基于数字钻进技术的岩石强度参数测定试验研究

王玉杰; 佘磊; 赵宇飞; 曹瑞琅

doi:10.11779/CJGE202009010

基于数字钻进技术的岩石强度参数测定试验研究 English Version

王玉杰^1,,
佘磊^{1, 2, 3, ,},
赵宇飞¹,
曹瑞琅¹

1.
中国水利水电科学研究院岩土工程研究所,北京　100048
2.
省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室（西安理工大学）,陕西　西安　710048
3.
天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津　300072

基金项目:

国家重点研发计划项目 2016YFC0401801

国家自然科学基金项目 51709282

国家自然科学基金项目 51674058

中国水科院科研专项项目 GE0145B542017

中国水科院科研专项项目 GE0145B092020

详细信息

作者简介:
王玉杰(1974—),男,博士,教授级高级工程师,主要从事岩石力学理论与实验等方面的研究工作。E-mail：wangyj@iwhr.com

通讯作者:
佘磊, E-mail：shelei187@163.com

中图分类号: TU452
计量
- 文章访问数: 354
- HTML全文浏览量: 56
- PDF下载量: 198
出版历程
- 收稿日期: 2019-11-10
- 网络出版日期: 2022-12-07
- 刊出日期: 2020-08-31

Experimental study on measurement of rock strength parameters based on digital drilling technology

WANG Yu-jie^1,,
SHE Lei^{1, 2, 3, ,},
ZHAO Yu-fei¹,
CAO Rui-lang¹

1.
Department of Geotechnical Engineering, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China
2.
State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China (Xi'an University of Technology), Xi'an 710048, China
3.
State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China

摘要

摘要: 快速准确地超前获取岩体力学参数是指导岩体工程安全施工的重要前提。利用自主研发的多功能数字钻进测试系统,进行了不同强度等级完整试样的室内数字钻进试验及单轴压缩试验研究。根据试验分析结果,基于岩石研磨钻进过程中金刚石钻头的受力特点,利用力学极限平衡与能量守恒原理,定义并推导出了岩石单位体积研磨能的理论解,获得了数字钻进参数与岩石单位体积研磨能的数学方程式,进而建立了岩石数字钻进参数与单轴抗压强度的定量关系,即RDP-R_c预测模型,并进一步验证了该模型的可行性与有效性。研究方法与结果可以为工程岩体强度参数的实时原位测定提供一种新的途径。
- 单轴抗压强度 /
- 数字钻进技术 /
- 钻进参数 /
- 单位体积研磨能 /
- 测定方法
Abstract: Quick and accurate advance acquisition of mechanical parameters of rock mass is an important prerequisite for guiding the safe construction of rock mass engineering. Using the self-developed multi-functional digital drilling test system, the indoor digital drilling tests and uniaxial compression tests on complete samples with different strength grades are carried out. Based on the test results and according to the stress characteristics of diamond bit in rock grinding drilling process, the theoretical solution to the rock grinding energy per unit volume is defined and deduced by using the force limit equilibrium and the energy conservation principle. The mathematical equation for digital drilling parameters and grinding energy per unit volume of rock is obtained, and the quantitative relationship between rock digital drilling parameters and uniaxial compressive strength is established, namely RDP-R_c prediction model, and the feasibility and validity of the model are further verified. The research methods and results can provide a new way for the real-time in-situ measurement of strength parameters of rock mass.
- uniaxial compressive strength /
- digital drilling technology /
- drilling parameter /
- grinding energy per unit volume /
- determination method

HTML全文

0. 引言

钻孔是岩土工程领域重要的勘探手段。如何快速、准确地超前获取岩土体力学参数是指导岩土工程安全施工的重要前提^[1]。行业内通常的做法是通过现场钻孔取芯运输至实验室直接进行相应的单轴或三轴试验,得到岩体的强度特征^[2]。此外,利用间接的测试方法,如钻孔声波、钻孔压水、钻孔弹性模量、跨孔CT等方法也能够了解钻孔周围岩体的力学特性^[3]。但这些原位测试手段都是通过间接的手段来了解岩土体的物理力性能,并存在周期长、成本高、测量滞后等问题,无法实现岩体力学参数的真正实时原位测试^[4]。事实上,钻孔勘探就是在岩土体内部进行的一种原位剪切和扭转试验,通过记录和分析钻孔过程产生的大量钻进信息,可以有效地掌握钻孔周围岩土体的物理力学特性。然而,目前工程勘探中的钻孔更多地是为了施工需求,没有充分地利用钻进参数去评价岩体的工程力学特性。

数字钻进测试技术^[5]是一种高效的原位测试方法,能够全面、连续和准确地实时获取岩体钻进过程中的转速、扭矩、钻进压力与钻进速度等随钻参数信息,已成为了国内外学者的重点研究对象。最早Gui等^[6]利用MWD监测数据,进行了地质勘察中的界面识别与地层质量划分。随后Sugawara等^[7]和Yue等^[8]通过改进MWD（measure while drilling）,研发了钻孔全过程监测仪（drilling process monitoring,DPM）,得到了同一型号钻机在连续介质中进行钻孔,钻进速度是常数的结论。谭卓英等^[9-10]基于不同花岗岩地基的DPM钻进试验结果,建立了钻进比功参数与岩层分区、岩石风化程度之间的相互关系,并利用钻进参数对围岩进行识别与分级。与此同时,大量的现场和室内数字钻进测试研究结果表明^[11-12],岩石钻进过程中的随钻参数与其力学参数具有密切的相关性。He等^[13]通过现场“XCY-1”岩体力学参数触探仪,建立了旋切触探过程中随钻参数与岩体力学参数的数学关系,实现了部分土体与软岩力学参数的测定。Huang等^[14]和Mostofi等^[15]根据现场和室内试验数据结果得到了随钻参数与岩石单轴抗压强度的经验公式。Kalantari等^[16]利用阻力极限平衡分析模型,通过钻进参数对岩石单轴抗压强度进行了估算。Wang等^[4]提出单位切削能,得到了随钻参数与岩石强度特性之间的数学关系式。

实际上,上述研究进展的核心思想首先是确定钻进速度,再在此基础上探讨钻进参数与岩土体力学特性之间的相关关系。岳中琦^[17]首次改进了基于钻孔过程获得钻进速度的常规计算方法,即通过剔除钻进过程不正常的位移记录值,计算出净钻进深度所需要的钻进时间,从而得到了真正意义上的钻进速度,并基于此开展了钻进参数预测岩体力学特性等方面的研究。但可以很容易地了解到,即使按上述定义的钻进速度,对同一性质的岩土体来说也不是常数,而是与钻进的压力、功率及档位密切相关的一个变量,那么在此基础上进行的岩体质量评价和围岩分类也存在一定的局限性^[18]。因此,探索基于岳中琦^[17]定义的钻进速度上具有普适性的数字钻进参数与岩体质量之间的定量表征方法就显得尤为重要,从而可以真正地推动数字钻进技术在岩体质量评价与地层划分等领域的应用。

