一种岩石单轴抗压强度随钻表征方法

技术领域

本发明属于围岩力学参数测量技术领域，涉及一种岩石单轴抗压强度随钻表征方法。

背景技术

钻孔爆破是矿山生产活动中重要一环，良好的爆破效果对优化采选能耗和采矿效率起着重要作用。良好的爆破效果依赖于与岩石单轴抗压强度(UCS)相匹配的爆破设计。传统的岩石UCS测量方法，如取芯法等，存在测量周期长、成本高等局限性，因此只在特定区域进行少量的测试。然而，由于岩石力学性质存在空间变异性，取芯法难以精细表征特定空间范围内的岩石UCS，仍需进一步发展新的岩石UCS测量方法。

钻孔作为爆破、支护等工程的前置工序，存在数量众多且相距密集的特点。应用随钻测量(MWD)技术可以捕捉钻孔过程中的推力、扭矩、转速、钻速等随钻参数，这些随钻参数与岩石的力学性质存在密切联系，通过建立随钻参数与岩石UCS的关系，可以实现在钻孔过程中岩石UCS的实时表征。这种方法弥补了传统UCS测量手段存在的测试周期长、测试数量少、无法沿钻孔方向连续测量的局限性，为岩体力学性质精细表征提供了新方法。为了利用随钻参数表征岩石的UCS，许多科研人员提出了各种岩石强度模型，如基于能量平衡原理提出了机械比能，用以表征岩石单轴抗压强度(TEALE R.The concept of specific energyin rock drilling[J].International Journal of Rock Mechanics and MiningSciences&Geomechanics Abstracts,1965,2(1):57-73)；基于极限切削平衡，考虑钻头与岩石的摩擦力，推导了单位体积切削能来评估岩石单轴抗压强度(WANG Q,GAO H,YU H,etal.Method for measuring rock mass characteristics and evaluating thegrouting-reinforced effect based on digital drilling[J].Rock Mechanics andRock Engineering,2019,52(3):841-851)；基于数据分析和量纲平衡原理，提出了新的可钻性指标，建立了岩石单轴抗压强度模型(KARASAWA H,OHNO T,KOSUGI M,et al.Methodsto estimate the rock strength and tooth wear whiledrilling with roller-bits-Part 1:Milled-tooth bits[J].Journal of Energy Resources Technology,Transactions of the ASME,2002,124(3):125-132；YU B,ZHANG K,NIU G.Rock strengthdetermination based on rock drillability index and drilling specific energy:numerical simulation using discrete element method[J].IEEE Access,2021,9:43923-43937)。

然而，需要指出的是，模型中的变量，即随钻参数，不仅与岩石强度有关，还与钻进工况有关。例如，在钻进同一岩石时，改变钻机的推力，此时扭矩、钻速均会发生变化，这可能会导致通过强度模型计算出的UCS随推力的变化而发生较大变化，但是UCS作为岩石的客观属性不应发生改变。产生这种问题的原因可能是这些模型主要关注于强度模型与岩石UCS的关系，忽视了钻机工况的变化对强度模型的影响，这会导致在某些钻进工况条件下，模型计算出的岩石UCS与UCS真值的差异较大。考虑随钻参数间的变化关系特征，建立这种关系特征与岩石UCS的定量关系，进而提出新的岩石UCS表征模型，可能是解决以往模型这一局限性的有效途径之一。

发明内容

本发明提供一种岩石单轴抗压强度随钻表征方法，该方法考虑了随钻参数之间的内在变化关系，利用一个只与岩石UCS有关，而不受钻进工况变化影响的指标，表征岩石UCS，进而建立了一种受工况影响较小的岩石单轴抗压强度随钻表征方法。

本发明的技术方案是，一种岩石单轴抗压强度随钻表征方法，岩石单轴抗压强度UCS模型为：

式中，F是钻机在稳定钻进阶段的推力，D是钻机的每转贯入度；a、b、c都是只与钻头性能有关的常数。

进一步地，所述每转贯入度计算式为：

进一步地，所述常数a的获取方法如下：

步骤一，对不同种类岩石用同一种钻头，进行不同设定推力下的钻进试验，得到相应设定推力下钻机在稳定钻进阶段的推力和每转贯入度数据；

步骤二，以所述步骤一得到的推力F为纵坐标，每转贯入度D为横坐标，绘制不同种类岩石的钻进数据，并进行线性拟合F＝f+K

步骤三，建立直线斜率K

进一步地，所述常数b、c的获取方法如下：

建立不同种类岩石单轴抗压强度与对应种类岩石的所述拟合直线斜率K

进一步地，所述岩石种类不少于3种。

进一步优选地，所述不同种类岩石包括黄砂岩、红砂岩、绿砂岩、白砂岩、黑砂岩、石岛红花岗岩、芝麻白花岗岩、芝麻灰花岗岩、黄锈石花岗岩、玄武岩。

进一步地，每种岩石进行2次以上的不同设定推力下的钻进试验。

本发明的有益效果为：提供了一种岩石单轴抗压强度随钻表征方法，该方法考虑了随钻参数之间的内在变化关系，利用只与岩石UCS有关，而不受钻进工况变化影响的指标K

附图说明

图1是岩石推力与每转贯入度的关系。

图2是截距f与斜率K

图3是岩石单轴抗压强度UCS与斜率K

图4是岩石强度模型预测值与单轴压缩试验值对比：(a)Teale模型；(b)Karasawa模型；(c)Zhang模型；(d)Wang模型；(e)本模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例

