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    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

    王玉杰, 佘磊, 赵宇飞, 曹瑞琅. 基于数字钻进技术的岩石强度参数测定试验研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(9): 1659-1668. DOI: 10.11779/CJGE202009010
    引用本文: 王玉杰, 佘磊, 赵宇飞, 曹瑞琅. 基于数字钻进技术的岩石强度参数测定试验研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(9): 1659-1668. DOI: 10.11779/CJGE202009010
    WANG Yu-jie, SHE Lei, ZHAO Yu-fei, CAO Rui-lang. Experimental study on measurement of rock strength parameters based on digital drilling technology[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(9): 1659-1668. DOI: 10.11779/CJGE202009010
    Citation: WANG Yu-jie, SHE Lei, ZHAO Yu-fei, CAO Rui-lang. Experimental study on measurement of rock strength parameters based on digital drilling technology[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(9): 1659-1668. 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

    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

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

    • 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-Rc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。
      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-Rc 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.
    • 粉质黏土/黏质粉土都是粉粒与黏粒的混合土,是岩土工程中广泛存在的一大类土体,如中国南海神狐海域天然气水合物储层[1]、长江中下游沿岸漫滩相淤泥质粉质黏土等;其物理、力学特性与黏粒含量密切相关,本质上是非塑性粉粒和塑性黏粒间相互作用的宏观表现。以淤泥质粉质黏土为例,黏土片之间存在范德华相互作用(引力)和双电层相互作用(斥力)、黏土片与粉粒之间也存在范德华相互作用(引力),这些分别表现为引力和斥力的物理–化学作用在复杂的微观架空结构上取得平衡;土体受力变形将引起土颗粒排列结构调整和上述物理–化学作用的相应变化,在宏观上表现出结构性、高压缩性、各向异性等一系列力学性质。其中,范德华相互作用是土体真黏聚力的来源,是粉粒与黏粒间相互作用的本质特点,对于从微观机制上认识粉质黏土/黏质粉土这一大类土体的宏观力学特性具有关键作用。

      以离散单元法为代表的数值模拟方法是当前研究土体宏微观力学特性的重要手段[2],而范德华作用计算方法是离散元模拟黏性土的关键。Jiang等[3]推导了考虑接触宽度的圆盘、球体间范德华力以模拟月壤的真黏聚力;Yao等[4]在三维离散元模拟黏土中采用解析方法计算矩形薄片间的范德华力。当前离散元方法主要用于模拟纯粗粒土(如净砂)或纯黏土,尚无关于同时包含黏土片和粉粒的离散元模拟报道,也无考虑黏土片与球状颗粒间范德华力的研究。为此,本文提出一种黏土片——球状颗粒间范德华作用简便计算方法,并通过典型算例说明了计算方法的精确性和高效性。

      两分子间范德华吸引能表达式最初由London[5]给出

      u(r)=B|r|6, (1)

      式中,B为伦敦常数,r为连接两分子中心的矢量,|r|为两分子间距离。实际上,完整的范德华作用包括吸引和排斥两部分,分别与距离的6次方(如式(1))和12次方成反比,都是分子内部电荷分布不均匀在不同尺度的表现。对于离散元模拟黏性土,仅式(1)给出的吸引能具有实际意义,后文将进一步说明。

      然而,式(1)只适用稀薄介质中的范德华作用。对于凝聚态物质(如土体中各类固体矿物),范德华作用能随分子间距离的衰减比式(1)更快[6-7]。对此,Anandarajah等[8]对式(1)进行了修正以考虑范德华作用的迟滞效应(retardation effect):

      u(r)=Bc|r|6(|r|+c), (2)

      式中,常数c=49.363 nm。

      两分子间范德华力可通过能量对距离求导得到

      f(r)=u(r)r (3)

      对如图1所示的分子密度均匀的两宏观体,它们之间的范德华力可以通过对式(3)体积分得到[9-10]

      图  1  宏观体之间的范德华相互作用
      Figure  1.  Van der Waals interaction between macroscopic bodies
      F=ρ1ρ2V1V2f(r) dΩ1dΩ2, (4)

      式中,V1V2为两个宏观体的范围,ρ1ρ2为两宏观体中的分子密度。

      宏观体1受到宏观体2范德华作用形成的力矩可表示为

      M=ρ1ρ2V1V2l×f(r)dΩ1dΩ2, (5)