本文基于已有研究基础^[18],利用自主研发的多功能数字钻进设备与测试系统,进行了不同类型试样的室内钻孔试验与单轴压缩试验研究。根据岩石研磨钻进过程中金刚石钻头的受力特点,利用能量分析方法,修改了钻进比能的概念,定义并推导出了岩石单位体积研磨能的理论解。同时,基于试验分析结果,建立了数字钻进参数与岩石单位体积研磨能的数学关系式,进而获得了RDP-R_c模型,并对模型进行了评价。

1. 试验内容与方法

1.1 试验设备

基于岩石实际钻进过程的力学机制,自主研发了多功能数字钻进测试系统^[19],如图1所示。

图 1 多功能数字钻进测试系统

Figure 1. Multi-function digital drilling test system

下载: 全尺寸图片幻灯片

数字钻进试验主要通过多功能数字钻进测试系统实现。该系统主要分为伺服钻进系统、气压加载系统以及数据监测采集系统三部分,其中伺服电机能够提供最大转速1250 r/min,最大扭矩20 N·m；压力室可提供最大钻进压强17 MPa；试验台可装载长×宽×高=80 mm×80 mm×150 mm以下的任意尺寸试样进行钻孔。试验过程中的钻进压强、钻进位移、转速和扭矩等参数均由高精度传感器监控与采集,并记录其随时间变化的钻进全过程。此外,钻进系统可同时对转速与钻进压强参数进行调节与控制,实现了“恒转速–恒钻进压强”的试验加载模式。本次试验选用标准金刚石实心钻头,直径为15 mm,有效钻进深度为25 mm,如图2所示。

图 2 标准金刚石实心钻头示意图

Figure 2. Schematic diagram of standard diamond solid bit

下载: 全尺寸图片幻灯片

单轴压缩试验采用中国水利水电科学研究院WAW-600型微机控制电液伺服万能试验机,其最大输出载荷可达到600 kN。通过位移控制加速率,按照国际岩石力学学会试验规范ISRM^[20]建议的方法开展强度测试。

1.2 试验材料

试验采用的材料为岩石和砂浆试样,岩样取自云南德厚水库坝区右岸下层灌浆平洞先导孔YXQ300和YXQ304,以及库区Ⅱ标防渗帷幕轴线上的先导孔KII231、KII237和KII243,其中YXQ304、KII231和KII237为灰岩,YXQ300和KII243为花岗岩；砂浆试样是通过实验室按3种不同强度等级进行配比浇筑并养护而成,配比参数见表1。本文所有试验选用的试样尺寸均制作为Φ50 mm×100 mm的标准圆柱体。试验部分试样如图3所示。

表 1 不同强度等级砂浆配比参数

Table 1. Ratio parameters of mortar with different strength grades

砂浆强度等级	水泥/(kg·m^-3)	标准砂/(kg·m^-3)	水/(kg·m^-3)
M10	275	1450	300
M15	310
M20	370
注：水泥强度等级均为42.5。

下载: 导出CSV

| 显示表格

图 3 试验部分试样

Figure 3. Part samples of drilling tests

下载: 全尺寸图片幻灯片

1.3 方案设计

数字钻进试验包括初步探讨性试验与系统研究性试验。初步探讨性试验主要是研究随钻参数之间的响应关系,该试验共选取48个试样,每种类型各6个,其中砂浆试样M10、M15与M20分别编号为J₁～J₆、S₁～S₆、I₁～I₆；岩石试样KII231、KII237、KII243、YXQ300与YXQ304分别编号为K₁～K₆、L₁～L₆、X₁～X₆、Y₁～Y₆及T₁～T₆。系统研究性试验目的是通过初步探讨性试验分析结果,进一步揭示数字钻进参数与岩石强度特性的数学关系,该试验共选取34个试样,其中砂浆试样共15个,每个强度等级各5个,编号为A₁～A₁₅；岩石试样共19个,其中灰岩11个,编号为D₁～D₁₁,花岗岩8个,编号为H₁～H₈。基于各阶段数字钻进试验目的,结合钻进测试系统的参数调节与控制模式特点,可对各阶段钻进试验方案中的转速n与钻进压强F进行参数取值设计,分别见表2和表3。

表 2 初步探讨性数字钻进试验相关参数

Table 2. Related parameters of preliminary exploratory digital drilling tests

试样类型	编号	转速n/(r·min^-1)	钻进压强F/MPa	扭矩M/(N·m)	钻进速度v/(mm·min^-1)	R_c/MPa	${\bar{R}}_{c}$ /MPa	最优钻进速度 $v^{'}$ /(mm·min^-1)
M10	J₁	425	2.72	0.271	1.368	3.84	4.82	2.81
	J₂	425	3.74	0.554	2.058	4.85
	J₃	425	4.76	0.812	2.706	5.43
	J₄	425	5.78	1.013	2.724	4.96
	J₅	425	6.8	1.148	2.376	5.12
	J₆	425	7.82	1.238	2.202	4.74
M15	S₁	425	2.72	0.762	1.14	13.22	14.29	3.03
	S₂	425	3.74	1.024	1.644	14.67
	S₃	425	4.76	1.318	2.322	14.83
	S₄	425	5.78	1.634	2.952	15.06
	S₅	425	6.8	1.962	2.688	14.24
	S₆	425	7.82	1.953	2.538	13.71
M20	I₁	425	2.72	1.094	0.882	19.68	19.71	3.35
	I₂	425	3.74	1.708	1.278	20.46
	I₃	425	4.76	2.238	1.878	18.74
	I₄	425	5.78	2.613	2.616	18.62
	I₅	425	6.8	2.961	3.306	20.91
	I₆	425	7.82	3.023	2.874	19.87
KII231	K₁	425	2.72	0.932	0.648	86.93	98.42	1.36
	K₂	425	3.74	0.854	0.93	118.46
	K₃	425	4.76	1.195	1.116	109.14
	K₄	425	5.78	1.481	1.308	96.62
	K₅	425	6.8	1.654	1.35	92.14
	K₆	425	7.82	1.843	1.142	87.25
KII237	L₁	425	2.72	0.096	0.192	38.97	56.78	0.42
	L₂	425	3.74	0.138	0.258	61.34
	L₃	425	4.76	0.165	0.336	56.25
	L₄	425	5.78	0.213	0.391	68.46
	L₅	425	6.8	0.432	0.348	35.75
	L₆	425	7.82	0.564	0.288	79.87
KII243	X₁	425	2.72	0.987	0.954	134.57	158.51	2.92
	X₂	425	3.74	1.345	1.554	157.46
	X₃	425	4.76	1.867	2.184	164.75
	X₄	425	5.78	2.314	2.886	167.64
	X₅	425	6.8	2.542	2.838	171.43
	X₆	425	7.82	2.713	2.346	155.18
YXQ300	Y₁	425	2.72	0.823	0.804	114.63	113.68	2.37
	Y₂	425	3.74	1.125	1.176	106.82
	Y₃	425	4.76	1.438	1.656	127.46
	Y₄	425	5.78	1.756	2.22	102.42
	Y₅	425	6.8	2.013	2.31	132.02
	Y₆	425	7.82	2.234	1.974	98.74
YXQ304	T₁	425	2.72	0.712	0.522	92.14	102.63	2.14
	T₂	425	3.74	1.275	1.302	110.14
	T₃	425	4.76	1.578	1.872	122.45
	T₄	425	5.78	1.982	2.082	98.28
	T₅	425	6.8	2.176	1.803	83.85
	T₆	425	7.82	2.304	1.554	108.94

