深且構(gòu)造條件簡(jiǎn)單的情況下預(yù)測(cè)性較好,但是在構(gòu)造條件復(fù)雜的深埋隧道中,工作難度大,準(zhǔn)確性低(張路青等,2004); 超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確直觀,可預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)但施工成本較高。物探法主要分為地震探測(cè)法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法,地震探測(cè)法可用來(lái)探測(cè)不良地質(zhì)界面效果,預(yù)報(bào)距離長(zhǎng),但對(duì)于地質(zhì)界面不規(guī)則的不連續(xù)體預(yù)測(cè)難度較大(劉志剛等,2003); 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法操作簡(jiǎn)便,探測(cè)效率高,但電磁波信號(hào)容易受到干擾,預(yù)測(cè)距離短(吳俊等,2003; 高陽(yáng)等,2009)。超前取芯鉆探預(yù)測(cè)法獲取的結(jié)果更加可靠,通過(guò)巖芯鑒定能夠準(zhǔn)確把握前方地質(zhì)體的特性,如遇軟弱破碎帶會(huì)發(fā)生取芯困難,難以摸清地質(zhì)情況,而且鉆探成本高,耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)(何成,2010; 楊繼華等,2019)。為綜合多種超前預(yù)報(bào)方法的優(yōu)點(diǎn),高效精準(zhǔn)地獲取掌子面前方地層和巖體質(zhì)量,需要一種結(jié)合鉆機(jī)智能感知、定向鉆進(jìn)功能、取芯功能和物探于一體的超前智能鉆探設(shè)備,對(duì)前方未知地層進(jìn)行綜合性的評(píng)估,追蹤不良構(gòu)造,針對(duì)獲取到的巖芯資料和隨鉆測(cè)試信號(hào)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),精確獲取巖體力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征。

