基于极限平衡的 roadway周围岩体UCS实时反演方法

《Measurement》：A real-time method for inverting the UCS of roadway surrounding rock based on limit equilibrium

　　•基于LETB的方法被开发用于实时进行围岩单轴抗压强度反演。•为煤矿建立了实时钻进参数采集系统。•原位试验验证了基于钻进响应的围岩单轴抗压强度反演方法的有效性。引言随着机械化与智能技术在煤矿巷道掘进及支护作业中的日益应用[1]、[2]，顶板锚杆钻机在围岩锚固支护中得到了广泛使用。一个关键挑战在于如何利用智能顶板锚杆钻机获取的钻进参数，实现对围岩岩性的实时感知，从而更精确地设计围岩支护参数[3]、[4]。在此背景下，来自石油行业的随钻测量技术被引入到矿物开采和巷道掘进等领域，促使多种基于钻进的围岩单轴抗压强度估算方法得以发展[5]、[6]。瑞典的主要钻机制造商，如阿特拉斯·科普柯、山特维克和艾派克，已成功将随钻测量技术集成到其智能采矿设备中，推动了数据采集系统的智能化与一体化[7]。先前的研究[8]、[9]、[10]开发了数字钻进过程监测系统、XCY-1以及SDT随钻测量系统，通过利用工程现场围岩钻孔中采集的钻进参数来估算巷道围岩的单轴抗压强度，从而证明了从钻进数据中估算岩石力学参数的可行性。此外，将智能采矿设备获取的钻进数据与岩石物理性质相结合具有巨大潜力。一些研究人员基于机器学习方法开发了数据驱动模型，通过直接从现场测量数据建立统计关系，实现围岩岩性的快速实时预测，为特定场景下的工程勘探提供有效支持[11]。Mahmoud[12]利用现场采集的钻孔数据，包括钻进速度、泥浆流量以及钻柱旋转速度，研究了人工神经网络、自适应神经模糊推理系统以及功能神经网络在实时预测钻进过程中岩性变化及地层顶部特征方面的能力。多晶金刚石钻头是巷道锚固与注浆支护中的重要工具。为了从岩石力学的角度理解岩石切割行为以及钻头与岩石相互作用的基本原理，人们对钻进过程中的岩石破碎机制进行了大量的理论、实验和数值研究[5]。Evans[13]首次提出了基于煤岩平面切割实验的切割机制模型。在此基础上，Y. Nishimatsu[14]受到Merchant[15]、[16]的金属切割模型的启发，认为岩石切割过程包括初始破碎阶段和剪切阶段，并提出了相应的剪切模型。Che等人[17]以Merchant的金属切割理论[15]、[16]为基础，考虑了刀具前刀面下方的岩石断裂带，基于力平衡原理和最小能量原则建立了切割模型。Detournay和Defourny[18]提出了钻头切割理论，建立了尖锐刀具和钝头刀具的切割模型，并推导出了推力、扭矩与钻进速度之间的线性关系。Chen等人[5]、[19]为多晶金刚石钻头建立了三维岩石破碎模型，运用孔隙弹性理论计算了切割过程中岩石的应力状态，从而能够准确预测切割力。从能量平衡的角度出发，Teale[20]引入了比能这一概念来量化岩石切割的效率，将其定义为打破单位体积岩石所需的能量。在此基础上，Wang[21]利用自设计的多晶金刚石钻头，根据钻进过程中的力特性，推导出了单位切割能量与钻进参数之间的关系，并建立了岩石单轴抗压强度与单位切割能量之间的方程式。Mohammadnejad[22]采用了一种新的有限元方法——离散元方法，模拟了机械切割和划擦试验中的岩石破碎现象，揭示了岩石破碎及形态形成的微观机制。近年来，随着智能传感技术和智能采矿机械的快速发展，随钻测量技术也逐步成熟。研究人员越来越多地尝试将现场测量数据与多晶金刚石钻头的岩石破碎机制相结合，开发出从钻进参数识别岩性并估算单轴抗压强度的方法。Yue等人[8]、[23]、[24]开发了一种数字钻孔监测仪器，并将其应用于现场工程勘察中。通过建立时空时间序列分析方法，他们准确地确定了钻进速度，发现钻头钻进时间曲线呈分段线性特征，每一段对应一个恒定的钻进速度。每个恒定钻进速度段代表一个均匀的难钻岩石单元，而相邻恒定钻进速度段之间出现的突然变化，或是速度下降的区间，则表明钻孔遇到了岩石不连续面，或者该区域由土壤、空洞或腔体组成。Wang等人[10]在高压矿井的典型巷道中使用了SDT系统原型进行了现场钻进试验，验证了SDT系统以及基于钻进的单轴抗压强度预测模型在工程应用中的有效性。