通过室内岩石力学试验，得到黄砂岩、红砂岩、绿砂岩、白砂岩、黑砂岩、石岛红花岗岩、芝麻白花岗岩、芝麻灰花岗岩、黄锈石花岗岩、玄武岩的单轴抗压强度(UCS)。

本实施例提供一种岩石单轴抗压强度随钻表征方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一，对上述不同种类的岩石进行一系列不同设定推力下的钻进试验，得到相应设定推力下钻机在稳定钻进阶段的推力、钻速和转速数据；再利用公式(1)计算得到每转贯入度：

式中，v为钻速，N为转速。

步骤二，以推力F为纵坐标，每转贯入度D为横坐标，绘制各岩石的钻进数据，按公式(2)并进行线性拟合，分别得到不同种类岩石的拟合直线斜率K

F＝f+K

式中，F为推力，D为每转贯入度，K

步骤三，将式(2)中的截距f与斜率K

f＝aK

式中，对于同一钻头，系数a为常数，从图2可知，a取0.54。

步骤四，将式(3)的f带入式(2)，得到以推力和每转贯入度表示的K

步骤五，建立岩石单轴抗压强度与K

将岩石单轴抗压强度与斜率K

UCS＝bexp(cK

式中，UCS为岩石单轴抗压强度，对于同一钻头，系数b和c为常数，从图3可知，b取21.4253，c取0.18464。

将式(4)中的K

为验证模型准确性、可靠性，选取Teale模型(TEALE R.The concept of specificenergy in rock drilling[J].International Journal of Rock Mechanics and MiningSciences&Geomechanics Abstracts,1965,2(1):57-73.)、Wang模型(WANG Q,GAO H,YU H,et al.Method for measuring rock mass characteristics and evaluating thegrouting-reinforced effect based on digital drilling[J].Rock Mechanics andRock Engineering,2019,52(3):841-851.)、Karasawa模型(KARASAWA H,OHNO T,KOSUGIM,et al.Methods to estimate the rock strength and tooth wear while drillingwith roller-bits-Part 1:Milled-tooth bits[J].Journal of Energy ResourcesTechnology,Transactions of the ASME,2002,124(3):125-132.)、Zhang模型(YU B,ZHANG K,NIU G.Rock strength determination based on rock drillability indexand drilling specific energy:numerical simulation using discrete elementmethod[J].IEEE Access,2021,9:43923-43937.)进行对比，如图4所示，图中横坐标为UCS单轴压缩试验值，相同的横坐标代表同一种岩石，纵坐标为使用强度模型计算得到的UCS预测值。从已有模型(图4a-d)的结果可以看出，同一种岩石(相同横坐标)在不同钻进工况下的UCS预测结果(纵坐标)存在较大差异，而本模型(图4e)在不同钻进工况下的UCS预测值较为接近，差异较小，说明对钻进工况的变化具有更强的适应性。另外，从图4可知，本模型的拟合曲线更接近1:1线，并且决定系数最高，代表UCS预测值和试验值更接近。为定量化评价模型的准确性，进一步对预测结果的平均绝对误差以及变异系数进行了对比，平均绝对误差以及变异系数计算式如式(7)、式(8)所示：

式中，MAE为平均绝对误差，Cv为变异系数，

MAE表示了UCS预测值与试验值之间的平均误差，反映了模型的准确程度。在不同钻进工况下，每种岩石的UCS预测值与试验值之间的MAE如表1所示。结果表明，现有模型Teale模型、Wang模型、Karasawa模型、Zhang模型对十种岩石的平均MAE分别为32.34、32.82、57.05、48.52MPa，本模型的平均MAE为19.80MPa。

Cv反映了钻进工况变化对UCS模型的影响，如表2所示，但Cv不能反映UCS预测值的准确性，综合MAE和Cv值可以更好地分析UCS预测结果。综合对比表1、表2可以发现，Karasawa模型的平均Cv值(0.08)最小，但平均MAE值最大，说明预测的UCS受钻进工况影响较小，但与真实UCS误差较大。Wang模型和Teale模型的平均Cv值最大(0.22)，但平均MAE值较小，表明模型受钻进工况的影响较大，但与真实UCS的误差较小。Zhang模型的平均Cv值(0.16)和平均MAE值在这些对比模型中处于中间位置，表明该模型在预测岩石UCS方面的精度适中，受钻进工况的影响也适中。本模型的平均MAE和Cv(0.09)均处于较低水平，表明即使钻进工况发生改变，仍然能够较为准确的预测出岩石的单轴抗压强度。

表1不同强度模型岩石单轴抗压强度预测值与试验值的平均绝对误差对比.单位：MPa

表2不同强度模型岩石单轴抗压强度预测值与试验值的变异系数对比.