      式中,l为从力矩作用点O1指向微元体中心的矢量。

      式(4),(5)积分只有在几种简单、规则的宏观体上才能得到解析解,如点、球体、半无限体之间[9, 11]。对于薄黏土片与其他形状实体之间的解析解则难以求解。本文采用蒙特卡罗模拟近似求解式(4),(5)。式(4)可改写为

      F=ρ1ρ2V1V2f(r)g1g2g1g2dΩ1dΩ2, (6)

      式中,g1,g2可为任意函数。

      若选择合适的g1,g2使得V1g1dΩ1=1,V2g2dΩ2=1,则式(6)可视为对函数ρ1ρ2f(r)/(g1g2)求期望,且g1,g2应为矢量r的两端点在宏观体1和宏观体2中的概率密度函数。对分子密度均匀的宏观体应有g1=1/V1,g2=1/V2。根据期望的定义,式(6)也可表达为

      F=ρ1ρ2V1V2N1N2limN1N2N1N21f(r), (7)

      式中,N1N2分别为两个宏观体中的取样点数,且应有N1:N2=ρ1V1:ρ2V2

      同理,式(5)可表示为

      M=ρ1ρ2V1V2N1N2limN1N2N1N21l×f(r) (8)

      蒙特卡罗模拟的思想是通过计算式(7),(8)近似得到FM。本研究将黏土片简化为薄片状长方体,粉粒简化为球体,如图2所示。然而,由于f(r)对距离非常敏感,在黏土片和球体两个宏观体上采样计算式(7),(8)将导致巨大的计算量。为此,采用以下方法大幅度降低计算量:

      图  2  黏土片与球体间相对几何关系
      Figure  2.  Geometric relationship between clay plate and sphere

      (1)将黏土片视为由规则排列的基本立方体构成,如图2所示。根据范德华作用的可叠加性,只需求得基本立方体受到的球体颗粒的范德华作用,再将构成黏土片的所有基本立方体所受作用求和,即可得到整个黏土片受到的范德华作用。因此,待求解问题转变为求解基本立方体与球体间的范德华作用。

      (2)借助点与球体间范德华作用的解析解,计算式(7),(8)时只需在基本立方体上采样即可,由此避免了在球体上采样。

      此处将黏土片视为立方体的集合系基于以下考虑。水化后的黏土矿物一般由多个晶层堆叠而成,层间还可能存在阳离子与水分子。当不关心晶层间相互作用细节时,可将晶层和层间可能存在的阳离子与水分子视为薄片状整体,此即黏土片;而计算范德华力所需的哈梅克常数A(见后文公式(12),(13))可视为黏土片内各成分的某种加权平均。

      参考Anandarajah等[8]给出的两球体间的范德华力,可方便推得图3中点P受到球体的范德华引力f1(r),其方向从点P指向球心。图3dn表示点与球表面的净距。

      图  3  点与球体间范德华力
      Figure  3.  Van der Waals force between point and sphere

      点与球体间范德华力大小为

      |f1(r)|=b1+b23c4d2(d2R2)4, (9)

      式中,d为点到球心距离,R为球体半径,

      b1=2cR(a1+a2+a3+a4+3R8),b2=3a5(c2d2R2)(d2R2)4,a1=3(cd)d7,a2=d3(3c+2d)(4c26cd+3d2)R2,a3=3c(4cd)d2R4,a4=(2c2+3cd6d2)R6,a5=log[(dR)(c+d+R)(d+R)(c+dR)]

      图4P点与半径为1 m的球体之间的范德华引力。图4表明,点与球体间范德华力随净距增大而快速非线性减小;当净距超过4 nm后,范德华力小到可以忽略。当净距趋近0时,范德华力将趋近无穷大。但实际上,当净距小于1 nm后,范德华斥力将快速增长并成为主导力,表现为对两宏观体相互贯入的排斥,故而当净距小于1 nm后范德华引力精确值对求解土颗粒间相互作用意义不大。Yao等[4]在采用离散元模拟黏土时则假设净距小于0.9 nm后范德华引力保持恒定。

      图  4  点与球体间范德华力与净距的关系
      Figure  4.  Relationship between van der Waals force and net distance between point and sphere

