CN113418795A - 一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统及方法，系统包括钻进装置、数据采集装置、围压模拟装置、平移滑台和底座，方法包括先从矿井中采集一块煤岩体，并将其加工成多个煤岩试样，将其中一个煤岩试样放入压力腔体内，设定一个三轴围压数值，通过三个施压板对煤岩试样施加三轴围压，接着通过数控钻床驱动PDC钻头对煤岩试样进行钻孔，压扭传感器实时监测给进力及扭矩，计算机将上述获取的参数结合单轴抗压强度与扭矩、给进力的关系式进行计算，最终能预测得出在当前设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度；然后重新选择一个煤岩试样并重新设定围压条件，重复上述过程，从而实现不同围压条件下对该矿井煤岩体单轴抗压强度的预测。

Description

一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统及方法

技术领域

本发明涉及钻测设备技术领域，具体是一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统及方法。

背景技术

单轴抗压强度是用于表征岩石强度的最重要参数之一，快速准确测量单轴抗压强度是地下工程围岩稳定性分析和支护方案设计的基础。目前单轴抗压强度测量方法包括室内测试和原位测量技术，室内测试主要是指实验室单轴压缩试验。然而，当围岩应力受到开挖等活动干扰时，围岩的力学参数受围压影响将发生变化，而实验室测试方法不能及时评估这种变化。原位测量技术则能实时监测这种变化，因此，有必要大力发展原位测量技术，实现岩石单轴抗压强度的原位实时获取。

目前，主要的单轴抗压强度原位测试方法主要有点荷载法、基于位移的反分析法、随钻测量技术等。电荷载法是通过点荷载平台压碎试样测试岩块单轴抗压强度，但是存在精度低的问题；反分析方法是将地下工程开挖后获得的截面位移数据作为已知量，通过反分析来确定岩石的力学性质或岩体边界条件中的原始地应力。但是，反分析得出的岩体与岩性的参数只能作为进一步计算采用的等效参数或综合参数，它不能取代试验和实测，也不能推广到诸如围岩应力分析等普遍用途；随钻测量技术是根据钻进过程钻杆受力情况来反演围岩力学性质的一种现场勘测技术，可精确监控钻孔过程中钻进参数的变化，实现对岩石力学性质的预测，广泛应用到地质勘探、隧道掘进、煤炭开采等领域。

现有的随钻测量技术对于岩石力学性质的参数反演需要输入给进力、扭矩、钻进速度和钻杆转速共四个参数。但是，由于设备限制，在现场施工过程中，对于钻进速度往往是通过秒表记录钻杆行进距离来间接获得的，对于钻杆转速则是通过读取钻机设定值获得，但是钻机在不同钻进状态下受功率影响，转速会发生改变，钻进过程的钻进速度和钻杆转速实时测量困难。为此，寻求一种只需要给进力、扭矩两个易测参数便可预测煤岩体单轴抗压强度的方法，以及搭建一个能够快速精确地获取所需参数、并且能模拟钻头钻进过程中受到的不同围压情况的试验系统，以期最终准确得出不同围压条件下煤岩体的单轴抗压强度，对推动煤层力学参数原位随钻测定研究具有积极意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统及方法，能实时精确地获取各个参数，并且能模拟钻头钻进过程中受到的不同围压情况，最终预测出不同围压条件下煤岩体单轴抗压强度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统及方法，系统包括钻进装置、数据采集装置、围压模拟装置、平移滑台和底座，

所述钻进装置包括数控钻床、变径套、钻杆和PDC钻头(即金刚石复合片钻头)，变径套一端与数控钻床的主轴同轴连接，变径套另一端与钻杆一端同轴连接，钻杆另一端与PDC钻头同轴连接；所述数控钻床通过主轴、变径套和钻杆对PDC钻头提供钻进动力；

所述数据采集装置包括压扭传感器、信号变送器和计算机，压扭传感器固定在平移滑台上部，压扭传感器通过信号变送器与计算机连接；信号变送器用于将压扭传感器监测到的给进力及扭矩反馈给计算机；

