鉆進(jìn)破巖效率與巖體識(shí)別研究現(xiàn)狀

鐘小宇

（鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051）

露天礦牙輪鉆鉆進(jìn)礦巖是露天開采中破碎巖石的重要環(huán)節(jié)，鉆進(jìn)效率與巖石的性質(zhì)密不可分，為了研究效率與巖石性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用鉆進(jìn)參數(shù)反饋巖石性質(zhì)進(jìn)行大量研究，并以三大理論學(xué)說為基礎(chǔ)，展開理論研究，建立鉆進(jìn)參數(shù)與巖體特征關(guān)聯(lián)參數(shù)，在礦山鉆進(jìn)工作中得到了驗(yàn)證。

鉆進(jìn)智能化是采礦工程技術(shù)的研究基礎(chǔ)，鉆進(jìn)效率往往通過鉆進(jìn)時(shí)間來衡量，但如何減少鉆進(jìn)時(shí)間成為了鉆山鉆孔方向亟待解決的問題，人工智能、5G等新興智能化手段的興起，逐漸被應(yīng)用在工程上，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸、工作參數(shù)獲取以及巖性識(shí)別等，從技術(shù)手段大大縮短作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率。

1 三大破碎學(xué)說

1.1 新表面學(xué)說

巖石破碎是從整塊巖體破碎成不同粒徑的巖塊，巖石受到外力破碎后新生表面積增加，1867年德國(guó)學(xué)者Rittinger根據(jù)這一現(xiàn)象提出了新表面學(xué)說，并解釋破碎比功與破碎后巖石新生表面積成正比，即破碎功越大，巖石新生表面積越多，巖石破碎塊度越小。

1.2 體積學(xué)說

1885年Kick提出體積學(xué)說，考慮克服巖石內(nèi)聚力所做的功，巖石在受到外部載荷作用下發(fā)生變形，達(dá)到巖石變形極限的時(shí)候發(fā)生破碎，巖石由外力產(chǎn)生的變形所消耗的功與巖石體積成正比，體積越大的巖石存在變形能越大。

1.3 裂紋學(xué)說

F.C.Bond在1952年提出了裂紋學(xué)說，該學(xué)說結(jié)合前兩者的新表面說和體積學(xué)說，解釋了巖石破碎從變形到新生表面，中間巖石會(huì)出現(xiàn)裂隙，巖石破碎過程中產(chǎn)生裂隙所做的功即為裂紋說的破碎比功，破碎比功與裂縫成正比，裂縫與破碎后巖石粒子的大小（直徑或邊長(zhǎng)）的平方根成正比。

破碎比功三大學(xué)說是研究巖石破碎的重要理論依據(jù)，基于此進(jìn)行試驗(yàn)、工程應(yīng)用等，進(jìn)一步研究巖石破碎學(xué)相關(guān)的影響參數(shù)，以及巖石可鉆性和鉆進(jìn)效率之間的必要聯(lián)系。