      图5给出了点与不同大小球体间范德华力的关系。可以看到,在相同净距下,点与半径大于1 μm的球体间范德华力基本与半径无关,这是由于范德华吸引能与距离的6次方成反比,图3中点P与球体内最靠近该点的局部小范围分子间作用对整个范德华力的贡献最大,而较远位置处的分子贡献几乎为零。

      图  5  球体半径对点与球体间范德华力的影响
      Figure  5.  Effects of sphere radius on van der Waals force between point and sphere

      在式(9)的点与球体间范德华力解析解基础上,本节采用蒙特卡罗模拟计算边长L=10 nm的基本立方体受到半径为R=1 μm球体的范德华作用。以立方体中心为原点建立图6所示坐标系,通过改变球心位置反映立方体与球体间不同的相对位置关系。为便于表达,图6中几何体尺寸未按比例绘制。原则上,本文方法适用于任何尺寸的基本立方体且精度均可保证,而此处选择立方体边长为10 nm是考虑以下物理意义和计算效率两方面因素:①黏土片厚度一般在几十纳米范围,边长10 nm的立方体可方便地构建出一系列不同厚度的黏土片,若基本立方体再大则其构建黏土片的灵活性将降低;②若基本立方体尺寸更小,对图2中众多基本立方体与球体相互作用求和将非常费时。

      图  6  基本立方体与球体间几何关系示意图
      Figure  6.  Geometric relationship between basic cube and sphere

      此处选择半径为1 μm的球体基于以下两点考虑:①土体中非塑性颗粒半径一般不会小于1 μm;②根据图5可推知,边长为10 nm的基本立方体与半径大于1 μm的球体之间的范德华作用基本与半径无关(由于基本立方体与球体相比体积非常小),这使得本文的研究结果适用于黏土片与土体中任意粒径非塑性颗粒间范德华相互作用。

      为遍历基本立方体与球体间可能的相对位置关系并考虑到对称性,图6γβ的范围均为[0,0.5π],球心位置用3个参数(m,n,d)表征,其中m=γ/(0.5π) [0,1],n=β/(0.5π)[0,1],d为球心与基本立方体中心距离。对γ,β分别均匀划分为20份,在各γ,β组合下,以d0表示基本立方体与球体刚好接触时两者中心距离,d的取值为d0+100.065i nm,i[0,20],d取值超出此范围后范德华作用几乎为零,不必再考虑。对3个参数逐一遍历计算,总算例数为213=9261个。

      借助式(9),采用蒙特卡罗模拟法计算式(7),(8)时不需在球体上采样,而仅需在立方体上采样。故式(7),(8)变形为

      F=ρ1V1limN11N1N11f1(r), (10)
      M=ρ1V1limN11N1N11l×f1(r), (11)

      式中,l为从立方体中心指向立方体中采样点的矢量。

      为便于后续分析,定义量纲归一化力和力矩为

      F*=cAF, (12)
      M*=1AM, (13)

      式中,A=π2Bρ1ρ2为哈梅克常数,与黏土矿物类型、黏土孔隙介质有关[11]

      用蒙特卡罗模拟法求解式(10),(11)的方法是在基本立方体内随机采样N1个点,计算这些点处f1(r)l×f1(r)的平均值;当采样点数N1越大,计算结果越逼近真实解。试算发现,立方体与球体间距越小,所需采样点越多。本文采用以下方法确定蒙特卡罗模拟在基本立方体中的采样点数:进行10次平行模拟,计算所得范德华力的大小误差在±0.5%范围内即可认为采样点足够;检验表明,此时蒙特卡罗模拟结果可认为收敛。经试算,采样点数需满足以下条件:立方体与球体间净距离小于等于1.2 nm时,取5×106个采样点;当净距大于1.2 nm而小于1.5 nm时,取1×106个采样点;当净距大于等于1.5 nm时取2×105个采样点。以存在解析解的半径为R=5 nm的球体(基本立方体的内切球)与半径为1 μm的球体间范德华力为例(此时采样仅在半径为5 nm的球体内进行),图7给出了5次平行模拟的结果与解析解的对比。结果表明,上述采样点数的选择是合理的,保证了蒙特卡罗模拟具有预期的精度。

      图  7  蒙特卡罗模拟与解析解对比
      Figure  7.  Comparison between Monte Carlo simulation and analytical solution