下载: 导出CSV

| 显示表格

表 3 系统研究性数字钻进试验相关参数

Table 3. Related parameters of systematic research digital drilling tests

试样类型	编号	转速n/(r·min^-1)	钻进压强F/MPa	扭矩M/(N·m)	钻进速度v/(mm·min^-1)	R_c/MPa
M10	A₁	252	2.72	0.615	1.098	4.21
	A₂	252	3.74	0.948	1.59	5.25
	A₃	252	4.76	1.184	2.136	3.10
	A₄	425	2.72	0.42	1.368	3.16
	A₅	425	3.74	0.655	1.878	3.91
M15	B₁	252	2.72	0.904	0.78	15.42
	B₂	252	3.74	1.475	1.29	16.24
	B₃	252	4.76	1.813	1.728	14.05
	B₄	425	3.74	1.158	1.584	15.68
	B₅	425	4.76	1.418	2.322	13.59
M20	C₁	252	3.74	1.99	1.104	19.78
	C₂	252	4.76	2.496	1.446	21.24
	C₃	425	2.72	0.81	0.882	18.92
	C₄	425	3.74	1.308	1.458	17.63
	C₅	425	4.76	1.938	1.998	20.12
灰岩	D₁	252	4.76	0.78	0.186	47.89
	D₂	252	6.8	3.604	1.302	47.53
	D₃	252	7.82	4.485	1.032	58.31
	D₄	425	3.74	0.953	0.258	92.23
	D₅	425	5.78	1.643	0.39	88.35
	D₆	425	6.8	1.838	0.396	122.54
	D₇	425	7.82	2.063	0.462	100.78
	D₈	721	4.76	4.853	2.478	68.34
	D₉	721	5.78	3.248	2.406	68.73
	D₁₀	721	6.8	6.78	2.952	119.8
	D₁₁	721	7.82	3.248	2.076	85.33
花岗岩	H₁	252	5.78	4.3	0.618	91.36
	H₂	425	4.76	3.548	0.81	148.75
	H₃	425	5.78	4.546	0.978	121.27
	H₄	425	6.8	5.18	1.068	164.14
	H₅	721	5.78	4.398	1.428	175.46
	H₆	721	6.8	4.887	1.506	194.58
	H₇	721	7.82	4.52	1.386	186.32
	H₈	1035	6.8	3.278	1.344	136.43

下载: 导出CSV

| 显示表格

针对上述用于数字钻进试验的每个试样,还需另外准备3个相同的试样进行单轴压缩试验,通过计算测试值的平均值得到该组试样的单轴抗压强度R_c值。基于系统研究性试验中的34组岩石及砂浆试样,任选8组灰岩、6组花岗岩及12组不同强度等级的砂浆,满足每个强度等级4组试样进行数字钻进试验,用于建立岩石数字钻进参数（RDP）与岩石单轴抗压强度（R_c）的数学关系式,以获得RDP-R_c关系模型。同时,通过剩余的3组砂浆、3组灰岩及2组花岗岩试件,对RDP-R_c关系模型进行有效性验证。

此外,为了有效控制试验过程中金刚石钻头磨损和排渣效果等因素的影响,所有钻进试验方案中的钻头在未有明显磨损时进行更换,同时,由于钻进时间较短,孔深较浅（一般为5～10 mm）,则钻头磨损对测试结果的影响基本可以消除。其次,通过在测试过程中保持冷却水的流量和温度恒定,可以适当减少冲洗液对测试结果的影响。数字钻进试验过程如图4所示。

图 4 数字钻进试验过程

Figure 4. Process of digital drilling tests

下载: 全尺寸图片幻灯片

2. 试验结果与分析

2.1 钻进参数结果测定

根据试验设计方案开展多功能数字钻进试验,试验采用调节钻进压强F和转速n,监测钻进深度S、钻进压强F、转速n及扭矩M控制模式。以系统研究性钻进试验方案中试样D₆的典型试验数据为例,得到的数字钻进参数与钻进时间关系曲线如图5～8所示。图5为钻进深度S随钻进时间t的变化曲线,当钻头刚侵入试样表面时,钻进速度v较小,随钻头侵入一定深度后,钻进速度v基本维持在恒定值0.396 mm/min。

图 5 试样D₆的钻进深度随时间变化曲线

Figure 5. Drilling depth-time curve for sample D₆

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 试样D₆的钻进压强随时间变化曲线

Figure 6. Drilling pressure-time curve for sample D₆

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 试样D₆的转速随时间变化曲线

Figure 7. Change of rotation speed of sample D₆ with time

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 试样D₆的扭矩随时间变化曲线

Figure 8. Rotation torque-time curve for sample D₆

下载: 全尺寸图片幻灯片

由图6可知,在钻头未接触到试件前,钻进压强F较小,接触试件后,F在较小的t内急剧上升,当入孔具有一定深度时,随着t的增加,F基本稳定在设定值附近小幅度上下波动；从图7可以看出n基本维持在425 r/min。由此可见,试验控制参数F和n恒定状态良好,满足试验要求。图8为钻进过程中监测到的扭矩M随净钻进时间t变化曲线,变化规律与钻进压强F相似,呈现出急剧上升阶段和稳定阶段。

利用数字钻进参数变化曲线,可以计算出该试样的钻进压强F和扭矩M测定值,且其测定方法相同。以钻进压强F为例,在钻头未接触到试样之前,其初始压强记为F_a,而达到稳定阶段后的钻进压强平均值记为F_m,则试样的钻进压强试验值为F=F_m-F_a。由图6中的曲线可知：F_a=0.53 MPa,F_m=7.33 MPa,则F=F_m-F_a=6.8 MPa。因此,通过对钻进参数结果的有效测定,可得到数字钻进试验每个试样的随钻参数测定值,则各阶段钻进试验相关参数n,F,M,v和R_c计算结果分别见表2和表3。

2.2 钻进参数之间的相关性分析

为了研究数字钻进试验过程中不同参数之间的相互关系,以钻进速度v和钻进压强F为例,对初步探讨性钻进试验数据结果进行相关性分析,得到不同强度等级条件下钻进速度v与钻进压强F的变化曲线,如图9所示。

