一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于巖土工程勘察技術領域，公開了一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其特征在于，包括：建立待測試對象的鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系；根據實際鉆進參數，依據所述量化對應關系獲取對應的巖體力學參數；其中，據實際地質情況將待測對象分為不同區(qū)段，建立鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系。本發(fā)明提供了一種可靠性強、便捷可靠，適用范圍廣的深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法。
【專利說明】
一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法及裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程勘察技術領域，特別涉及一種深部地下工程的巖體力學特性 原位鉆進測試方法。
【背景技術】
[0002] 隨著人類經濟社會發(fā)展的要，已有越來越多的工程建設在深部地下開展，如水利 水電工程的地下隧洞和廠房、交通工程中的深埋隧洞、礦山工程中的深部采場、能源貯備和 核廢料深部處置中的洞室，以及滿足生物與地球物理學研究的深部科學計劃一深部地下實 驗室等。
[0003] 多年來，深部高地應力地下工程勘察一直以來都是國內外一個十分重要的研究課 題。目前，深部地下工程的勘察還處于探索和積累經驗階段，不僅需要工程地質分析、評價 理論的豐富與完善，更需要勘察技術與方法的突破與創(chuàng)新。鉆孔作為深部地下工程勘察手 段之一能直接有效的了解地層巖性、地質構造、巖溶等基本地質條件，通過巖芯觀察判斷隧 洞圍巖類別，通過在鉆孔內進行試驗與測試工作，獲得深部巖體物理力學參數等。
[0004] 眾所周知，巖體的力學特性是評價工程巖體穩(wěn)定性的主要參數，然而現有技術多 采用實時重復采樣測量，整體評價的可靠性受采樣情況的影響較大；同時操作復雜，尤其是 深部地下，方法單一，自動化程度低，導致勞動強度大。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明提供一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法及裝置，解決現 有技術中深部地下巖體力學特性測量方法單一，效率低，可靠性低，勞動強度大的技術問 題。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進 測試方法，包括：
[0007]建立待測試對象的鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系；
[0008] 根據實際鉆進參數，依據所述量化對應關系獲取對應的巖體力學參數；
[0009] 其中，據實際地質情況將待測對象分為不同區(qū)段，建立鉆進參數與巖體力學參數 的量化對應關系。
[0010]進一步地，建立鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系包括以下步驟：
[0011]通過鉆機執(zhí)行鉆進操作；
[0012]在鉆進過程中，實時獲取鉆進參數以及此刻的鉆孔巖芯；
[0013] 對所述鉆孔巖芯進行試驗并根據巖體強度準則獲得對應區(qū)段巖體的力學參數；
[0014] 建立鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系；
[0015]其中，所述鉆進參數包括:鉆進速度以及鉆孔孔壁圖像;所述鉆進速度、鉆孔孔壁 圖像以及所述鉆孔巖芯依據采集位置相互對應。
[0016]進一步地的，所述鉆孔孔壁圖像包括:鉆孔壁360°圖像；
[0017] 所述鉆孔壁360°圖像通過數字化處理得到鉆孔孔壁的平面展開圖和鉆孔巖芯圖， 獲得鉆孔內巖體裂隙的分布情況、巖性及風化程度，并以此進行區(qū)段劃分，并標記。