2 巖石可鉆性研究現(xiàn)狀

2.1 鉆進(jìn)參數(shù)與巖石可鉆性

牙輪鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，鉆進(jìn)參數(shù)與巖體質(zhì)量匹配問題不可忽視。鄧嶸等[1]基于D-P準(zhǔn)則和數(shù)值模擬軟件，建立了單牙輪鉆鉆頭鉆進(jìn)的動(dòng)力學(xué)模型，分析表明模擬出的單牙輪鉆鉆頭的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)速與實(shí)際相符合，巖石硬度與鉆速成反比，鉆壓與鉆速成正比。為了獲取合理牙輪鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)，曾俊強(qiáng)等[2]通過對(duì)花崗巖的力學(xué)試驗(yàn)，基于DPM系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，提出鉆進(jìn)比能的概念，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與巖石強(qiáng)度參數(shù)相接近，能夠通過鉆進(jìn)參數(shù)快速獲得巖體的質(zhì)量。李哲等[3]基于能量守恒定律提出鉆進(jìn)功速比的概念，根據(jù)巖石的可鉆性理論進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到功速比與圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的映射關(guān)系，基于此實(shí)現(xiàn)功速比識(shí)別和劃分圍巖軟硬度，驗(yàn)證了鉆進(jìn)功速比的概念可應(yīng)用于隧道超前預(yù)報(bào)。劉垚鑫等[4]采用鉆孔窺視對(duì)覆巖關(guān)鍵層進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)分析鉆桿振動(dòng)能量與巖石強(qiáng)度關(guān)系，建立巖體結(jié)構(gòu)識(shí)別模型，得到巖石的彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨鉆桿振動(dòng)能量的增大而增大，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵層頂板覆巖的精準(zhǔn)識(shí)別。劉志強(qiáng)等[5]整理了千米級(jí)深豎井鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)和裝備，并明確指出研究鉆進(jìn)技術(shù)與巖石類型相匹配、鉆進(jìn)的推進(jìn)方式、精準(zhǔn)鉆進(jìn)智能控制技術(shù)等是我國(guó)千米級(jí)豎井掘進(jìn)的重要攻克難題。

牙輪鉆機(jī)主要工作參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等，鉆進(jìn)效率衡量標(biāo)準(zhǔn)是獲取鉆機(jī)的最優(yōu)時(shí)間，為此研究工作參數(shù)與鉆進(jìn)的巖石力學(xué)性質(zhì)匹配關(guān)系就格外重要，圍繞鉆進(jìn)獲取的參數(shù)與破巖效率，閆鐵等[6]基于分形維數(shù)理論提出了破巖效率不僅與鉆進(jìn)參數(shù)有關(guān)，還與巖石破碎體的粒度和尺寸有關(guān)，通過碎巖能量分形模型，獲得隨鉆碎巖能量參數(shù)，進(jìn)而提高鉆進(jìn)效率。祝效華等[7]通過對(duì)巖石的靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)和沖擊載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立空氣沖旋鉆井與巖石特性的互交模型，研究臨界沖擊功、鉆壓和巖石性質(zhì)對(duì)破巖效率的影響，并建立最佳鉆進(jìn)參數(shù)匹配組合。2014年，祝效華等[8]又考慮到破巖鉆進(jìn)過程中鉆具的橫向振動(dòng)特征對(duì)鉆進(jìn)效率的影響，建立了動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)鉆壓、鉆速進(jìn)行分析，研究表明鉆具的橫向振動(dòng)根據(jù)鉆壓和鉆速的增大而增大，加劇了振動(dòng)頻率，不利于鉆具的有效鉆進(jìn)。

針對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)學(xué)者們建立了與巖石力學(xué)性質(zhì)匹配關(guān)系模型，能夠通過鉆機(jī)反饋的工作參數(shù)能夠?qū)︺@進(jìn)巖石進(jìn)行初探，但是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)作業(yè)進(jìn)行研究有一定的局限性，不能夠快速實(shí)現(xiàn)不同工況條件下破巖效率的變化情況，因此，數(shù)值模擬手段成為科研人員除室內(nèi)試驗(yàn)的不二選擇，并對(duì)假設(shè)條件進(jìn)行驗(yàn)證。