图 9 不同强度等级下钻进速度随钻进压强变化曲线

Figure 9. Curves of drilling speed with drilling pressure under different strength grades

下载: 全尺寸图片幻灯片

由图9分析可知,在相同钻进条件下,对于同种类型的试样,钻进速度会随钻进压强的改变而变化,并且会出现峰值,即最优钻进速度,且不同强度等级试样的最优钻进速度值具有差异性,分析结果见表2。

基于此,对不同类型试样的平均单轴抗压强度 ${\bar{R}}_{c}$ 与其最优钻进速度 $v^{'}$ 进行相关性分析,拟合结果如图10所示。

图 10 单轴抗压强度与最优钻进速度的拟合曲线

Figure 10. Fitting curves of uniaxial compressive strength and optimal drilling speed

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图10可以看出,平均单轴抗压强度 ${\bar{R}}_{c}$ 与最优钻进速度 $v^{'}$ 之间具有显著的正相关性。综合可知,在数字钻进实际过程中,岩石钻进参数与其强度特性之间具有密切的联系。因此,本文从力学和能量角度进一步深入研究数字钻进参数与岩石强度参数的响应关系。

2.3 岩石钻进过程能量分析

（1）岩石单位体积研磨能

岩石钻进过程的实质是通过金刚石钻头侵入岩石以达到破岩的目的,该过程不仅包括金刚石钻头在钻机动力系统提供的轴向压力和扭矩力作用下对岩石的压碎与切削破坏,还存在钻头表面与岩石接触面之间的摩擦力作用下造成的磨损破坏。基于此,本文对岩石研磨钻进过程中的金刚石实心钻头进行受力分析,如图11所示。

图 11 标准金刚石实心钻头受力分析示意图

Figure 11. Diagram of force analysis for standard diamond solid bit

下载: 全尺寸图片幻灯片

根据上述金刚石实心钻头破坏岩石的受力分析可知,钻进系统做功主要有压力功W_F和扭矩功W_M,忽略钻头破岩过程产生的声能、热能及振动能等能量,则钻进过程消耗的总能量一部分为提供给岩石研磨破坏时所需要的能量 $E_{C}$ ,另一部分则是钻头和孔底之间的摩擦力所耗散的能量 $E_{F}$ 。基于此,利用能量分析方法,可得到岩石研磨钻进过程的能量方程,即

W_{F} + W_{M} = E_{C} + E_{F}

(1)

系统提供的钻进压力做功W_F为

W_{F} = F v t

(2)

系统提供的扭矩做功 $W_{M}$ 为

W_{M} = 2 π n M t

(3)

式中,n为钻头转速,M为钻头所受扭矩,t为钻进时间。

钻头与孔底摩擦消耗的能量E_F包括钻头底部摩擦所消耗的能量E_d、钻头侧向摩擦所消耗的能量E_m以及钻头克服水的黏滞阻力所消耗的能量E_s。

钻头底面摩擦所消耗的能量E_d为

E_{d} = 2 π n μ_{d} F t \int_{0}^{R} r d r = π n μ_{d} F R^{2} t

(4)

式中, $μ_{d}$ 为钻头底部与岩石的摩擦系数,取0.21,R为金刚石钻头半径。

钻头侧向摩擦所消耗的能量E_m为

E_{m} = 2 π R n μ_{c} K_{c} F t

(5)

式中 $μ_{c}$ 为岩石接触面与钻头相互之间的侧向摩擦因子,取0.2^[4]；K_c为轴向压力的侧向转换因子,该因子主要由钻头材料或被破坏岩石的性质决定,考虑到金刚石钻头可看作为刚性材料,侧向转换因子根据岩石的泊松比计算,则 $K_{c} = \frac{ν}{1 - ν}$ ,本文取0.23。

钻头与水之间的黏滞阻力消耗的能量E_s包括钻头轴向摩擦消耗的能量E_a和钻头环向摩擦消耗的能量E_h,则有

E_{a} = N_{a} v t

(6)

E_{h} = π n R N_{h} t

。

(7)

然而,在实际研磨钻进过程中,考虑到钻进速度极小,则冷却水造成的轴向黏滞阻力可以不作考虑。此外,由于冷却水沿钻头径向的速度梯度较小,可视冷却水做等线速运动,并认为其获得钻头表面的边缘速度^[18]。因此,通过钻头与冷却水相对旋转运动引起的环向黏滞阻力消耗的能量E_h将全部转化为冷却水的动能E_k,则根据能量守恒原理可得

E_{k} = E_{h} = \frac{1}{2} m v_{h}^{2} = \frac{1}{8} ρ π^{3} n^{2} R^{4} v t

(8)

综合可得,岩石研磨破碎所需能量 $E_{C}$ 为

\begin{matrix} E_{C} = W_{M} + W_{F} - (E_{d} + E_{m} + E_{a} + E_{h}) \\ \approx W_{M} + W_{F} - (E_{d} + E_{m} + E_{k}) \\ \approx π n t (2 M - μ_{d} F R^{2} - \frac{2 μ_{c} ν F R}{1 - ν} - \frac{ρ n v π^{2} R^{4}}{8}) + F v t \end{matrix}

。

(9)

通过定义岩石单位体积研磨能 $η_{e}$ ,反映金刚石钻头研磨破坏单位体积岩石所需要的能量,则 $η_{e}$ 为

\begin{matrix} η_{e} = \frac{E_{C}}{π R^{2} v t} \\ = \frac{n (2 M - μ_{d} F R^{2})}{π R^{2}} - \frac{2 n μ_{c} ν F}{R (1 - ν) v} - \frac{ρ π^{2} R^{2} n^{2}}{8} + \frac{F}{π R^{2}} \end{matrix}

。

(10)

（2）钻进能量分析

通过对金刚石钻进破坏岩石过程的理论推导,将表3中用于建立RDP-R_c关系模型的每个试样的随钻参数代入上述各能量方程式,可以计算得到该试样数字研磨钻进过程中的各钻进能量值,计算结果见表4。