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始使用鉆探測(cè)試技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)地層巖性和巖體質(zhì)量。Honer et al.(1977)使用空氣沖洗旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)行鉆進(jìn)測(cè)試,測(cè)量了地層穿透率,發(fā)現(xiàn)該測(cè)試技術(shù)能夠較準(zhǔn)確解釋地層巖性和質(zhì)量。Gui et al.(1999)研究了儀表化鉆井系統(tǒng)在黏土中鉆進(jìn)測(cè)試的有效性,結(jié)合測(cè)得的鉆井參數(shù)分析了鉆井地區(qū)土壤地層的形成歷史; Fener et al.(2005)通過(guò)對(duì)露天礦等16個(gè)不同工地的不同地層進(jìn)行研究,建立了回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與巖層單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系模型。Mostofi et al.(2011)基于鉆進(jìn)過(guò)程中獲取的鉆進(jìn)速率,鉆頭轉(zhuǎn)速,鉆頭重量和鉆頭扭矩值以及鉆頭常數(shù),建立了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析模型。岳中琦等(2002),岳中琦(2014)基于MWD系統(tǒng)自主研發(fā)了鉆孔過(guò)程數(shù)字監(jiān)測(cè)儀(Drilling process monitoring,DPM),在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)的運(yùn)行過(guò)程,快速有效地獲取轉(zhuǎn)速、壓強(qiáng)和位移等隨鉆參數(shù),能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)和管理提供有效數(shù)據(jù)。譚卓英等(2007,2008)利用鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)化花崗巖地層鉆進(jìn)試驗(yàn),提出了鉆進(jìn)比能、可鉆性指標(biāo)等參數(shù)來(lái)識(shí)別地層界面; 李寧等(2015)結(jié)合回轉(zhuǎn)鉆探和靜力觸探的優(yōu)勢(shì),自主研發(fā)出WCS-50微機(jī)控制旋轉(zhuǎn)觸探儀,并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,推導(dǎo)論證了巖體力學(xué)參數(shù)的計(jì)算公式(宋玲等,2011)。王琦等(2018),高紅科等(2021)研制了多功能真三軸巖體鉆探測(cè)試系統(tǒng),進(jìn)行了三向圍巖作用下不同強(qiáng)度巖體的室內(nèi)數(shù)字鉆探試驗(yàn),結(jié)合自主設(shè)計(jì)的金剛石復(fù)合片鉆頭,推導(dǎo)論證了巖石單軸抗壓強(qiáng)度與隨鉆參數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系。王玉杰等(2020)利用自主研發(fā)的多功能數(shù)字鉆進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),并基于金剛石鉆頭的破巖過(guò)程建立了巖石數(shù)字鉆進(jìn)參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度之間的預(yù)測(cè)模型。Wang et al.(2021)利用現(xiàn)場(chǎng)DPM技術(shù)對(duì)黃土地區(qū)200m深鉆孔監(jiān)測(cè),對(duì)比分析了DPM鉆速值與MWD穿透速率之間的不同。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在鉆孔測(cè)試方面已經(jīng)開(kāi)展了較多研究,隨鉆測(cè)試技術(shù)使鉆探直接獲取地層強(qiáng)度成為可能,但目前為止國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的商業(yè)化鉆孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng),基于隨鉆參數(shù)的巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定沒(méi)有相對(duì)統(tǒng)一的預(yù)測(cè)模型,且依賴于自制鉆頭和鉆機(jī)設(shè)備。岳中琦的鉆孔過(guò)程數(shù)字檢測(cè)儀(DPM)被國(guó)內(nèi)學(xué)者應(yīng)用于巖石可鉆性和地層分界的研究中(陳健等,2011; 曾俊強(qiáng)等,2017; 董方政,2019)。但是DPM監(jiān)測(cè)不到鉆孔過(guò)程中的鉆頭扭矩變化,具有一定的局限性。本文以水泥砂漿為研究對(duì)象,將自主研發(fā)的鉆機(jī)智能感知系統(tǒng)與ZS-100鉆孔取樣機(jī)結(jié)合,通過(guò)設(shè)置不同的鉆進(jìn)參數(shù),分析水泥砂漿與鉆進(jìn)參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系,并建立隨鉆參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度之間的預(yù)測(cè)模型,為超前智能鉆探識(shí)別巖性提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用ZS-100型全自動(dòng)鉆孔取樣機(jī),該取樣機(jī)最大功率為3kW,最大轉(zhuǎn)速1450 r·min-1,可鉆進(jìn)深度最大達(dá)到300mm,可配合多種尺寸的取芯鉆頭進(jìn)行巖石取樣。鉆孔取樣機(jī)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、頂缸系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和固定裝置組成。本次試驗(yàn)采用內(nèi)徑25mm,外徑30mm的表鑲金剛石取芯鉆頭,鉆孔取樣機(jī)上安裝本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的鉆機(jī)智能感知系統(tǒng),可對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程實(shí)時(shí)詳細(xì)監(jiān)測(cè),獲取轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆壓、鉆進(jìn)深度等瞬態(tài)信號(hào),并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鉆機(jī)智能感知系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。傳感器系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速-鉆壓-扭矩傳感器(SPT傳感器)、壓力稱重傳感器、位移傳感器以及油壓傳感器。智能感知系統(tǒng)中各傳感器安裝位置如圖1所示。

圖1 鉆孔取樣機(jī)與智能感知系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)材料

本研究采用的材料為不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿試樣。通過(guò)將水泥、河砂和水按一定配比混合成水泥砂漿,然后注入70.7mm×70.7mm×70.7mm型號(hào)的試樣模具,待水泥砂漿試樣終凝以后脫膜,養(yǎng)護(hù)28d后用于試驗(yàn)。本次試驗(yàn)中每種強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿試樣均制作兩組,每組3個(gè),水泥砂漿配比如表1所示。

表1 不同強(qiáng)度等級(jí)水泥砂漿配比

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同強(qiáng)度的水泥砂漿進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試,之后進(jìn)行鉆機(jī)試驗(yàn)。鉆機(jī)試驗(yàn)中預(yù)先設(shè)置頂缸系統(tǒng)抬升速率為4mm·s-1,設(shè)置鉆頭轉(zhuǎn)速N(300r·min-1、400r·min-1),采用控制鉆頭轉(zhuǎn)速N,監(jiān)測(cè)鉆頭扭矩T、鉆進(jìn)壓力P、鉆進(jìn)速度V的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。試樣取芯鉆進(jìn)試驗(yàn)主要分為3個(gè)階段:鉆進(jìn)準(zhǔn)備階段、鉆進(jìn)巖樣階段和提升鉆頭階段,見(jiàn)圖2。