所述围压模拟装置固定在压扭传感器上部并处于PDC钻头下方，其包括压力腔体，压力腔体内设有三个两两垂直的施压板；所述压力腔体顶部腔体壁设有通孔，所述的三个施压板在施压时能和压力腔体壁共同将煤岩试样覆盖并形成六面体，每个施压板分别与一个液压推杆连接，每个液压推杆分别与一个油泵连接；围压模拟装置用于模拟井下实际围压环境；

所述底座上设有滑轨，平移滑台装在滑轨上，并能沿着滑轨移动；平移滑台用于调整围压模拟装置和数据采集装置的位置。

进一步，所述通孔为圆形，其直径比PDC钻头直径大2-4mm。

一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验方法，具体步骤为：

A、从某矿井中采集一块煤岩体，并将其加工成多个煤岩试样；

B、将其中一个煤岩试样放入压力腔体内，接着通过平移滑台调整压力腔体的位置，使其通孔处于PDC钻头正下方；

C、设定三组施压板所需施加的压力，控制三个油泵使三个施压板与压力腔体壁对煤岩试样施加三轴围压，并保持该状态；

D、启动数控钻床，数控钻床通过主轴、变径套和钻杆对PDC钻头提供钻进动力，驱动PDC钻头穿过通孔进入压力腔体内，此时PDC钻头对煤岩试样进行钻孔，压扭传感器实时监测钻进过程中PDC钻头对煤岩试样施加的扭矩和给进力，并通过信号变送器反馈给计算机进行记录；

E、计算机根据接收到实时扭矩和给进力的数据，结合单轴抗压强度与扭矩、给进力的关系式进行计算，具体为：

式中，M_b为PDC钻头所受扭矩，Nm；F_b为PDC钻头所受给进力，N；D′为PDC钻头两个金刚石复合片之间的距离，mm；σ_c为单轴抗压强度，MPa；S_a为切削刀具底部与岩石接触面积，与PDC钻头磨损程度有关，视为定值；γ为PDC钻头的金刚石复合片倾角，°；α为岩石斜面对金刚石复合片作用力与斜面法线的夹角，°。

由式(1)得出，扭矩与给进力呈线性关系，满足下式：

式中，A为线性拟合的斜率，B为线性拟合的截距，B值是与单轴抗压强度相关的量，为消除参数α与γ对公式的影响，将B与A作除法处理，得到式(3)：

整理后，得：

对钻进过程中数据采集系统得到的扭矩和给进力数据进行线性拟合，得到拟合方程的斜率A和截距B数值，代入式(4)，即能预测得出在当前设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；

F、将测试完成后的煤岩试样取出，再从步骤A的多个煤岩试样中选择一个，并再设定一个围压值，然后重复步骤B至E，从而得出在本次设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；如此重复多次，能预测得出不同围压条件下该矿井煤岩体的单轴抗压强度σ_c值。

与现有技术相比，本发明采用钻进装置、数据采集装置、围压模拟装置、平移滑台和底座相结合的方式，先从矿井中采集一块煤岩体，并将其加工成多个煤岩试样；将其中一个煤岩试样放入压力腔体内，设定一个三轴围压数值，通过三个施压板对煤岩试样施加三轴围压，接着通过数控钻床驱动PDC钻头对煤岩试样进行钻孔，在钻孔过程中由于压扭传感器与压力腔体固定连接，因此PDC钻头对煤岩试样及压力腔体施加的扭矩和给进力均会传至压扭传感器，根据牛顿第三定律，压扭传感器实时监测到的给进力及扭矩，即为PDC钻头在钻孔过程中受到的扭矩和给进力，计算机将上述获取的参数结合单轴抗压强度与扭矩、给进力的关系式进行计算，最终能预测得出在当前设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；然后重新选择一个煤岩试样并重新设定围压条件，重复上述过程，从而能预测得出不同围压条件下该矿井煤岩体的单轴抗压强度σ_c值；因此本发明所公开的钻测试验系统能实时精确地获取各个参数，并且能模拟井下施工钻头钻进过程中受到的不同围压情况，最终准确得出不同围压条件下煤岩体单轴抗压强度；并基于所述钻测试验系统，探究随钻参数与煤岩体单轴抗压强度之间的耦合规律并建立力学模型，根据测得的大量试验数据，得出随钻参数与力学特性参数的数学模型，为井下实际随钻监测、数据处理、力学特性参数预测提供指导。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中钻进装置的局部结构示意图；