Guo等人[25]以顶板锚杆钻进为研究对象，分析了整个钻进过程及钻进姿态，建立了钻进参数与单轴抗压强度之间的理论关系，并通过使用实时岩石性质测量系统对煤矿巷道中的顶板锚杆钻孔进行钻进试验，验证了该模型的工程意义。Bai等人[26]提出了一种基于随钻测量试验物理信息融合的单轴抗压强度预测方法。他们运用布辛涅斯克弹性半空间理论，基于钻进参数建立了单轴抗压强度的力学基本模型，进而通过现场试验得出了碳质板岩、花岗岩和砂岩的单轴抗压强度经验公式。尽管取得了这些进展，但在钻进过程中识别岩性仍面临两大挑战。首先，从岩石破碎机制的角度对钻进过程的解释仍然过于简化，难以准确建立钻进参数与岩石力学性质之间的关系。因此，基于分析模型，直接从智能现场钻机采集的数据实现实时岩性感知仍是一项重大挑战。其次，在煤矿作业中，地下环境通常存在复杂的地质条件，如较高的原位应力和高气体含量。现有的煤矿智能设备还不够完善，目前的钻机和传感器仍无法完全满足实时且精确的数据采集需求。本研究旨在实现巷道围岩单轴抗压强度的实时反演，基于极限平衡理论建立了多晶金刚石钻头在岩石中钻进时的岩石破碎模型，并推导出了岩石力学参数与钻进参数之间的定量关系。同时，通过对煤矿顶板锚杆钻机进行智能化升级，将随钻测量系统与现场设备相集成，并安装多个传感器以实时采集钻进响应数据。在此基础上，建立了基于实时钻进参数的分析型单轴抗压强度反演模型。将该模型与钻孔成像及实验室测试结果进行比较，以评估其工程适用性。本研究实现了在钻进过程中对巷道围岩单轴抗压强度的实时反演，为动态调整岩石锚杆支护参数提供了科学依据。章节节选巷道围岩单轴抗压强度反演方法所提出的单轴抗压强度反演框架包含两个部分：（1）基于物理原理的模型，该模型根据钻进响应计算出由钻进过程得出的预测单轴抗压强度UCSp；（2）用于在煤矿巷道中采集所需钻进参数的数字顶板锚杆钻机。在本研究中，“单轴抗压强度反演”指的是从钻进响应中推导出UCSp的计算过程。符号σc表示完整试样在实验室条件下测得的单轴抗压强度。基于钻进过程的UCSp实验设计与实施原位数字钻进试验在位于中国安徽省阜阳市谢桥矿进行。该矿地处华北煤田的南部边缘，这一大型煤田形成于石炭纪至二叠纪期间。该地区的主要盆地地层包括上古生代盆地沉积物、太原组、下石盒子组、上石盒子组以及山西组。这里的优势岩性为砂岩、泥岩、粉砂岩。DAS性能分析为验证DAS的原位测试性能，选取了典型钻孔BH#1的第三个钻进周期作为示例，记为BH#1-3。根据整个钻进过程的阶段划分，从原始监测数据中去除了空载进给、停机以及抽回钻杆等辅助操作，仅保留了稳定的岩石破碎钻进阶段。通过分析DPM系统[24]记录的多个参数的时间变化情况……讨论LETB模型将岩石视为均匀的弹性介质，以此建立钻进参数与单轴抗压强度之间的关系。然而，巷道围岩通常具有非均匀性，存在断层、岩性界面以及破碎带。这些不连续面会降低岩石的整体性，影响裂纹的发展、切割力、切屑形成、推力、扭矩以及钻进速度[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。因此，当前的模型可能无法完全反映实际情况。结论本研究提出了一种基于极限平衡理论、从钻进响应中实时反演巷道围岩单轴抗压强度的方法。研究团队开发了数字钻进参数采集系统，并将其集成到顶板锚杆钻机中。通过结合原位数字钻进试验、钻孔成像以及针对原位岩石样本的标准实验室测试，实现了对由钻进过程得出的UCSp的连续计算与分区表征。主要结论如下……作者贡献声明周星远：撰写——初稿、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念构建。岳中文：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金筹集。马文彪：研究、数据整理。龙思辰：资源协调、研究、数据整理。刘伟：撰写——审阅与编辑。岳小雷：撰写——审阅与编辑。徐晓东：研究。任萌：撰写——审阅与编辑。资金支持本研究得到了中国国家自然科学基金[52174094, 52504163]以及中国国家重点研发计划[2021YFC2902103]的支持。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。周星远|岳中文|马文彪|龙思辰|刘伟|岳小雷|徐晓东|任萌