圖2 隨鉆試驗(yàn)階段

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 智能感知系統(tǒng)測(cè)試分析

通過(guò)鉆機(jī)智能感知系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程中各種隨鉆參數(shù)(鉆進(jìn)扭矩、鉆進(jìn)壓力、鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)位移以及油壓等參數(shù))進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),分析不同階段內(nèi)各個(gè)隨鉆參數(shù)之間的響應(yīng)特征,鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。本節(jié)以M25強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿的鉆進(jìn)試驗(yàn)為例,驗(yàn)證智能感知系統(tǒng)的可行性。

圖3 試驗(yàn)結(jié)束后的試樣及巖芯

該試樣的鉆進(jìn)過(guò)程參數(shù)變化曲線如圖4所示,分析圖中曲線變化可知,各個(gè)隨鉆參數(shù)的曲線變化主要分為鉆進(jìn)階段和提升階段。鉆進(jìn)階段開(kāi)始后鉆頭底部的金剛石接觸并破碎巖石,此時(shí)鉆進(jìn)壓力、底部壓力和扭矩曲線迅速升高,并在后續(xù)的鉆進(jìn)過(guò)程中持續(xù)增大; 從轉(zhuǎn)速曲線中可以看出鉆頭轉(zhuǎn)速在鉆進(jìn)剛開(kāi)始會(huì)略微下降,之后穩(wěn)定在300r·min-1左右; 當(dāng)鉆進(jìn)到最后的10mm時(shí),由于油缸上升行程有限,當(dāng)油缸上升至一定高度后,提升速率會(huì)變慢,油缸油壓由0.2MPa減小為0.1MPa,鉆進(jìn)壓力和扭矩都迅速減小,此時(shí)的鉆進(jìn)位移曲線斜率減小,鉆進(jìn)速率降低; 試樣被鉆穿后進(jìn)入提升階段,油壓瞬間從0.1MPa升為0.8MPa,之后穩(wěn)定在0.6MPa,扭矩和鉆進(jìn)壓力在這個(gè)階段持續(xù)減小,從鉆進(jìn)位移曲線可以看出鉆頭提升速度相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 M25強(qiáng)度等級(jí)砂漿隨鉆參數(shù)變化曲線

從圖4中的鉆進(jìn)壓力曲線和底部壓力曲線可以看出,固定平臺(tái)下方安裝的3個(gè)稱重式壓力傳感器和SPT傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)值大小以及變化情況基本相符,驗(yàn)證了SPT傳感器中鉆進(jìn)壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,為了統(tǒng)一結(jié)果分析中鉆進(jìn)壓力的取值,后續(xù)的鉆進(jìn)壓力均采用后者。

2.2 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)隨鉆參數(shù)的影響

以鉆頭轉(zhuǎn)速為400r·min-1的試驗(yàn)結(jié)果為例,從圖5a中分析可得,鉆頭接觸試樣后,鉆頭底部的金剛石開(kāi)始破碎巖樣,鉆進(jìn)扭矩逐步增大,并且砂漿強(qiáng)度越高,鉆進(jìn)扭矩峰值越高; M20強(qiáng)度試樣開(kāi)始鉆進(jìn)后鉆頭受到的扭矩在3s內(nèi)迅速增大到一個(gè)穩(wěn)定值并在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng); M25強(qiáng)度試樣鉆頭受到的扭矩在鉆進(jìn)開(kāi)始后的5s內(nèi)逐漸增加,扭矩達(dá)到峰值后變化幅度不大; M30強(qiáng)度試樣的鉆進(jìn)過(guò)程中,扭矩先以較慢的速度增大,增大到峰值37.6N·m后減小至25N·m,并穩(wěn)定波動(dòng)。圖5b是M20、M25、M30 這3種強(qiáng)度等級(jí)試樣鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭的平均扭矩值,可以看出砂漿強(qiáng)度等級(jí)越高,鉆進(jìn)扭矩值越大。

圖5 不同強(qiáng)度等級(jí)下鉆進(jìn)扭矩的變化曲線

分析圖6a可以看出,鉆頭接觸到巖樣之后,鉆進(jìn)壓力開(kāi)始逐漸增大,增大到一定數(shù)值之后便穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。水泥砂漿試樣強(qiáng)度等級(jí)越高,鉆進(jìn)壓力的峰值越高,穩(wěn)定波動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng); 圖6b是M20、M25、M30 3種強(qiáng)度等級(jí)試樣的鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭受到的平均鉆進(jìn)壓力值變化曲線,從圖中可以看出,水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)越高,鉆進(jìn)壓力值越大。

