旋切作用下巖石破碎機(jī)理及巖石可鉆性的試驗(yàn)研究

馮上鑫，王善勇

(1. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué) 工程學(xué)院，澳大利亞 紐卡斯?fàn)?2308)

地層巖石可鉆性評(píng)價(jià)是巖土鉆掘工程中鉆頭優(yōu)選、鉆速優(yōu)化以及地層巖體參數(shù)識(shí)別的重要手段，合理選取巖石可鉆性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)控制工程進(jìn)度和成本具有重要意義。研究表明，巖石可鉆性是機(jī)巖相互作用的綜合表征參數(shù)，其大小同時(shí)受巖體性質(zhì)和鉆進(jìn)工藝的影響。但鉆進(jìn)過(guò)程中巖石破碎處于封閉空間，鉆具響應(yīng)數(shù)據(jù)匱乏且離散，導(dǎo)致巖石破碎機(jī)理模糊不清，以至于大量巖石可鉆性評(píng)價(jià)指標(biāo)缺乏理論基礎(chǔ)且未被廣泛用于實(shí)際工程中。如何快速且準(zhǔn)確地識(shí)別地層巖石可鉆性分布，是理論和實(shí)踐中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

為揭示鉆進(jìn)過(guò)程中巖石破碎機(jī)理，學(xué)者通過(guò)大量室內(nèi)巖石切割破碎試驗(yàn)探明了巖石破碎表象特征規(guī)律，并提出相應(yīng)的巖石破碎模型。其中Merchant切割模型、Evans巖石切割模型以及Nishimatsu巖石切割模型等都對(duì)巖石破碎過(guò)程中機(jī)巖相互作用機(jī)制和破碎特征進(jìn)行定性描述，并廣泛應(yīng)用于提高巖石破碎效率和地層巖體參數(shù)預(yù)測(cè)精度研究。但OUYANG等認(rèn)為，上述巖石破碎模型只描述了二維巖石切割破碎過(guò)程，而巖石切割破碎過(guò)程是一個(gè)三維復(fù)雜破碎過(guò)程，為此在上述模型基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石空間膨脹理論，提出了考慮深切割模式下的三維巖石切割破碎模型。另一類巖石切割破碎模型為Detournay和Defourny基于特定力學(xué)假定提出的巖石切割破碎現(xiàn)象模型，該模型認(rèn)為巖石切割破碎主要包括巖石切割和摩擦作用2個(gè)過(guò)程，通過(guò)模型的切割摩擦曲線可快速劃分巖石切割過(guò)程和量化巖體力學(xué)參數(shù)。其他類型的巖石破碎模型(如能量耗散分析模型和分形模型)也揭示巖石的破碎機(jī)理。

同時(shí)部分學(xué)者通過(guò)鉆具響應(yīng)數(shù)據(jù)與巖體參數(shù)的相關(guān)性研究，分析地層巖石可鉆性分布。然而由于鉆具響應(yīng)數(shù)據(jù)隨機(jī)波動(dòng)大、辨識(shí)度低且數(shù)據(jù)量巨大，導(dǎo)致建立鉆具響應(yīng)數(shù)據(jù)與實(shí)際地層巖體參數(shù)之間的映射關(guān)系困難。

盡管在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程的基礎(chǔ)上初步建立了一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，但由于大多數(shù)鉆進(jìn)工程數(shù)據(jù)有限，建立的巖石可鉆性指標(biāo)適用性一般，難以滿足工程普適性。為此，岳中琦等基于時(shí)間序列監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了一種旋轉(zhuǎn)沖擊鉆自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并開展了大量現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在同一鉆機(jī)和鉆頭下，鉆進(jìn)一塊均勻完整的巖塊時(shí)鉆進(jìn)速度為常數(shù)。TEALE等根據(jù)鉆進(jìn)功能關(guān)系提出了鉆進(jìn)比能參數(shù)(鉆進(jìn)單位體積巖石所需要的能量)，根據(jù)量綱分析認(rèn)為鉆進(jìn)比能與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值可定量評(píng)價(jià)巖石的可鉆性。在鉆進(jìn)比能的基礎(chǔ)上，建立了鉆進(jìn)比能與巖體力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，以量化巖石可鉆性和脆性等參數(shù)指標(biāo)。