表 4 数字钻进过程钻进能量计算结果

Table 4. Calculated results of drilling energy of digital drilling process

试样类型	编号	轴力功	扭矩功	底面摩擦耗能量	侧面摩擦耗能量	水动能	单位体积研磨能
试样类型	编号	W_F/10^-5 kJ	W_M/kJ	E_d/10^-4 kJ	E_c/10^-2 kJ	E_k/10^-13 kJ	η_e/(kJ·cm^-3)
M10	A₁	0.88	0.016	0.75	0.50	0.47	3.454
	A₂	1.75	0.025	1.03	0.69	0.37	3.855
	A₄	1.10	0.019	1.26	0.84	0.40	2.520
	A₅	2.07	0.029	1.74	1.16	0.41	3.149
M15	A₆	0.63	0.024	0.75	0.50	0.89	8.175
	A₇	1.42	0.039	1.03	0.69	0.87	8.414
	A₈	2.42	0.048	1.31	0.87	1.06	7.660
	A₁₀	3.26	0.063	2.21	1.47	0.33	7.042
M20	A₁₁	1.22	0.053	1.03	0.69	0.29	14.011
	A₁₂	2.03	0.066	1.31	0.87	0.35	13.388
	A₁₃	0.71	0.036	1.26	0.84	1.15	10.589
	A₁₄	1.61	0.058	1.74	1.16	1.46	10.817
灰岩	D₁	0.26	0.021	1.31	0.87	0.49	21.385
	D₃	2.38	0.118	2.15	1.44	0.84	34.152
	D₄	0.28	0.042	1.74	1.16	3.03	40.321
	D₆	0.79	0.082	3.16	2.11	2.66	51.799
	D₇	1.06	0.092	3.63	2.42	2.61	49.404
	D₈	4.22	0.366	4.56	3.04	5.92	45.978
	D₁₀	5.91	0.512	5.36	3.57	7.72	54.715
	D₁₁	4.78	0.245	6.16	1.11	4.95	33.290
花岗岩	H₁	1.05	0.113	1.59	1.06	1.03	56.430
	H₂	1.14	0.158	2.21	1.47	2.56	59.995
	H₃	1.67	0.202	2.69	1.79	3.42	63.938
	H₅	2.43	0.332	4.56	3.04	5.63	71.631
	H₆	3.02	0.369	5.36	3.57	6.87	75.020
	H₈	2.69	0.355	7.69	5.13	8.25	76.612

下载: 导出CSV

| 显示表格

由表4分析可知,在数字钻进试验过程中,扭矩功占系统输入总能量的99%,轴力功平均只有总能量的1%。钻头底面摩擦消耗的能量和钻头克服液体黏滞阻力所消耗的能量相对于输入总能量可以忽略不计,而钻头侧面摩擦消耗的能量数值偏大,则试验结果与实际钻进过程相符合。

3. RDP-R_c模型建立及验证

3.1 RDP-R_c模型建立

结合表3与表4中的26组试样对应的岩石单轴抗压强度R_c及岩石单位研磨能 $η_{e}$ 计算结果,建立R_c与 $η_{e}$ 之间的数学关系。将x轴设置为η_e值,y轴设置为R_c值,并对R_c和 $η_{e}$ 值的关系散点图进行绘制,结果如图12所示。

图 12 R_c与η_e关系曲线图

Figure 12. Relationship between R_c and η_e

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图12可以看出,对于砂浆试样而言,相关系数R²=0.9301,表明拟合度很好；针对岩石试样,相关系数R²=0.7716,说明拟合度一般；而结合砂浆与岩石试样分析,相关系数R²=0.9371,反映了拟合度极好。由此可见,R_c与 $η_{e}$ 之间具有显著的线性相关性,相关系数基本超过90%,R_c随 $η_{e}$ 增大而增加。

根据图12（c）中R_c与 $η_{e}$ 拟合的最佳关系曲线,可得到η_e与单轴抗压强度预测值R_ηe之间的数学关系式：

R_{η e} = 2.2174 η_{e} - 4.5761

。

(11)

基于研磨钻进能量分析结果,对式（10）进行简化后得

η_{e} = 2 n [\frac{v (1 - ν) M - μ_{c} ν F R}{π (1 - ν) v R^{2}}]

。

(12)

将式（12）代入式（11）中,建立岩石数字钻进参数与岩石强度参数的关系模型,即RDP-R_c模型：

R_{η e} = 4 .4348 n [\frac{v (1 - ν) M - μ_{c} ν F R}{π (1 - ν) v R^{2}}] - 4.5761

。

(13)

3.2 RDP-R_c模型验证

基于选出的8组试样对RDP-R_c模型的有效性进行验证,各试样对应的数字钻进参数n,F,M,v测定值,单轴抗压强度试验值R_c以及预测值R_ηe见表5。

表 5 RDP-R_c模型验证相关试验参数

Table 5. Parameters for RDP-R_c model verification related tests

试样类型	编号	转速n/(r·min^-1)	钻进压强F/MPa	扭矩M/(N·m)	钻进速度v/(mm·min^-1)	R_c/MPa	R_ηe/MPa
M10	A₃	252	4.76	1.184	2.136	3.10	2.66
M15	A₉	425	3.74	1.158	1.584	15.68	14.33
M20	A₁₅	425	4.76	1.938	1.998	20.12	22.29
灰岩	D₂	252	6.80	3.604	1.302	47.53	43.04
	D₅	425	5.78	1.643	0.390	88.35	101.46
	D₉	721	6.80	3.248	2.406	68.73	60.81
花岗岩	H₄	425	6.80	5.180	1.068	164.14	143.49
花岗岩	H₇	721	7.82	4.520	1.386	186.32	158.14

下载: 导出CSV

| 显示表格

为了对RDP-R_c模型预测结果R_ηe与标准室内单轴压缩试验测定结果R_c之间的差异性进行定量评价,定义差异率参数 $λ$ ,即

λ = | \frac{R_{η e} - R_{c}}{R_{c}} | \times 100 %

。

(14)

根据表5中的计算结果进行预测值R_ηe和试验值R_c的对比分析,并对R_ηe与R_c之间的差异程度作出评价,如图13所示。

图 13 R_ηe与R_c对比分析图

Figure 13. Comparative analysis of R_ηe and R_c

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图13可以看出,R_ηe与R_c的差异率 $λ$ 较小,其平均值 $\bar{λ}$ =12.15%,则RDP-R_c模型预测值与试验值整体关联度高,偏离程度较小,证明RDP-R_c模型合理有效。因此,室内数字钻进验证试验结果表明,基于公式（13）,利用钻进过程的量测参数确定岩体单轴抗压强度是可行的。

4. 结论

利用自主研发的室内多功能数字钻进设备及测试系统,以不同强度等级完整砂浆和岩石试样为例,进行了岩石数字钻进参数与强度特性的初探性试验研究,得到以下结论：

（1）通过对岩石研磨钻进过程中的金刚石实心钻头进行受力分析,根据岩石破碎极限平衡与能量守恒原理,建立了金刚石钻头研磨钻进过程能量分析模型,推导出岩石单位研磨能η_e的理论解。

（2）基于岩石数字研磨钻进试验分析结果,提出了岩石单位研磨能与单轴抗压强度的数学关系式,并对岩石数字钻进参数与强度参数的相关性进行研究,得到了RDP-R_c关系模型。

（3）利用室内数字研磨钻进试验,对RDP-R_c模型进行合理性评价,结果表明RDP-R_c模型预测的单轴抗压强度值与标准室内试验测定值的差异率平均值为12.15%,证明了RDP-R_c模型的可行性及有效性。