图3是本发明中围压模拟装置的结构示意图；

图4是本发明中数据采集装置的结构示意图。

图中：1-钻进装置，11-数控钻床，12-变径套，13-钻杆，14-PDC钻头，2-围压模拟装置，21-压力腔体，22-液压推杆，23-施压板，24-煤岩试样，25-油泵；3-数据采集装置，31-压扭传感器，32-信号变送器，33-计算机，4-平移滑台。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本装置包括钻进装置1、数据采集装置3、围压模拟装置2、平移滑台4和底座，

所述钻进装置1包括数控钻床11、变径套12、钻杆13和PDC钻头14(即金刚石复合片钻头)，变径套12一端与数控钻床11的主轴同轴连接，变径套12另一端与钻杆13一端同轴连接，钻杆13另一端与PDC钻头14同轴连接；所述数控钻床11通过主轴、变径套12和钻杆13对PDC钻头14提供钻进动力；

所述数据采集装置3包括压扭传感器31、信号变送器32和计算机33，压扭传感器31固定在平移滑台4上部，压扭传感器31通过信号变送器32与计算机33连接；信号变送器32用于将压扭传感器31监测到的给进力及扭矩信号反馈给计算机33；

所述围压模拟装置2固定在压扭传感器31上部并处于PDC钻头14下方，其包括压力腔体21，压力腔体21内设有三组两两相对设置的施压板23；所述压力腔体21顶部腔体壁设有通孔，所述通孔为圆形，其直径比PDC钻头14直径大3mm，所述的三个施压板23在施压时能和压力腔体壁共同将煤岩试样覆盖并形成六面体，每个施压板23分别与一个液压推杆22连接，每个液压推杆22分别与一个油泵25连接；围压模拟装置2用于模拟井下实际围压环境；

所述底座上设有滑轨，平移滑台4装在滑轨上，并能沿着滑轨移动；平移滑台4用于调整围压模拟装置2的位置。

采用本装置预测煤岩体单轴抗压强度的方法，具体步骤为：

A、从某矿井中采集一块煤岩体，并将其加工成多个煤岩试样24；

B、将其中一个煤岩试样24放入压力腔体21内，接着通过平移滑台4调整压力腔体21的位置，使其通孔处于PDC钻头14正下方；

C、设定三组施压板23所需施加的压力，控制三个油泵25使三组施压板23对煤岩试样24施加三轴围压，并保持该状态；

D、启动数控钻床11，数控钻床11通过主轴、变径套12和钻杆13对PDC钻头14提供钻进动力，驱动PDC钻头14穿过通孔进入压力腔体21内，此时PDC钻头14对煤岩试样24进行钻孔，压扭传感器31实时监测钻进过程中PDC钻头14对煤岩试样24施加的扭矩和给进力，并通过信号变送器32反馈给计算机33进行记录；

E、计算机33根据接收到实时扭矩和给进力的数据，结合单轴抗压强度与扭矩、给进力的关系式进行计算，具体为：

式中，M_b为PDC钻头所受扭矩，Nm；F_b为PDC钻头所受给进力，N；D′为PDC钻头两个金刚石复合片之间的距离，mm；σ_c为单轴抗压强度，MPa；S_a为切削刀具底部与岩石接触面积，与PDC钻头磨损程度有关，视为定值；γ为PDC钻头的金刚石复合片倾角，°；α为岩石斜面对金刚石复合片作用力与斜面法线的夹角，°。

由式(1)得出，扭矩与给进力呈线性关系，满足下式：

式中，A为线性拟合的斜率，B为线性拟合的截距，B值是与单轴抗压强度相关的量，为消除参数α与γ对公式的影响，将B与A作除法处理，得到式(3)：

整理后，得：

对钻进过程中数据采集系统得到的扭矩和给进力数据进行线性拟合，得到拟合方程的斜率A和截距B数值，代入式(4)，即能预测得出在当前设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；