[0018] 進一步地，將標記的區(qū)段、鉆進速度以及此區(qū)段的巖體力學參數進行擬合，獲得包 含巖體裂隙的分布情況、鉆進速度以及巖體力學參數的量化關系。
[0019] 進一步地，在鉆進過程中，鉆進設備的運行參數設定始終不變。
[0020] 進一步地，所述巖體力學參數包括:巖體的彈性模量(Em)、粘聚力（c)及內摩擦角 ((；)
[0021] -種深地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試裝置，包括:鉆進設備；
[0022] 鉆進測量單元，設置在所述鉆進設備上，跟隨其動作，獲取實時鉆進速度及鉆進距 離；
[0023] 攝像單元，實時獲取鉆孔孔壁圖像；
[0024] 數字處理單元，分別與所述鉆進測量單元以及所述鉆進攝像單元相連，獲取鉆進 速度、鉆進距離以及鉆孔孔壁圖像；
[0025] 其中，依據所述鉆孔孔壁圖像將鉆孔巖芯，依據巖性、巖體裂隙度及風化程度分區(qū) 段并標記，并將區(qū)段標記存儲在所述數字處理單元;同一區(qū)段具備相似的特征；
[0026] 將所述鉆進設備收集的鉆孔巖芯進行試驗，并依據巖體強度準則獲得巖體力學參 數，存儲在所述數字處理單元；
[0027] 所述數字處理單元將區(qū)段的標記、鉆進速度以及其力學參數進行擬合。
[0028] 進一步地，所述鉆進測量單元包括:測速測距傳感器;實時記錄鉆進速度和到原位 點的距離。
[0029] 進一步地，所述攝像單元包括:鉆孔攝像儀;獲取鉆孔孔壁圖像。
[0030] 進一步地，所述數字處理單元包括:工控機。
[0031] 本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：
[0032] 本申請實施例中提供的深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，通過建 立實施鉆進參數與巖體力學參數的量化關系，使得實時測量時，通過鉆進參數便捷的得到 對應巖體的力學特性參數，大大提升了測量的可靠性;另一方面，也大大降低了巖體實時測 量的勞動量，提升了測量效率和自動化程度，更能推廣到類似的巖體，適應范圍擴大。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明實施例提供的鉆孔深度隨時間變化的全過程曲線；
[0034] 圖2為本發(fā)明實施例提供的鉆進速度隨孔深變化的全過程曲線；
[0035] 圖3為本發(fā)明實施例提供的鉆孔巖體巖芯區(qū)段劃分結構示意圖；
[0036]圖4為本發(fā)明實施例提供的彈性模量Em與鉆進速度的定量關系擬合曲線；
[0037] 圖5為本發(fā)明實施例提供的粘聚力c與鉆進速度的定量關系擬合曲線；
[0038] 圖6為本發(fā)明實施例提供的內摩擦角識與鉆進速度的定量關系擬合曲線。
【具體實施方式】
[0039] 本申請實施例通過提供一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法及 裝置，解決現有技術中深部地下巖體力學特性測量方法單一，效率低，可靠性低，勞動強度 大的技術問題;達到了提升可靠性，降低勞動強度，提升測試效率和自動化程度的技術效 果。
[0040]為解決上述技術問題，本申請實施例提供技術方案的總體思路如下：一種深部地 下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其特征在于，包括：
[0041 ]建立待測試對象的鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系；
[0042]根據實際鉆進參數，依據所述量化對應關系獲取對應的巖體力學參數；
[0043]其中，據實際地質情況將待測對象分為不同區(qū)段，建立鉆進參數與巖體力學參數 的量化對應關系。
[0044] 通過上述內容可以看出，通過鉆進以及實時測量操作，建立鉆進參數與巖體力學 特性的量化關系，從而實現后續(xù)針對此巖體對象或者類似對象的簡化測量；即僅需要知道 鉆進參數，并結合鉆孔圖像就可以獲得對應的力學特性參數，而不需要在取出巖芯進行一 系列實驗，大大降低了勞動強度和復雜程度;同事也大大提升了后續(xù)試驗的效率。