      图8为采用蒙特卡罗模拟得到的基本立方体与球体间范德华作用。图8(a)m=n=0,即球体位于立方体正上方(+z方向),立方体受到的范德华引力沿+z方向,当距离dR超过10 nm后范德华力小到可以忽略;x,y方向作用力以及3个方向的力矩几乎为零,与预期相符。图8(b)m=0.2,n=0.8,球体对立方体的范德华作用表现为3个方向的力与力矩,当距离d-R超过15 nm后范德华力作用小到可以忽略。对比图8(a)和(b)可知,两宏观体之间的范德华作用大小与两者相对距离(d)和位置(m,n)都有关系。

      图  8  基本立方体与球体间范德华作用计算结果
      Figure  8.  Van der Waals interactions between basic cube and sphere

      对所有算例结果统计分析表明,立方体与球体间范德华力方向几乎沿着两者中心连线方向,这是由于基本立方体与球体相比非常小,立方体本身的尺寸对范德华力方向影响极小;但范德华力的大小与m,n,d三个参数都密切相关。将基本立方体受到的力矩大小与范德华力的大小比值定义为名义力臂。图9表明,名义力臂范围在0~2 nm,且绝大多数分布在0~1 nm,相对于立方体边长(10 nm)而言比较小。后文结果将表明,在黏土片与球体间相互作用简便计算方法中,不考虑这种力矩引起的误差很小。

      图  9  名义力臂分布直方图
      Figure  9.  Histogram of nominal force arm

      为获得范德华力大小与m,n,d三个参数之间的函数关系,此处基于蒙特卡罗模拟结果训练一个人工神经网络模型来拟合这种函数关系。将9261个算例结果构成的数据集划分为70%训练集,15%验证集和15%测试集,经过多次尝试后确定的网络结构包括一个输入层(3个神经元,分别为m,n,d),一个隐藏层(10个神经元)和一个输出层(1个神经元,即范德华力的大小),采用Levenberg-Marquardt算法,经过279轮训练后均方误差稳定在10-4附近。图10给出了测试集目标值(即真实值)与神经网络预测值的比较。可以看到,数据点分布在斜率为1的直线附近很小范围,说明训练得到的神经网络模型拟合精确度足够高。

      图  10  神经网络预测值精度验证
      Figure  10.  Accuracy verification of neural network fitting

      为便于读者编程实现,此处给出神经网络模型的运算过程与模型参数:

      x1,3×1=xgain,3×3(xin,3×1xoffset,3×1)+xb,3×1, (14a)
      x2,10×1=W1,10×3x1,3×1+b1,10×1, (14b)
      x2,10×1=tanh(x2,10×1), (14c)
      y=W2,1×10x2,10×1+b2, (14d)
      yout=(yyb)/ygain+yoffset, (14e)

      其中,xin,3×1=[m,n,d]T为输入数据,yout为输出的预测值,x1,3×1,x2,10×1,x2,10×1,y为中间变量,其余为通过神经网络训练得到的模型参数:

      至此,基本立方体与球体间的范德华力大小和方向全部确定,并可忽略力矩作用。

      图2为例说明黏土片与球体间范德华作用简便计算方法步骤。①将黏土片划分为边长为10 nm的立方体集合。②对每个立方体建立如图6所示局部坐标系,求得m,n,d 3个参数;当球心不位于局部坐标系的第一象限(x≥0,y≥0,z≥0)时,可利用坐标变换将球心变换至第一象限。③利用神经网络模型计算各立方体受到球体作用的范德华引力,并在整体坐标系下计算整个黏土片受到的合力与合力矩。

      由于黏土片与球体间范德华作用无法求得解析解,为验证本文简便方法的可靠性,图11对比了简便计算方法与蒙特卡罗模拟得到的结果,其中黏土片尺寸为长度L=200 nm,宽度W=200 nm,厚度H=10 nm,球心x,y坐标分别为80,20 nm。为保证模拟精度,此处蒙特卡罗模拟在黏土片中的采样点数为边长10 nm立方体中采样点数的400倍(即两者的体积比)。图11表明,随着黏土片与球体净距的增大,范德华力和力矩均快速减小;当净距超过10 nm后,两实体间范德华作用小到可以忽略。图11还表明,简便计算方法尽管忽略了基本立方体与球体间的力矩作用,且神经网络模型拟合也必然存在一定误差,但其计算结果与蒙特卡罗模拟结果基本一致;相对误差较大处的范德华力和力矩本身已较小。图11中简便计算方法耗时约为蒙特卡罗模拟耗时的万分之一。因此,本文提出的简便算法精度高且能极大节省计算时间,对大规模高效率离散元数值模拟的实现具有重要价值。