F、将测试完成后的煤岩试样取出，再从步骤A的多个煤岩试样24中选择一个，并再设定一个围压值，然后重复步骤B至E，从而得出在本次设定围压条件下煤岩试样24的单轴抗压强度σ_c值；如此重复多次，能预测得出不同围压条件下该矿井煤岩体的单轴抗压强度σ_c值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统，其特征在于，所述系统包括钻进装置、数据采集装置、围压模拟装置、平移滑台和底座，

所述钻进装置包括数控钻床、变径套、钻杆和PDC钻头，变径套一端与数控钻床的主轴同轴连接，变径套另一端与钻杆一端同轴连接，钻杆另一端与PDC钻头同轴连接；所述数控钻床通过主轴、变径套和钻杆对PDC钻头提供钻进动力；

所述数据采集装置包括压扭传感器、信号变送器和计算机，压扭传感器固定在平移滑台上部，压扭传感器通过信号变送器与计算机连接；信号变送器用于将压扭传感器监测到的给进力及扭矩信号反馈给计算机；

所述围压模拟装置固定在压扭传感器上部并处于PDC钻头下方，其包括压力腔体，压力腔体内设有三个两两垂直的施压板；所述压力腔体顶部腔体壁设有通孔，所述的三个施压板在施压时能和压力腔体壁共同将煤岩试样覆盖并形成六面体，每个施压板分别与一个液压推杆连接，每个液压推杆分别与一个油泵连接；围压模拟装置用于模拟井下实际围压环境；

所述底座上设有滑轨，平移滑台装在滑轨上，并能沿着滑轨移动；平移滑台用于调整数据采集装置的位置，确保压扭传感器中心与钻杆轴线对齐。

2.根据权利要求1所述的一种预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统，其特征在于，所述通孔为圆形，其直径比PDC钻头直径大2-4mm。

3.一种根据权利要求1或2所述的预测煤岩体单轴抗压强度的钻测试验系统的使用方法，其特征在于，具体步骤为：

A、从某矿井中采集一块煤岩体，并将其加工成多个煤岩试样；

B、将其中一个煤岩试样放入压力腔体内，接着通过平移滑台调整压力腔体的位置，使其通孔处于PDC钻头正下方；

C、控制三个油泵来设定施加压力值，通过三个施压板对煤岩试样施加三轴围压，并保持该状态；

D、启动数控钻床，数控钻床通过主轴、变径套和钻杆对PDC钻头提供钻进动力，驱动PDC钻头穿过通孔进入压力腔体内，此时PDC钻头对煤岩试样进行钻孔，压扭传感器实时监测钻进过程中PDC钻头对煤岩试样施加的扭矩和给进力，并通过信号变送器反馈给计算机进行记录；

E、计算机根据接收到实时扭矩和给进力的数据，结合单轴抗压强度与扭矩、给进力的力学关系式进行计算，具体为：

式中，M_b为PDC钻头所受扭矩，Nm；F_b为PDC钻头所受给进力，N；D′为PDC钻头两个金刚石复合片之间的距离，mm；σ_c为单轴抗压强度，MPa；S_a为切削刀具底部与岩石接触面积，与PDC钻头磨损程度有关，视为定值；γ为PDC钻头的金刚石复合片倾角，°；α为岩石斜面对金刚石复合片作用力与斜面法线的夹角，°；

由式(1)得出，扭矩与给进力呈线性关系，满足下式：

式中，A为线性拟合的斜率，B为线性拟合的截距，B值是与单轴抗压强度相关的量，为消除参数α与γ对公式的影响，将B与A作除法处理，得到式(3)：

整理后，得：

对钻进过程中数据采集系统得到的扭矩和给进力数据进行线性拟合，得到拟合方程的斜率A和截距B数值，代入式(4)，即能预测得出在当前设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；

F、将测试完成后的煤岩试样取出，再从步骤A的多个煤岩试样中选择一个，并再设定一个围压值，然后重复步骤B至E，从而得出在本次设定围压条件下煤岩试样的单轴抗压强度σ_c值；如此重复多次，能预测得出不同围压条件下该矿井煤岩体的单轴抗压强度σ_c值。

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