[0045] 為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上 述技術方案進行詳細說明，應當理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技 術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不沖突的情況下，本申請實施例 以及實施例中的技術特征可以相互組合。
[0046] 本發(fā)明實施例提供的一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，包 括：
[0047]建立待測試對象的鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系；
[0048] 根據實際鉆進參數，依據所述量化對應關系獲取對應的巖體力學參數；
[0049] 其中，據實際地質情況將待測對象分為不同區(qū)段，建立鉆進參數與巖體力學參數 的量化對應關系。
[0050] 即，將以巖體內部不同地質情況，劃分成不同區(qū)段，建立鉆進參數與巖體力學參數 的量化對應關系，從而提供一種可靠的適應性。具體來講，實時測量的每個區(qū)段構成一個樣 本參數集合，可以通過收集多個樣本數據進行擬合，形成穩(wěn)定可靠的對應量化關系，大大提 升其數據精度和可靠性。
[0051 ]建立鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系包括以下步驟：
[0052]首先，通過鉆機執(zhí)行鉆進操作;在鉆進過程中，實時獲取鉆進參數以及此刻的鉆孔 山一H- 石心；
[0053]對所述鉆孔巖芯進行試驗并根據巖體強度準則獲得其對應巖體的力學參數；
[0054] 建立鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系；
[0055] 其中，所述鉆進參數包括:鉆進速度以及鉆孔孔壁圖像;所述鉆進速度、鉆孔孔壁 圖像以及所述鉆孔巖芯依據采集位置相互對應。
[0056] 即，確立某一區(qū)段巖芯，并將其通過試驗獲取實驗數據的巖體力學參數，而后根據 巖體力學強度準則進行數據換算，得到實際巖體力學參數。
[0057] 并進一步，將此刻的鉆進速度、鉆孔孔壁圖像以及區(qū)段進行關聯，形成鉆進參數與 力學參數的關聯。其中，力學參數可以是任何可行參數組合;本實施例提供的巖體力學參數 組合包括:巖體的彈性模量E m、粘聚力C及內摩擦角妒_??
[0058]所述鉆孔孔壁圖像包括:鉆孔壁360°圖像;依據所述鉆孔壁360°圖像顯示的巖壁 情況，將所述鉆孔巖芯分成區(qū)段，并標記。即，通過對圖像的分析，具體的將待測試巖體劃分 成幾個不同區(qū)段，形成若干個關聯集合。
[0059] 所述鉆孔壁360°圖像通過數字化處理得到鉆孔孔壁的平面展開圖和鉆孔巖芯圖， 獲得鉆孔內巖體裂隙的分布情況，并以此進行區(qū)段劃分。
[0060] 進一步地，將標記的區(qū)段、鉆進速度以及此區(qū)段的巖體力學參數進行擬合，獲得包 含巖體情況、鉆進速度以及力學參數的量化關系。
[0061] 進一步地，在鉆進過程中，鉆進設備的運行參數設定始終不變;保持標準的統一 性，使得采集的鉆進參數是在同一標準下獲得的，使得鉆進參數的采集可靠性大大提高。
[0062] 采用上述方案進行測量，本實施例還提出了一種裝置。
[0063] -種深地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試裝置，包括:鉆進設備；
[0064]鉆進測量單元，設置在所述鉆進設備上，跟隨其動作，獲取實時鉆進速度及鉆進距 離；
[0065]攝像單元，獲取鉆孔孔壁圖像；
[0066] 數字處理單元，分別與所述鉆進測量單元以及所述鉆進攝像單元相連，獲取鉆進 速度、鉆進距離以及鉆孔孔壁圖像;將區(qū)段標記存儲在所述數字處理單元；
[0067] 將所述鉆進設備收集的鉆孔巖芯進行試驗，并依據巖體強度準則獲得巖體力學參 數，存儲在所述數字處理單元；
[0068] 所述數字處理單元將區(qū)段的標記、鉆進速度以及其力學參數進行擬合。
[0069] 所述鉆進測量單元包括:測速測距傳感器;實時記錄鉆進速度和到原位點的距離。 [0070]所述攝像單元包括:鉆孔攝像儀;獲取鉆孔孔壁圖像。