但在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆進(jìn)壓力、旋轉(zhuǎn)速度等隨時(shí)變化，鉆進(jìn)速度的變化規(guī)律受鉆進(jìn)壓力和鉆頭旋轉(zhuǎn)的影響，鉆進(jìn)速度無(wú)法保持恒定。同時(shí)鉆進(jìn)比能實(shí)質(zhì)為鉆機(jī)輸入機(jī)械能，而非鉆機(jī)的破巖能，若直接建立鉆進(jìn)比能與巖體參數(shù)之間的映射關(guān)系評(píng)價(jià)地層可鉆性，則忽略了鉆進(jìn)過(guò)程中功能轉(zhuǎn)換規(guī)律。POLETTO等研究表明，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)輸入機(jī)械能以熱能、動(dòng)能、破巖能等不同形式的能量釋放，其中只有鉆進(jìn)破巖能作用于巖石破碎，但破巖能在機(jī)械輸入總能的占比與施加的鉆進(jìn)參數(shù)密切相關(guān)。因此在鉆進(jìn)過(guò)程中，將鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)比能作為巖石可鉆性評(píng)價(jià)指標(biāo)在一定程度上有待商榷，只有濾除鉆進(jìn)參數(shù)的影響，才能建立一個(gè)合理巖石可鉆性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

目前巖石可鉆性研究缺乏挖掘機(jī)巖相互作用過(guò)程中巖石破碎本質(zhì)，導(dǎo)致地層可鉆性評(píng)價(jià)缺乏理論基礎(chǔ)；同時(shí)大多數(shù)的巖石可鉆性評(píng)價(jià)指標(biāo)未濾除鉆進(jìn)參數(shù)的影響進(jìn)而導(dǎo)致其適用性一般。因此開展鉆頭旋切作用下巖石破碎機(jī)理研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行巖石可鉆性理論分析是突破巖石可鉆性研究瓶頸的關(guān)鍵。

筆者通過(guò)室內(nèi)巖石旋切破碎試驗(yàn)開展機(jī)巖相互作用過(guò)程中巖石破碎機(jī)理研究，明晰機(jī)巖相互作用特征及巖石破碎主要影響因素(假設(shè)機(jī)巖相互作用過(guò)程中鉆頭為剛體，不考慮巖石對(duì)鉆具影響)，確定巖石破碎過(guò)程中旋切扭矩變化規(guī)律，進(jìn)而提出不受鉆具參數(shù)影響且僅與巖體固有屬性相關(guān)的巖石可鉆性理論評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)原位鉆進(jìn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模型在實(shí)際工程中的有效性。

1 室內(nèi)巖石切割破碎試驗(yàn)

1.1 巖體參數(shù)確定

巖石樣品取自河南新鄉(xiāng)太行山脈采石場(chǎng)，通過(guò)X射線衍射儀的巖性分析發(fā)現(xiàn)，巖石主要由花崗質(zhì)片麻巖、方解石大理巖以及白云質(zhì)灰?guī)r組成，具體巖性分析見表1。

表1 巖石成分分析Table 1 Mineralogical analysis of rock samples

將上述3類巖石制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖樣(50 mm×100 mm)，進(jìn)行巖石三軸壓縮及變形試驗(yàn)和磨蝕試驗(yàn)，以獲得巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及耐磨性指數(shù)(ICA)(圖1)。其中每種巖樣在圍壓為0，1，2，3，4 MPa下進(jìn)行三軸壓縮及變形試驗(yàn)(每種試驗(yàn)條件進(jìn)行5次巖石三軸壓縮及變形試驗(yàn))，以獲得巖石力學(xué)強(qiáng)度；同時(shí)每種巖樣進(jìn)行5次CAI值測(cè)量，即采用5根鋼針對(duì)同一巖樣進(jìn)行測(cè)量，具體

圖1 巖石三軸試驗(yàn)及磨蝕試驗(yàn)示意Fig.1 Schematic view of rock triaxial stress and cerchar testing

巖體參數(shù)見表2。由表2可知，上述巖石的巖體參數(shù)呈一定梯度分布，其中白云質(zhì)灰?guī)r抗壓強(qiáng)度最高，其他巖體參數(shù)次之；而花崗質(zhì)片麻巖抗壓強(qiáng)度居中，其他巖體參數(shù)都屬最高；方解石大理巖各項(xiàng)巖體參數(shù)最低。

表2 巖石三軸試驗(yàn)及磨蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Rock triaxial stress and cerchar testing results

1.2 室內(nèi)巖石切割破碎裝置

采用如圖2所示的室內(nèi)巖石旋轉(zhuǎn)切割裝置進(jìn)行巖石旋切破碎試驗(yàn)。該巖石旋轉(zhuǎn)切割裝置包括BDS型磁力鉆機(jī)、承壓裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及高速攝像機(jī)。其中磁力鉆機(jī)由于體重較輕、吸附能力強(qiáng)且存在過(guò)扭和過(guò)熱保護(hù)，適用于室內(nèi)機(jī)械、巖土等鉆孔操作，常被選為室內(nèi)旋切破碎試驗(yàn)儀器。本試驗(yàn)選取BDS-MAB-1300型磁力鉆機(jī)，該磁力鉆機(jī)性能穩(wěn)定、精度高、操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)試驗(yàn)要求改變加載壓力、旋轉(zhuǎn)速度以及鉆頭類型。承壓裝置為自行研制的巖樣夾持容器盒，該承壓裝置可根據(jù)巖樣尺寸改變夾持口直徑，同時(shí)可通過(guò)改變夾持口螺栓位置調(diào)整巖石圍壓大小。室內(nèi)傳統(tǒng)切割裝置多為直接監(jiān)測(cè)鉆機(jī)施加的扭矩和加載壓力，由于扭矩和壓力沿鉆桿損耗導(dǎo)致巖石實(shí)際承受的旋切扭矩和加載壓力與鉆機(jī)施加的扭矩和加載壓力有偏差。因此該承壓裝置將扭矩傳感器、壓力傳感器以及圍壓傳感器都嵌入承壓裝置中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖樣實(shí)際承受的扭矩、加載壓力以及圍壓大小。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于記錄上述傳感器的信息并實(shí)