（4）通过建立数字研磨钻进过程中随钻参数与岩石单轴抗压强度R_c的定量关系,形成了岩石R_c数字钻进测定测定技术,可有效实现岩石R_c的快速、准确预测,为工程岩体强度参数的实时原位测定提供了新的途径。由于本次试验条件有限,未考虑到钻头磨损程度、排渣效果等多因素共同作用下的影响,有待进一步研究与论证。

图 1 多功能数字钻进测试系统

Figure 1. Multi-function digital drilling test system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 标准金刚石实心钻头示意图

Figure 2. Schematic diagram of standard diamond solid bit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 试验部分试样

Figure 3. Part samples of drilling tests

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 数字钻进试验过程

Figure 4. Process of digital drilling tests

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 试样D₆的钻进深度随时间变化曲线

Figure 5. Drilling depth-time curve for sample D₆

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 试样D₆的钻进压强随时间变化曲线

Figure 6. Drilling pressure-time curve for sample D₆

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 试样D₆的转速随时间变化曲线

Figure 7. Change of rotation speed of sample D₆ with time

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 试样D₆的扭矩随时间变化曲线

Figure 8. Rotation torque-time curve for sample D₆

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 不同强度等级下钻进速度随钻进压强变化曲线

Figure 9. Curves of drilling speed with drilling pressure under different strength grades

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 单轴抗压强度与最优钻进速度的拟合曲线

Figure 10. Fitting curves of uniaxial compressive strength and optimal drilling speed

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 标准金刚石实心钻头受力分析示意图

Figure 11. Diagram of force analysis for standard diamond solid bit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 R_c与η_e关系曲线图

Figure 12. Relationship between R_c and η_e

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 R_ηe与R_c对比分析图

Figure 13. Comparative analysis of R_ηe and R_c

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 不同强度等级砂浆配比参数

Table 1 Ratio parameters of mortar with different strength grades

砂浆强度等级	水泥/(kg·m^-3)	标准砂/(kg·m^-3)	水/(kg·m^-3)
M10	275	1450	300
M15	310
M20	370
注：水泥强度等级均为42.5。

下载: 导出CSV

表 2 初步探讨性数字钻进试验相关参数

Table 2 Related parameters of preliminary exploratory digital drilling tests

试样类型	编号	转速n/(r·min^-1)	钻进压强F/MPa	扭矩M/(N·m)	钻进速度v/(mm·min^-1)	R_c/MPa	${\bar{R}}_{c}$ /MPa	最优钻进速度 $v^{'}$ /(mm·min^-1)
M10	J₁	425	2.72	0.271	1.368	3.84	4.82	2.81
	J₂	425	3.74	0.554	2.058	4.85
	J₃	425	4.76	0.812	2.706	5.43
	J₄	425	5.78	1.013	2.724	4.96
	J₅	425	6.8	1.148	2.376	5.12
	J₆	425	7.82	1.238	2.202	4.74
M15	S₁	425	2.72	0.762	1.14	13.22	14.29	3.03
	S₂	425	3.74	1.024	1.644	14.67
	S₃	425	4.76	1.318	2.322	14.83
	S₄	425	5.78	1.634	2.952	15.06
	S₅	425	6.8	1.962	2.688	14.24
	S₆	425	7.82	1.953	2.538	13.71
M20	I₁	425	2.72	1.094	0.882	19.68	19.71	3.35
	I₂	425	3.74	1.708	1.278	20.46
	I₃	425	4.76	2.238	1.878	18.74
	I₄	425	5.78	2.613	2.616	18.62
	I₅	425	6.8	2.961	3.306	20.91
	I₆	425	7.82	3.023	2.874	19.87
KII231	K₁	425	2.72	0.932	0.648	86.93	98.42	1.36
	K₂	425	3.74	0.854	0.93	118.46
	K₃	425	4.76	1.195	1.116	109.14
	K₄	425	5.78	1.481	1.308	96.62
	K₅	425	6.8	1.654	1.35	92.14
	K₆	425	7.82	1.843	1.142	87.25
KII237	L₁	425	2.72	0.096	0.192	38.97	56.78	0.42
	L₂	425	3.74	0.138	0.258	61.34
	L₃	425	4.76	0.165	0.336	56.25
	L₄	425	5.78	0.213	0.391	68.46
	L₅	425	6.8	0.432	0.348	35.75
	L₆	425	7.82	0.564	0.288	79.87
KII243	X₁	425	2.72	0.987	0.954	134.57	158.51	2.92
	X₂	425	3.74	1.345	1.554	157.46
	X₃	425	4.76	1.867	2.184	164.75
	X₄	425	5.78	2.314	2.886	167.64
	X₅	425	6.8	2.542	2.838	171.43
	X₆	425	7.82	2.713	2.346	155.18
YXQ300	Y₁	425	2.72	0.823	0.804	114.63	113.68	2.37
	Y₂	425	3.74	1.125	1.176	106.82
	Y₃	425	4.76	1.438	1.656	127.46
	Y₄	425	5.78	1.756	2.22	102.42
	Y₅	425	6.8	2.013	2.31	132.02
	Y₆	425	7.82	2.234	1.974	98.74
YXQ304	T₁	425	2.72	0.712	0.522	92.14	102.63	2.14
	T₂	425	3.74	1.275	1.302	110.14
	T₃	425	4.76	1.578	1.872	122.45
	T₄	425	5.78	1.982	2.082	98.28
	T₅	425	6.8	2.176	1.803	83.85
	T₆	425	7.82	2.304	1.554	108.94

下载: 导出CSV

表 3 系统研究性数字钻进试验相关参数

Table 3 Related parameters of systematic research digital drilling tests

试样类型	编号	转速n/(r·min^-1)	钻进压强F/MPa	扭矩M/(N·m)	钻进速度v/(mm·min^-1)	R_c/MPa
M10	A₁	252	2.72	0.615	1.098	4.21
	A₂	252	3.74	0.948	1.59	5.25
	A₃	252	4.76	1.184	2.136	3.10
	A₄	425	2.72	0.42	1.368	3.16
	A₅	425	3.74	0.655	1.878	3.91
M15	B₁	252	2.72	0.904	0.78	15.42
	B₂	252	3.74	1.475	1.29	16.24
	B₃	252	4.76	1.813	1.728	14.05
	B₄	425	3.74	1.158	1.584	15.68
	B₅	425	4.76	1.418	2.322	13.59
M20	C₁	252	3.74	1.99	1.104	19.78
	C₂	252	4.76	2.496	1.446	21.24
	C₃	425	2.72	0.81	0.882	18.92
	C₄	425	3.74	1.308	1.458	17.63
	C₅	425	4.76	1.938	1.998	20.12
灰岩	D₁	252	4.76	0.78	0.186	47.89
	D₂	252	6.8	3.604	1.302	47.53
	D₃	252	7.82	4.485	1.032	58.31
	D₄	425	3.74	0.953	0.258	92.23
	D₅	425	5.78	1.643	0.39	88.35
	D₆	425	6.8	1.838	0.396	122.54
	D₇	425	7.82	2.063	0.462	100.78
	D₈	721	4.76	4.853	2.478	68.34
	D₉	721	5.78	3.248	2.406	68.73
	D₁₀	721	6.8	6.78	2.952	119.8
	D₁₁	721	7.82	3.248	2.076	85.33
花岗岩	H₁	252	5.78	4.3	0.618	91.36
	H₂	425	4.76	3.548	0.81	148.75
	H₃	425	5.78	4.546	0.978	121.27
	H₄	425	6.8	5.18	1.068	164.14
	H₅	721	5.78	4.398	1.428	175.46
	H₆	721	6.8	4.887	1.506	194.58
	H₇	721	7.82	4.52	1.386	186.32
	H₈	1035	6.8	3.278	1.344	136.43