圖6 不同強(qiáng)度等級(jí)下鉆進(jìn)壓力的變化曲線

分析圖7a可以看出,砂漿強(qiáng)度等級(jí)越高,穿透巖樣所需要的時(shí)間越長(zhǎng),鉆進(jìn)速率也越小,這是由于砂漿試樣內(nèi)部河砂顆粒之間黏聚力更大,鉆頭表面金剛石更不易斷開(kāi)河砂顆粒之間的膠結(jié)。值得注意的是M20和M25強(qiáng)度的砂漿試樣單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)值相差較小,所以兩者鉆進(jìn)速率相差并不大,而M30強(qiáng)度的砂漿試樣鉆進(jìn)速率較M20強(qiáng)度的砂漿試樣鉆進(jìn)速率下降了7.3%,這表明水泥砂漿強(qiáng)度對(duì)鉆進(jìn)速率的影響顯著。

圖7 不同強(qiáng)度等級(jí)下鉆進(jìn)速率的變化曲線

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)隨鉆參數(shù)的影響

鉆頭轉(zhuǎn)速是非常重要的鉆井參數(shù),不同工況下采用合適的鉆頭轉(zhuǎn)速會(huì)大大提高鉆進(jìn)效率,降低鉆頭的磨損。為了探究不同轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)工況下隨鉆參數(shù)的不同響應(yīng),本節(jié)以強(qiáng)度等級(jí)為M30的水泥砂漿試樣鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果為例,詳細(xì)分析鉆進(jìn)扭矩、鉆進(jìn)壓力、鉆進(jìn)位移、鉆進(jìn)速率等隨鉆參數(shù)與轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)關(guān)系。

從圖8a中可以看出,鉆頭轉(zhuǎn)速在剛接觸到試樣后略微減小,但后續(xù)仍然穩(wěn)定在初始設(shè)定值附近,因此可近似看成按初始轉(zhuǎn)速穩(wěn)定鉆進(jìn)。分析圖8b可知,300r·min-1轉(zhuǎn)速條件下鉆進(jìn)扭矩峰值和平均值均略高于400r·min-1轉(zhuǎn)速條件下的測(cè)試結(jié)果; 300r·min-1下鉆進(jìn)扭矩的波動(dòng)比400r·min-1下鉆進(jìn)扭矩的波動(dòng)變化大,這主要是由于水泥砂漿試樣的不均勻性導(dǎo)致; 圖8c中表明400r·min-1轉(zhuǎn)速條件下的鉆進(jìn)壓力峰值和平均值更高; 分析圖8d可以發(fā)現(xiàn),在試樣鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆進(jìn)速率先以較大值穩(wěn)定,在30s左右降低為較小值直至鉆進(jìn)結(jié)束。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下各隨鉆參數(shù)的變化曲線

2.4 巖芯特性匹配性分析

由于地質(zhì)體的復(fù)雜性和未知性,單純使用不取芯鉆進(jìn)很難準(zhǔn)確獲取地層參數(shù),因此,將隨鉆參數(shù)和巖芯特征結(jié)合起來(lái)(圖9),是一種既方便又準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)手段。本節(jié)將以M20強(qiáng)度等級(jí)的試樣鉆進(jìn)試驗(yàn)為例,分析隨鉆參數(shù)變化情況與巖芯的特性匹配。

圖9 隨鉆參數(shù)變化曲線與巖芯匹配圖

該水泥砂漿試樣在制作過(guò)程中由于過(guò)度振搗導(dǎo)致上部水泥砂漿密度較低從而出現(xiàn)分層現(xiàn)象,根據(jù)巖芯表面狀態(tài)將鉆進(jìn)過(guò)程分為a、b、c 3個(gè)階段,分析圖中不同階段的隨鉆參數(shù)的變化。鉆進(jìn)開(kāi)始后即進(jìn)入a階段,鉆頭底部金剛石開(kāi)始破碎試樣,河砂顆粒在金剛石作用下從原樣剝離,被沖洗液攜帶出鉆孔,試樣頂部可清楚看到有河砂顆粒冒出,此階段鉆進(jìn)扭矩和鉆進(jìn)壓力迅速增大,到達(dá)穩(wěn)定值后小幅度波動(dòng),該階段鉆進(jìn)速率為3.22mm·s-1,a段的巖芯表面略微粗糙,可以看到河砂顆粒分布在巖芯表面; 鉆進(jìn)到b階段以后,鉆進(jìn)扭矩和鉆進(jìn)壓力迅速增大,均在18s附近達(dá)到峰值,之后持續(xù)下降,鉆進(jìn)速率降低為2.39mm·s-1,b段的巖芯表面從上到下呈現(xiàn)從光滑到粗糙的過(guò)程,巖樣表面河砂顆粒分布較少,較為密實(shí); 鉆進(jìn)到c階段,鉆進(jìn)扭矩和鉆進(jìn)壓力較小幅度上下波動(dòng),鉆進(jìn)速率降低為0.66mm·s-1,c段的巖芯表面同a段一樣。