      图  11  黏土片受到球体的范德华作用
      Figure  11.  Van der Waals action of sphere on clay plate

      图12进一步讨论了黏土片尺寸与其所受范德华力的关系。图中,黏土片保持L=W=20H的三向尺寸比例,与球体净距离保持为1.82 nm,黏土片厚度从10 nm增长到70 nm,涵盖黏土片的常见尺寸范围。图12表明,当黏土片尺寸增大时,所受的范德华力呈现增长率渐增的非线性增长趋势。当参数A取1×10-19 J(高岭石—水—氯化钠电解质体系典型值)[5],黏土矿物密度取为2.63 g/cm3时,黏土片所受范德华引力与其自身重力的比值在107~108量级,可见准确计算范德华引力对离散元模拟黏性土的准确性至关重要。

      图  12  黏土片尺寸对其所受范德华力的影响
      Figure  12.  Effects of clay plate size on van der Waals force

      本文针对黏土片与球形颗粒间范德华作用难以解析求解的困难,提出一种简便计算方法,其本质是计算构成黏土片的各基本立方体与球状颗粒间的范德华力,最后矢量求和获得黏土片受到的合力、并计算合力矩。各基本立方体与球状颗粒间的范德华力可采用基于蒙特卡罗模拟数据集训练得到的神经网络模型快捷计算得到。由此避开了解析解不可得的难题,也避免了重复进行蒙特卡罗模拟。采用简便方法计算的典型算例表明,对平面尺寸为200 nm×200 nm、厚度为10 nm的黏土片,与球状颗粒的最小净距在10 nm范围内应考虑两者间范德华作用。

      本文给出了简便计算所需的所有参数,包括哈梅克常数A(可参考文献[11]确定)、常数cc=49.363 nm)及公式(14)中的拟合参数(已由神经网络训练得到),读者可植入任何程序开发使用。后续研究将应用本文方法进行粉质黏土/黏质粉土的大规模(数十万颗粒)离散元数值模拟,以解决离散元模拟计算量巨大的难题。