下载: 导出CSV

表 4 数字钻进过程钻进能量计算结果

Table 4 Calculated results of drilling energy of digital drilling process

试样类型	编号	轴力功	扭矩功	底面摩擦耗能量	侧面摩擦耗能量	水动能	单位体积研磨能
试样类型	编号	W_F/10^-5 kJ	W_M/kJ	E_d/10^-4 kJ	E_c/10^-2 kJ	E_k/10^-13 kJ	η_e/(kJ·cm^-3)
M10	A₁	0.88	0.016	0.75	0.50	0.47	3.454
	A₂	1.75	0.025	1.03	0.69	0.37	3.855
	A₄	1.10	0.019	1.26	0.84	0.40	2.520
	A₅	2.07	0.029	1.74	1.16	0.41	3.149
M15	A₆	0.63	0.024	0.75	0.50	0.89	8.175
	A₇	1.42	0.039	1.03	0.69	0.87	8.414
	A₈	2.42	0.048	1.31	0.87	1.06	7.660
	A₁₀	3.26	0.063	2.21	1.47	0.33	7.042
M20	A₁₁	1.22	0.053	1.03	0.69	0.29	14.011
	A₁₂	2.03	0.066	1.31	0.87	0.35	13.388
	A₁₃	0.71	0.036	1.26	0.84	1.15	10.589
	A₁₄	1.61	0.058	1.74	1.16	1.46	10.817
灰岩	D₁	0.26	0.021	1.31	0.87	0.49	21.385
	D₃	2.38	0.118	2.15	1.44	0.84	34.152
	D₄	0.28	0.042	1.74	1.16	3.03	40.321
	D₆	0.79	0.082	3.16	2.11	2.66	51.799
	D₇	1.06	0.092	3.63	2.42	2.61	49.404
	D₈	4.22	0.366	4.56	3.04	5.92	45.978
	D₁₀	5.91	0.512	5.36	3.57	7.72	54.715
	D₁₁	4.78	0.245	6.16	1.11	4.95	33.290
花岗岩	H₁	1.05	0.113	1.59	1.06	1.03	56.430
	H₂	1.14	0.158	2.21	1.47	2.56	59.995
	H₃	1.67	0.202	2.69	1.79	3.42	63.938
	H₅	2.43	0.332	4.56	3.04	5.63	71.631
	H₆	3.02	0.369	5.36	3.57	6.87	75.020
	H₈	2.69	0.355	7.69	5.13	8.25	76.612

下载: 导出CSV

表 5 RDP-R_c模型验证相关试验参数

Table 5 Parameters for RDP-R_c model verification related tests

试样类型	编号	转速n/(r·min^-1)	钻进压强F/MPa	扭矩M/(N·m)	钻进速度v/(mm·min^-1)	R_c/MPa	R_ηe/MPa
M10	A₃	252	4.76	1.184	2.136	3.10	2.66
M15	A₉	425	3.74	1.158	1.584	15.68	14.33
M20	A₁₅	425	4.76	1.938	1.998	20.12	22.29
灰岩	D₂	252	6.80	3.604	1.302	47.53	43.04
	D₅	425	5.78	1.643	0.390	88.35	101.46
	D₉	721	6.80	3.248	2.406	68.73	60.81
花岗岩	H₄	425	6.80	5.180	1.068	164.14	143.49
花岗岩	H₇	721	7.82	4.520	1.386	186.32	158.14

下载: 导出CSV

参考文献(20)

[1]	贾志欣, 汪小刚, 赵宇飞, 等. 岩石钻孔原位测试技术的应用与改进[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 6: 1264-1269. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201306022.htm JIA Zhi-xin, WANG Xiao-gang, ZHAO Yu-fei, et al. Application and improvement of rock borehole in-situ test technology[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 6: 1264-1269. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201306022.htm
[2]	XU T, RANJITH P G, WASANTHA P L P, et al. Influence of the geometry of partially-spanning joints on mechanical properties of rock in uniaxial compression[J]. Engineering Geology, 2013, 167: 134-147. doi: 10.1016/j.enggeo.2013.10.011
[3]	TANG X M, XU S, ZHUANG C X, et al. Assessing rock brittleness and fracability from radial variation of elastic wave velocities from borehole acoustic logging: rock brittleness and fracability[J]. Geophysical Prospecting, 2016, 64(4): 958-966. doi: 10.1111/1365-2478.12377
[4]	WANG Q, GAO H, YU H, et al. Method for measuring rock mass characteristics and evaluating the grouting-reinforced effect based on digital drilling[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2019, 52(3): 841-851. doi: 10.1007/s00603-018-1624-9
[5]	KAHRAMAN S, BILGIN N, FERIDUNOGLU C. Dominant rock properties affecting the penetration rate of percussive drills[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2003, 40(5): 711-723.
[6]	GUI M W, SOGA K, BOLTON M D, et al. Instrumented borehole drilling for subsurface investigation[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2002, 128(4): 283-291. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2002)128:4(283)
[7]	SUGAWARA J, YUE Z Q, THAM L G, et al. Weathered rock characterization using drilling parameters[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40(3): 661-668. doi: 10.1139/t03-007
[8]	YUE Z Q, LEE C F, LAW K T, et al. Automatic monitoring of rotary-percussive drilling for ground characterization- illustrated by a case example in Hong Kong[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2004, 41(4): 573-612.
[9]	谭卓英, 岳中琦, 蔡美峰. 风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(3): 478-483. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200703005.htm TAN Zhuo-ying, YUE Zhong-qi, CAI Mei-feng. Analysis of energy for rotary drilling in weathered granite formation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(3): 478-483. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200703005.htm
[10]	谭卓英, 王思敬, 蔡美峰. 岩土工程界面识别中的地层判别分类方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(2): 316-322. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200802016.htm TAN Zhuo-ying, WANG Si-jing, CAI Mei-feng. Study on discriminant classification method for ground formation in identification of geotechnical engineering interfaces[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(2): 316-322. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200802016.htm
[11]	AALIZAD S A, RASHIDINEJAD F. Prediction of penetration rate of rotary-percussive drilling using artificial neural network a case study[J]. Archives of Mining Sciences, 2012, 57(3): 715-728. doi: 10.2478/v10267-012-0046-x
[12]	YAşAR E, RANJITH P G, VIETE D R. An experimental investigation into the drilling and physico-mechanical properties of a rock-like brittle material[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2011, 76(3/4): 185-193.
[13]	HE M M, LI N, ZHANG Z Q, et al. An empirical method for determining the mechanical properties of jointed rock mass using drilling energy[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2019, 116(4): 64-74.
[14]	HUANG S L, WANG Z W. The mechanics of diamond core drilling of rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1997, 34(3/4): 1-14.
[15]	MOSTOFI M, RASOULI V, MAWULI E. An estimation of rock strength using a drilling performance model: a case study in Blacktip Field, Australia[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2011, 44(3): 305-316. doi: 10.1007/s00603-011-0142-9
[16]	KALANTARI S, ALIREZA B, HASHEMALHOSSEINI H, et al. An analytical model for estimating rock strength parameters from small scale drilling data[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2019, 11(1): 135-145.
[17]	岳中琦. 钻孔过程监测(DPM)对工程岩体质量评价方法的完善与提升[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(10): 1977-1996. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201410005.htm YUE Zhong-qi. Drilling process monitoring for refining and upgranding rock mass quality classific ation methods[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(10): 1977-1996. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201410005.htm
[18]	曾俊强, 王玉杰, 曹瑞琅, 等. 基于钻孔过程监测的花岗岩钻进比能研究[J]. 水利水电技术, 2017, 48(4): 112-117. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJWJ201704023.htm ZENG Jun-qiang, WANG Yu-jie, CAO Rui-lang, et al. Drilling process monitoring-based study on granite drilling specific energy[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2017, 48(4): 112-117. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJWJ201704023.htm
[19]	王玉杰, 赵宇飞, 曹瑞琅, 等. 一种合理评价岩体TBM施工适宜性的试验设备及方法[P]. 中国专利：E21B49, 106593426A, 2017-04-26.
[20]	ISRM. Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1979, 16: 135-140.