通過(guò)分析巖芯表面特征和隨鉆參數(shù)的變化,可以發(fā)現(xiàn)隨鉆參數(shù)的變化情況與巖芯變化高度匹配,證實(shí)了智能化鉆探監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確性和有效性,為后續(xù)工程實(shí)踐打好堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

2.5 隨鉆參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

常規(guī)獲取巖體單軸抗壓強(qiáng)度的方法耗時(shí)較長(zhǎng),而且取得的巖芯脫離了原本的地應(yīng)力,結(jié)果與真實(shí)值有一定的差距。本次試驗(yàn)基于鉆頭初始轉(zhuǎn)速為400r·min-1,固定平臺(tái)上升速率為4mm·s-1的試驗(yàn)條件,發(fā)現(xiàn)隨鉆參數(shù)變化與試樣的強(qiáng)度影響關(guān)系密切,采用y=a×xb型指數(shù)函數(shù)對(duì)隨鉆參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度Rc進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單軸抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型

分析圖10可知,鉆進(jìn)扭矩隨著試樣單軸抗壓強(qiáng)度的增大而增大,兩者呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系; 分析圖11可知,鉆進(jìn)壓力隨著試樣單軸抗壓強(qiáng)度的增大而增大,兩者也呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系; 圖12中的曲線表明鉆進(jìn)速率隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大而減小,兩者之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系,擬合結(jié)果(式(2))與岳中琦(2014)的關(guān)系式(式(1))相符,表明預(yù)測(cè)結(jié)果具有說(shuō)服性。

圖11 鉆進(jìn)壓力與單軸抗壓強(qiáng)度的擬合曲線

圖12 鉆進(jìn)速率與單軸抗壓強(qiáng)度的擬合曲線

Rc=ae-bVDPM

(1)

式中:a和b為統(tǒng)計(jì)常數(shù),隨鉆機(jī)類型和功效與鉆頭大小和磨損情況的變化而變化。

Rc=6769.93e-2.88V

(2)

式中:V為鉆進(jìn)速率;Rc為單軸抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

本文基于鉆機(jī)智能感知系統(tǒng)鉆機(jī)試驗(yàn),監(jiān)測(cè)鉆孔取樣機(jī)在不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥砂漿試樣的鉆進(jìn)過(guò)程中各隨鉆參數(shù)的響應(yīng)情況,并結(jié)合巖芯進(jìn)行分析,建立了隨鉆參數(shù)與試樣單軸抗壓強(qiáng)度之間的預(yù)測(cè)模型,主要結(jié)論如下:

(1)以M25強(qiáng)度等級(jí)砂漿試樣為例,分析鉆進(jìn)過(guò)程各隨鉆參數(shù)響應(yīng)情況,發(fā)現(xiàn)巖芯表面特征與各階段隨鉆參數(shù)變化情況相匹配,驗(yàn)證了SPT傳感器體積小、功能大、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。

(2)在初始試驗(yàn)條件相同的情況下,水泥砂漿試樣強(qiáng)度等級(jí)與隨鉆參數(shù)的響應(yīng)高度相關(guān),強(qiáng)度等級(jí)越高,鉆進(jìn)速率越低; 鉆頭受到的扭矩和鉆進(jìn)壓力越高; 強(qiáng)度等級(jí)相同的試樣在鉆頭轉(zhuǎn)速為300r·min-1和400r·min-1的工況下,扭矩和鉆進(jìn)壓力平均值接近,隨鉆參數(shù)沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

(3)基于扭矩、鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)速率3個(gè)隨鉆參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,建立了砂漿試樣單軸抗壓強(qiáng)度與隨鉆參數(shù)之間的預(yù)測(cè)模型,通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn),隨鉆參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系。