    • 图  1   多功能数字钻进测试系统

      Figure  1.   Multi-function digital drilling test system

      图  2   标准金刚石实心钻头示意图

      Figure  2.   Schematic diagram of standard diamond solid bit

      图  3   试验部分试样

      Figure  3.   Part samples of drilling tests

      图  4   数字钻进试验过程

      Figure  4.   Process of digital drilling tests

      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

      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

      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

      图  8   试样D6的扭矩随时间变化曲线

      Figure  8.   Rotation torque-time curve for sample D6

      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

      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

      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

      图  12   Rcηe关系曲线图

      Figure  12.   Relationship between Rc and ηe

      图  13   RηeRc对比分析图

      Figure  13.   Comparative analysis of Rηe and Rc

      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)
      M102751450300
      M15310
      M20370
      注:水泥强度等级均为42.5。
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      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)Rc/MPaR¯c/MPa最优钻进速度v/(mm·min-1)
      M10J14252.720.2711.3683.844.822.81
      J24253.740.5542.0584.85
      J34254.760.8122.7065.43
      J44255.781.0132.7244.96
      J54256.81.1482.3765.12
      J64257.821.2382.2024.74
      M15S14252.720.7621.1413.2214.293.03
      S24253.741.0241.64414.67
      S34254.761.3182.32214.83
      S44255.781.6342.95215.06
      S54256.81.9622.68814.24
      S64257.821.9532.53813.71
      M20I14252.721.0940.88219.6819.713.35
      I24253.741.7081.27820.46
      I34254.762.2381.87818.74
      I44255.782.6132.61618.62
      I54256.82.9613.30620.91
      I64257.823.0232.87419.87
      KII231K14252.720.9320.64886.9398.421.36
      K24253.740.8540.93118.46
      K34254.761.1951.116109.14
      K44255.781.4811.30896.62
      K54256.81.6541.3592.14
      K64257.821.8431.14287.25
       KII237L14252.720.0960.19238.9756.780.42
      L24253.740.1380.25861.34
      L34254.760.1650.33656.25
      L44255.780.2130.39168.46
      L54256.80.4320.34835.75
      L64257.820.5640.28879.87
      KII243X14252.720.9870.954134.57158.512.92
      X24253.741.3451.554157.46
      X34254.761.8672.184164.75
      X44255.782.3142.886167.64
      X54256.82.5422.838171.43
      X64257.822.7132.346155.18
      YXQ300Y14252.720.8230.804114.63113.682.37
      Y24253.741.1251.176106.82
      Y34254.761.4381.656127.46
      Y44255.781.7562.22102.42
      Y54256.82.0132.31132.02
      Y64257.822.2341.97498.74
      YXQ304T14252.720.7120.52292.14102.632.14
      T24253.741.2751.302110.14
      T34254.761.5781.872122.45
      T44255.781.9822.08298.28
      T54256.82.1761.80383.85
      T64257.822.3041.554108.94
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      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)Rc/MPa
      M10A12522.720.6151.0984.21
      A22523.740.9481.595.25
      A32524.761.1842.1363.10
      A44252.720.421.3683.16
      A54253.740.6551.8783.91
      M15B12522.720.9040.7815.42
      B22523.741.4751.2916.24
      B32524.761.8131.72814.05
      B44253.741.1581.58415.68
      B54254.761.4182.32213.59
      M20C12523.741.991.10419.78
      C22524.762.4961.44621.24
      C34252.720.810.88218.92
      C44253.741.3081.45817.63
      C54254.761.9381.99820.12
      灰岩D12524.760.780.18647.89
      D22526.83.6041.30247.53
      D32527.824.4851.03258.31
      D44253.740.9530.25892.23
      D54255.781.6430.3988.35
      D64256.81.8380.396122.54
      D74257.822.0630.462100.78
      D87214.764.8532.47868.34
      D97215.783.2482.40668.73
      D107216.86.782.952119.8
      D117217.823.2482.07685.33
      花岗岩H12525.784.30.61891.36
      H24254.763.5480.81148.75
      H34255.784.5460.978121.27
      H44256.85.181.068164.14
      H57215.784.3981.428175.46
      H67216.84.8871.506194.58
      H77217.824.521.386186.32
      H810356.83.2781.344136.43
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      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
      WF/10-5 kJWM/kJEd/10-4 kJEc/10-2 kJEk/10-13 kJηe/(kJ·cm-3)
      M10A10.880.0160.750.500.473.454
      A21.750.0251.030.690.373.855
      A41.100.0191.260.840.402.520
      A52.070.0291.741.160.413.149
      M15A60.630.0240.750.500.898.175
      A71.420.0391.030.690.878.414
      A82.420.0481.310.871.067.660
      A103.260.0632.211.470.337.042
      M20A111.220.0531.030.690.2914.011
      A122.030.0661.310.870.3513.388
      A130.710.0361.260.841.1510.589
      A141.610.0581.741.161.4610.817
      灰岩D10.260.0211.310.870.4921.385
      D32.380.1182.151.440.8434.152
      D40.280.0421.741.163.0340.321
      D60.790.0823.162.112.6651.799
      D71.060.0923.632.422.6149.404
      D84.220.3664.563.045.9245.978
      D105.910.5125.363.577.7254.715
      D114.780.2456.161.114.9533.290
      花岗岩H11.050.1131.591.061.0356.430
      H21.140.1582.211.472.5659.995
      H31.670.2022.691.793.4263.938
      H52.430.3324.563.045.6371.631
      H63.020.3695.363.576.8775.020
      H82.690.3557.695.138.2576.612
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      表  5   RDP-Rc模型验证相关试验参数

      Table  5   Parameters for RDP-Rc 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)Rc/MPaRηe/MPa
      M10A32524.761.1842.1363.102.66
      M15A94253.741.1581.58415.6814.33
      M20A154254.761.9381.99820.1222.29
      灰岩D22526.803.6041.30247.5343.04
      D54255.781.6430.39088.35101.46
      D97216.803.2482.40668.7360.81
      花岗岩H44256.805.1801.068164.14143.49
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    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

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