[0071 ]所述數字處理單元包括:工控機;實現便捷的人機交流，數據輸入以及擬合分析。 [0072]下面將通過一個具體的實施例介紹。
[0073]鉆孔機組執(zhí)行在深部地層巖體鉆井眼這樣的鉆孔作業(yè);鉆進測量單元測量并采集 存儲與鉆進有關的動態(tài)參數。
[0074] 參見圖1和圖2,測速測距傳感器用以監(jiān)測測量相對于基準點的鉆進尺寸和鉆進速 度。實時地將測量數據連續(xù)存儲，根據對實時鉆進參數數據的分析生成鉆頭鉆進深度一隨 時間變化的曲線，鉆進速度隨深度變化的過程曲線。
[0075]需要注意的是，在鉆孔的整個過程中，鉆機油壓等外部參數(鉆頭上的推進力）的 設置應始終保持不變，此條件下得到的鉆進參數過程曲線才可用以測試分析沿鉆孔的巖體 力學特性。
[0076]參見圖3，利用數字鉆孔攝像儀自孔口至孔底獲取鉆孔壁360°圖像，數字化處理后 獲得巖體裂隙等結構面的分布情況，從而對鉆孔全程的巖體結構進行分區(qū)。
[0077]依據巖性及巖體裂隙度及風化程度，對鉆孔沿線的巖體，按照深度進行區(qū)段劃分， 并進行標記。具體來講，以K代表巖體裂隙度為主要標準進行劃分，即是指沿鉆孔軸線單位 長度上的節(jié)理數量作為主要劃分標準;也還可以以某些巖性主要參數為指標進行劃分。 [0078] 完整巖體區(qū)段的K = 0,疏節(jié)理巖體區(qū)段K=1~3 · πΓ1，密節(jié)理巖體區(qū)段K = 3~10 · πΓ1，不含端點3,非常密集節(jié)理巖體區(qū)段Κ>10 · nf1。
[0079]通過室內試驗獲取不同深度鉆孔巖芯的力學參數并將其轉換成對應區(qū)段巖體的 力學參數。
[0080]參見圖4~6,并進一步通過區(qū)段多樣本擬合獲得鉆進速度對應的量化曲線關系。 [0081 ]下面結合實例對本發(fā)明測試方法做進一步說明。
[0082] 具體實施例：
[0083]本實例對埋深2370m的錦屏二級水電站試驗隧洞的巖體結構與力學特性進行原位 測試，鉆孔孔深35.96m。具體步驟和方法如下：
[0084]在鉆機機組上安裝鉆進測量單元，并進行鉆進操作。在本實例中，鉆機機組為一個 液壓回轉式鉆機。鉆機鉆進時，鉆頭一邊旋轉，一邊被頂推進入井眼的底端。輸出與移動量 成正比例的電壓信號。
[0085]鉆進測量單元將所測的模擬電壓信號輸送至數字處理單元，由工控機對鉆進參數 數據進行存儲與分析。
[0086]通過對監(jiān)測數據的進一步分析處理，產生鉆進速度隨深度變化的過程曲線。
[0087]圖1是鉆孔15.68~26.36m范圍內位移隨時間變化的實時曲線，橫坐標為鉆進的實 時時間，縱坐標為鉆桿的位移，單位是_。
[0088] 圖2是鉆進速度隨孔深變化的全過程曲線。
[0089] 參見圖3,在鉆孔內安裝數字鉆孔攝像儀，通過數字攝像儀獲得的鉆孔虛擬巖芯和 平面展開圖，直觀顯示了裂隙等結構面的產狀和寬度。根據不同時間段同部位的測試圖像， 可進一步獲得裂隙等結構面的產生和發(fā)展演化特征。
[0090] 參見圖4~6,對采取的部分巖芯進行室內試驗獲得鉆孔全程不同區(qū)段的巖體力學 特性參數，采用某些巖體強度準則將巖芯的力學參數轉換成對應區(qū)段巖體的力學參數，從 而建立鉆速與巖體力學參數之間的定量關系。
[0091] 綜上所述，鉆進過程監(jiān)測系統可以對深部巖體信息進行追蹤。根據鉆進參數的變 化特征并結合鉆孔攝像可對深部巖體結構進行準確可靠的判斷;根據鉆進過程中鉆速的變 化特征并結合室內巖芯試驗可獲得鉆速與所穿透巖體的力學參數之間的定量關系，在相似 的地質及鉆進條件下，基于連續(xù)監(jiān)測的鉆速參數并結合沿孔壁的鉆孔攝像圖像，利用此定 量關系可以求取連續(xù)的、可靠的深部巖體的力學特性參數。該測試方法突出多手段結合，可 靠度高，對于深部高地應力巖體結構與力學特性進行綜合的評價，以對深部地下工程設計 與施工提供可靠的依據。
