围岩弹性模量随钻现场检测与分区方法

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Field detection and zoning method for the elastic modulus of surrounding rock while drilling

　　

深部工程地质条件复杂，受高应力和开挖扰动影响，易诱发严重围岩变形与顶板垮塌等工程灾害。实时、准确地测定岩石力学参数是分析深部围岩稳定性并预防灾害的必要条件。研究人员采用地下工程智能检测锚固(IDA)系统开展钻进试验，探究了钻进参数与弹性模量(E)之间的相关性与变化规律，提出了随钻E测试模型。试验结果表明，E的平均差值为0.43 GPa，平均误差率为5.49%。在此基础上，建立了围岩E随钻原位分区方法，并针对深部围岩开展了现场钻进试验。建立了围岩等效弹性模量(E_eq)的三维(3D)分区与映射关系模型，实现了围岩E_eq的原位测试以及岩体界面和破裂带的有效识别。在锚杆和锚索钻孔施工过程中，所建立的随钻测试方法能够连续、快速、实时地获取岩石E。该工作为地下工程围岩失稳防控所需的岩体力学参数现场实时获取提供了理论与技术支撑。

围岩弹性模量随钻现场检测与分区方法解析

该论文发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，针对深部地下工程围岩力学参数实时获取难题，提出了基于钻进参数的围岩弹性模量(E)随钻测试与分区评价方法。

1 研究背景
深部开采、隧道建设等地下工程面临复杂地质条件，高应力与开挖扰动常诱发围岩大变形和顶板垮塌等灾害。实时、准确获取岩石力学参数是分析深部围岩稳定性和灾害防控的前提，其中弹性模量(E)是表征岩体性质的关键指标。传统E测试以室内压缩试验为主，难以原位测试；静力触探法、声波测试法和膨胀计法等现场方法测试深度受限，且多数需在钻后测试。数字钻探测试技术为现场E测试提供了新途径，但已有研究多集中于岩石强度与钻进参数的关系，对随钻E测试和深部巷道现场应用仍需拓展。为此，研究人员利用智能检测锚固(IDA)系统开展钻进试验，建立随钻E测试模型与原位分区方法。

2 主要技术方法
研究人员采用智能检测锚固(IDA)系统，在实验室对水泥砂浆和岩石试件（E=1.56–9.54 GPa，共17个试件，其中14个建模、3个验证）开展钻进试验，并在深部矿井巷道选取3个水平钻孔（ZK1–ZK3，孔深9000 mm）开展现场试验。关键技术包括：实时监测钻进压力(F)、钻进扭矩(M)、转速(N)和钻进速度(V)；基于钻头受力分析和能量守恒定义切割能量密度(η_e)，建立随钻等效弹性模量(E_eq)测试模型(DT-E_eq模型)；采用Pearson相关系数评价参数相关性；利用Savitzky–Golay平滑算法处理E_eq曲线；构建三维(3D)分区与映射图。

3 研究结果

2.1 试验设计
对不同E的水泥砂浆和岩石试件进行组合钻进试验，每组按E大小交错布置，模拟现场岩层分布。试验采用恒N、恒V控制模式，通过IDA系统实时采集F、M、N、V随钻孔深度(h)的变化曲线。

2.2 试验结果
钻进参数曲线总体稳定波动；V和N围绕设定值波动，而F和M因不同试件E差异而在不同数值附近小范围波动。E越大，破碎岩石所需压力和扭矩越大，F和M均呈增大趋势。

3.1 波动响应特征
同一岩层内，钻进参数近似服从正态分布；不同岩层间，F和M随E增大而增大。控制参数N和V对E变化不敏感，响应参数F和M对E表现出强依赖性。

3.2 钻进参数与E的相关性
Pearson相关分析显示，N、F、M与E的相关系数分别为0.17、0.81和0.89，F和M与E呈较强正相关，可作为预测E的自变量。同时，F与M相关系数为0.97，存在多重共线性，需引入V和N进行综合优化。

4.1 测试模型的建立
根据钻头切削力学模型和能量守恒原理，将F、M、N、V归一化为切割能量密度(η_e)，建立随钻岩石等效弹性模量E_eq测试模型(DT-E_eq模型)，拟合系数R²=0.8062。

4.2 测试模型的验证
将验证组试件钻进参数代入模型，获得的E_eq与实测E平均差值为0.43 GPa，平均误差率为5.49%；E_eq曲线还可识别岩层界面