施引文献(41)

期刊类型引用(24)

1.	赵同彬，赵志刚，齐炎山，尹延春，牛旭，李淇凡. 基于大直径钻孔钻进多参量的煤体应力钻测方法. 煤炭科学技术. 2025(01): 122-132 . 百度学术
2.	马语航，何明明，李宁. XCY-2旋切触探系统研发及应用. 岩土力学. 2025(03): 1025-1038 . 百度学术
3.	刘勇斌，张晓平，李馨芳，李德宏，陈广军，刘小波，熊雪飞，杨朗，李玉生. 基于冲击回转钻进的岩石强度随钻识别研究. 岩土力学. 2024(03): 857-866 . 百度学术
4.	何海峰. 工程勘察中钻进参数数字化技术应用探讨. 工程勘察. 2024(06): 12-16+23 . 百度学术
5.	郝建，刘河清，刘建康，吕家庆，郑义宁，刘建荣. 基于振动信号的岩石单轴抗压强度钻进预测实验研究. 岩石力学与工程学报. 2024(06): 1406-1424 . 百度学术
6.	盛益明，柴修伟，常志锋，刘建，李治全，向彬. 磷矿地下爆破随钻参数与岩体可爆性关系模型研究. 爆破. 2024(02): 120-126 . 百度学术
7.	吴俊. 基于多要素钻进信息的围岩分级方法研究. 科学技术创新. 2024(20): 157-160 . 百度学术
8.	程谞，汤华，吴振君，张勇慧，秦辉，王腾，贾泽庆，房昱纬. 矿山岩质边坡地层结构及岩体抗剪强度参数随钻智能识别方法. 工程科学与技术. 2024(05): 35-47 . 百度学术
9.	李萍丰，徐振洋，王雪帆，郭润泽，姜立春. 露天矿山爆破共享控制理论的基本方法. 爆破. 2024(03): 16-25+50 . 百度学术
10.	肖浩汉，曹瑞琅，王玉杰，赵宇飞，孙彦鹏. 随钻监测数据预处理方法研究. 水利学报. 2024(11): 1379-1390 . 百度学术
11.	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. 绿色矿山. 2024(04): 333-343 . 百度学术
12.	岳中文，戴诗清，李杨，岳小磊，李世辉，曹武. 煤巷液压锚杆钻机随钻参数采集系统及其应用. 矿业科学学报. 2023(01): 66-73 . 百度学术
13.	于庆磊，王宇恒，李友，曹永胜，蒲江涌. 基于随钻测量的岩体结构与力学参数表征研究进展. 金属矿山. 2023(05): 45-58 . 百度学术
14.	陈祖军，何明明，周佳佩，邓边员. 基于数字钻技术的岩石强度特性预测方法研究. 长沙理工大学学报(自然科学版). 2023(03): 91-101 . 百度学术
15.	王圆文，丘永富，杨天鸿，邓文学，李华，张紫瑞，刘洋. 基于钻孔数据库和RMR法的露天矿非均匀性岩体质量参数表征及应用. 金属矿山. 2023(06): 192-199 . 百度学术
16.	刘华吉，孙红林，张占荣，尤明龙，谭飞，李炜. 基于随钻参数的砂岩与砂质泥岩地层分界面智能识别. 隧道建设(中英文). 2023(S1): 304-312 . 百度学术
17.	程勇，王琛，刘夏临，刘继国，陈世纪，黄胜. 基于机器学习的隧道地质勘察岩性识别分析及应用研究. 隧道建设(中英文). 2023(09): 1549-1557 . 百度学术
18.	张晟斌，刘继国，刘夏临，舒恒，程勇，赵强，马保松. 一种基于水平定向钻的模型试验装置. 隧道建设(中英文). 2023(09): 1455-1462 . 百度学术
19.	乔梁，李晓昭，邓龙传，熊志勇，张弛. 基于砂浆钻进的随钻机械参数监测试验研究. 工程地质学报. 2023(06): 2020-2029 . 百度学术
20.	王少锋，吴毓萌，蔡鑫，周子龙. 基于随钻参数的岩石强度预测与可钻性识别（英文）. Journal of Central South University. 2023(12): 4036-4051 . 百度学术
21.	岳中文，岳小磊，杨仁树，王煦，李为，戴诗清，李杨. 随钻岩性识别技术研究进展. 矿业科学学报. 2022(04): 389-402 . 百度学术
22.	Haoteng Wang，Mingming He，Zhiqiang Zhang，Jiwei Zhu. Determination of the constant m_i in the Hoek-Brown criterion of rock based on drilling parameters. International Journal of Mining Science and Technology. 2022(04): 747-759 . 必应学术
23.	罗文超，王军伟. 基于钻进参数的围岩分类指标优化研究. 工程勘察. 2022(10): 19-23+30 . 百度学术
24.	徐振洋，吴怡璇，王雪松，刘鑫，郭连军，柴青平. 旋压钻进破岩的应力特征研究. 金属矿山. 2022(10): 24-29 . 百度学术