[0092] 最后所應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制， 盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明 的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋 在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其特征在于，包括： 建立待測試對象的鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系； 根據實際鉆進參數，依據所述量化對應關系獲取對應的巖體力學參數； 其中，據實際地質情況將待測對象分為不同區(qū)段，建立鉆進參數與巖體力學參數的量 化對應關系。2. 如權利要求1所述的深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其特征在于， 建立鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系包括以下步驟： 通過鉆機執(zhí)行鉆進操作； 在鉆進過程中，實時獲取鉆進參數以及此刻的鉆孔巖芯； 對所述鉆孔巖芯進行試驗并根據巖體強度準則獲得對應區(qū)段巖體的力學參數； 建立鉆進參數與巖體力學參數的量化對應關系； 其中，所述鉆進參數包括:鉆進速度以及鉆孔孔壁圖像;所述鉆進速度、鉆孔孔壁圖像 以及所述鉆孔巖芯依據采集位置相互對應。3. 如權利要求2所述的深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其特征在于， 所述鉆孔孔壁圖像包括:鉆孔壁360°圖像； 所述鉆孔壁360°圖像通過數字化處理得到鉆孔孔壁的平面展開圖和鉆孔虛擬巖芯圖， 獲得鉆孔內巖體裂隙的分布情況、巖性及風化程度，并以此進行區(qū)段劃分，并標記。4. 如權利要求3所述的深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其特征在于： 將標記的區(qū)段、鉆進速度以及此區(qū)段的巖體力學參數進行擬合，獲得包含巖體裂隙的分布 情況、鉆進速度以及巖體力學參數的量化關系。5. 如權利要求4所述的深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其特征在于： 在鉆進過程中，鉆進設備的運行參數設定始終不變。6. 如權利要求1~5任一項所述的深部地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試方法，其 特征在于，所述巖體力學參數包括:巖體的彈性模量(E m)、粘聚力(C )及內摩擦角（p.)。7. -種深地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試裝置，包括:鉆進設備；其特征在于， 還包括： 鉆進測量單元，設置在所述鉆進設備上，跟隨其動作，獲取實時鉆進速度及鉆進距離； 攝像單元，獲取鉆孔孔壁圖像； 數字處理單元，分別與所述鉆進測量單元以及所述鉆進攝像單元相連，獲取鉆進速度、 鉆進距離以及鉆孔孔壁圖像； 其中，依據所述鉆孔孔壁圖像將鉆孔巖芯，依據巖性、巖體裂隙度及風化程度分區(qū)段并 標記，并將區(qū)段標記存儲在所述數字處理單元;同一區(qū)段具備相似的特征； 將所述鉆進設備收集的鉆孔巖芯進行試驗，并依據巖體強度準則獲得對應區(qū)段的巖體 力學參數，存儲在所述數字處理單元； 所述數字處理單元將區(qū)段的標記、鉆進速度以及其力學參數進行擬合。8. 如權利要求7所述的深地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試裝置，其特征在于，所 述鉆進測量單元包括:測速測距傳感器;實時記錄鉆進速度和到原位點的距離。9. 如權利要求7所述的深地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試裝置，其特征在于，所 述攝像單元包括:鉆孔攝像儀;獲取鉆孔孔壁圖像。10.如權利要求7~9任一項所述的深地下工程的巖體力學特性原位鉆進測試裝置，其 特征在于，所述數字處理單元包括:工控機。
【文檔編號】E21B47/002GK105927211SQ201610238810
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】李邵軍, 劉國鋒, 馮夏庭, 譚雙
【申請人】中國科學院武漢巖土力學研究所