3 數(shù)值模擬與鉆進(jìn)效率研究

隨著數(shù)字化的發(fā)展，應(yīng)用模擬軟件分析問題相對(duì)更加方便，朱海燕[9]等于2012年研究沖旋鉆井的鉆頭主要破巖機(jī)理，利用有限元軟件建立單齒破巖以及沖擊動(dòng)態(tài)破巖模型，通過單齒室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元的可行性，將沖擊旋鉆破巖分為5個(gè)階段，對(duì)五種巖石侵入深度進(jìn)行對(duì)比研究。2015年吳玉厚等[10]基于ABAQUS研究巖石不同節(jié)理特征對(duì)滾刀破巖效率的影響，研究表明巖石破碎效率與節(jié)理間距成反比，相同節(jié)理?xiàng)l件下節(jié)理傾角為60°時(shí)的破碎效率最高，90°時(shí)破碎效率最低。同年，祝效華等[11]又對(duì)鉆進(jìn)破碎效率進(jìn)行深一步研究，利用有限元模擬軟件對(duì)PDC鉆頭動(dòng)態(tài)切削建模，研究側(cè)傾角、圍壓對(duì)破碎比功的影響，結(jié)果表明側(cè)傾角小于25°時(shí)的破碎比功影響較小，破碎比功隨圍壓的增大而增大，切削深度為2mm時(shí)的PDC鉆頭破碎比功達(dá)到最佳。2019年，張幼震等[12]利用半物理仿真技術(shù)對(duì)鉆探巖石進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過互交、建模等手段，獲得鉆探系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋參數(shù)，從而對(duì)不同情況下的破巖效率進(jìn)行反饋和優(yōu)化。管志川等[13]認(rèn)為破巖效率跟鉆頭滑動(dòng)摩擦系數(shù)有關(guān)，在鉆進(jìn)不同硬度巖層時(shí)，應(yīng)選擇不同強(qiáng)度的鉆進(jìn)參數(shù)，才能夠使鉆速-鉆壓-能量利用率達(dá)到最優(yōu)化，因此提高破巖效率。2020年，周波等[14]研究了溫度和壓力對(duì)巖石可鉆性和破巖效率的影響，研究表明壓力比溫度對(duì)可鉆性的影響較大，隨溫度增加而減小，隨壓力的增加而增加，破巖效率對(duì)溫度敏感性較低，且隨圍壓的增加而降低。蔡之源等[15]為了研究潛孔錘破巖的特性對(duì)破巖效率的影響，建立不同狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)破巖系統(tǒng)成周期變化，-1周期為最優(yōu)狀態(tài)，破巖效率隨推力增大而增加，激振頻率的增加會(huì)降低破巖效率。

數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)作業(yè)進(jìn)行仿真，突破實(shí)驗(yàn)室的功能限制，實(shí)現(xiàn)了多種條件下的研究，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，利用室內(nèi)試驗(yàn)或工程數(shù)據(jù)對(duì)模擬進(jìn)行標(biāo)定，通過模擬可以分析不同傾角、圍壓等參數(shù)對(duì)破巖比功的影響，考慮了溫度、壓力對(duì)破巖效率的影響，為研究破巖效率增加一有力判據(jù)。

4 隨鉆識(shí)別研究現(xiàn)狀

隨鉆測(cè)量與識(shí)別技術(shù)也逐漸成熟，國(guó)外學(xué)者Zhou B等[16]利用導(dǎo)波在鉆探雷達(dá)測(cè)量中的特性，將其耦合到鉆桿上，作為傳輸和接收天線，鉆進(jìn)時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的前瞻力在2m～6m。Zhou H[17]根據(jù)鉆孔測(cè)量獲得不同深度巖石樣本數(shù)據(jù)，利用高斯模型對(duì)輸出的巖石硬度進(jìn)行分析，對(duì)該區(qū)域巖石的類型分布進(jìn)行識(shí)別。Min Qin等[18]研究了鉆進(jìn)的振動(dòng)傳感和聲傳感對(duì)巖性的識(shí)別，發(fā)現(xiàn)振傳和聲傳識(shí)別巖性的時(shí)域和時(shí)頻有所不同，聲信號(hào)比振動(dòng)傳感有更高的信噪比。Park J等[19]基于隨鉆監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)鉆進(jìn)巖石的穿透率反映出完整巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，建立研磨和破碎效率預(yù)測(cè)模型，有效預(yù)測(cè)鉆進(jìn)過程的碎巖效率和能量消耗。國(guó)內(nèi)學(xué)者田昊等[20]認(rèn)為破碎巖石的主要能量來源于鉆機(jī)的扭矩和軸向壓力，以破碎單位體積巖石的能耗為判據(jù)，對(duì)隧道斷面進(jìn)行超前探測(cè)，通過鉆進(jìn)能量獲取凝灰?guī)r地層的鉆進(jìn)參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析得到能量在0.95 kJ時(shí)，鉆進(jìn)的凝灰?guī)r地層出現(xiàn)節(jié)理或斷層。譚卓英等[20]也在2015年提出了一種地層地質(zhì)界面識(shí)別系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)獲得的鉆進(jìn)過程位移曲線和穿孔率對(duì)巖層進(jìn)行識(shí)別，研究得到了金剛鉆頭在花崗巖層中的鉆進(jìn)比，并建立巖層結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)。曲思凝[21]基于試驗(yàn)獲得的機(jī)械比能、鉆壓等特征參數(shù)，建立了不同巖石結(jié)構(gòu)的機(jī)械比能模型，能夠根據(jù)隨鉆的響應(yīng)特征對(duì)鉆進(jìn)巖層效率進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。房昱緯等[22]提出了一種智能識(shí)別地層的超前鉆探方法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)超前鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，實(shí)時(shí)獲得不同深度的巖體特性，提高地層識(shí)別精度和鉆探效率。雷曉榮[23]針對(duì)鉆孔軌跡測(cè)量設(shè)備使用效率低的問題，提出了一種隨鉆軌跡儲(chǔ)存測(cè)量裝置，能夠快速獲得鉆孔軌跡信息，自動(dòng)儲(chǔ)存并計(jì)算軌跡偏差，減少了數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。宋琨等[24]基于數(shù)字鉆孔全景影像技術(shù)，對(duì)獲得的圖像灰度化和降噪處理，進(jìn)行鉆進(jìn)的結(jié)構(gòu)面特征識(shí)別，運(yùn)用該智能化手段提高了結(jié)構(gòu)面識(shí)別的速度、精度和效率。

隨鉆識(shí)別監(jiān)測(cè)技術(shù)基于智能算法、精度傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等手段，實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)量深度、鉆桿振幅，識(shí)別出巖層結(jié)構(gòu)特征，指導(dǎo)優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，縮短鉆探工作量。隨鉆識(shí)別技術(shù)在石油打井、礦山鉆探、隧道掘進(jìn)等工程上得到很好的應(yīng)用，在傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)的基礎(chǔ)上，解決的探礦的問題，有利于探礦與鉆孔的結(jié)合，將未鉆探工程增加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

巖石的破碎會(huì)消耗不同程度的能量，基于機(jī)械比能研究鉆機(jī)破巖機(jī)理，隨著科技的進(jìn)步，智能化手段逐漸應(yīng)用在礦山鉆孔識(shí)別中，通過扭矩、軸壓、轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)，反饋出巖石的強(qiáng)度，利用傳感器等手段，獲取鉆進(jìn)軌跡，為了提高破巖效率，研究鉆進(jìn)參數(shù)之間的配合，優(yōu)化鉆進(jìn)破巖參數(shù)，促進(jìn)了礦山開采各環(huán)節(jié)的連接與配合，進(jìn)而提高礦山生產(chǎn)效率。

鉆進(jìn)巖石發(fā)展過程中，考慮了鉆機(jī)工作參數(shù)、鉆頭磨損、溫度、振動(dòng)等對(duì)鉆進(jìn)效率的影響，因素眾多但無法更全面的將其結(jié)合評(píng)價(jià)，在未來的研究進(jìn)程中，可以通過能量為切入點(diǎn)，將眾多因素與能量串聯(lián)，研究?jī)蓛芍g對(duì)應(yīng)關(guān)系，并用于進(jìn)一步研究與破巖效率的相關(guān)性。