圖2 巖石旋轉(zhuǎn)切割裝置示意Fig.2 Schematic diagram ofrock cutting test apparatus

時(shí)顯示各傳感器隨時(shí)間變化，同時(shí)對(duì)采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行整理以固定格式傳送到電腦內(nèi)，并以EXCEL編排格式顯示所有數(shù)據(jù)，顯示格式為：時(shí)間-位移-加載壓力-扭矩-鉆速-圍壓。在試驗(yàn)過(guò)程中，高速攝像機(jī)可實(shí)時(shí)記錄不同鉆進(jìn)條件下巖石破碎表象特征。室內(nèi)巖石旋轉(zhuǎn)切割裝置參數(shù)見表3。

表3 巖石旋轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)裝置Table 3 Schematic view of rock cutting test apparatus

1.3 室內(nèi)切割破碎試驗(yàn)方法

在完成的基本巖石力學(xué)試驗(yàn)后，基于巖石旋轉(zhuǎn)切割裝置開展不同鉆進(jìn)條件的巖石旋切破碎試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如下：在鉆頭角度為90°，120°，180°，加載壓力為0.72，1.33，1.95，2.56 kN，轉(zhuǎn)速為30 r/min的鉆進(jìn)條件下對(duì)上述3種巖樣進(jìn)行旋切破碎試驗(yàn)，其中每種巖石在每類鉆進(jìn)條件下進(jìn)行3次試驗(yàn)。待鉆頭旋轉(zhuǎn)30 s后停止試驗(yàn)，利用篩分法對(duì)巖屑質(zhì)量和尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以確定破碎顆粒粒徑分布，其中篩孔直徑包括1.4，1.18，0.85，0.6，0.3，0.212 mm和75，35 μm，如圖3所示。最后確定各粒徑質(zhì)量和特征粒徑大小，并通過(guò)高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄不同鉆進(jìn)條件下巖石破碎表象特征。

圖3 破碎巖屑粒徑分布統(tǒng)計(jì)Fig.3 Size distribution of fragmentations by sieving method

在鉆頭角度為180°、旋轉(zhuǎn)速度為30，50 r/min的鉆進(jìn)條件下對(duì)上述3種巖樣施加不同的加載壓力，其中每種巖石在每類鉆進(jìn)條件下至少進(jìn)行3次試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄不同加載壓力下的旋切扭矩變化，確定巖石破碎過(guò)程中加載壓力與旋切扭矩的相關(guān)關(guān)系，探討機(jī)巖相互作用過(guò)程中巖石破碎機(jī)理，從而進(jìn)行巖石可鉆性理論研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)巖相互作用過(guò)程中巖石破碎機(jī)理

在巖石破碎機(jī)理研究方面，大部分國(guó)內(nèi)外研究都集中在描述巖石線性切割破碎的表象特征，對(duì)巖石持續(xù)旋轉(zhuǎn)切割破碎過(guò)程描述較少。主要原因是大部分的研究對(duì)鉆孔巖石切割破碎進(jìn)行線性切割簡(jiǎn)化，而實(shí)際破巖過(guò)程中鉆頭不僅只有線性切割過(guò)程，還包含持續(xù)的貫入破碎過(guò)程，導(dǎo)致實(shí)際巖石切割破碎過(guò)程并非線性切割過(guò)程，而是鉆頭與巖石相互作用的復(fù)雜過(guò)程。

表4為高速攝像機(jī)記錄的巖石旋切破碎過(guò)程。由表4可知巖石破碎過(guò)程主要包括貫入壓縮破碎階段和切割破碎階段。在加載壓力作用下鉆頭開始貫入巖石表面(貫入壓縮破碎階段)，隨后鉆頭在旋切扭矩的作用下開始橫向切割被貫入的巖石(切割破碎階段)，在巖石切割破碎的同時(shí)鉆頭持續(xù)貫入巖石內(nèi)部，導(dǎo)致鉆頭在巖石內(nèi)部運(yùn)動(dòng)軌跡呈螺旋線型(持續(xù)切割破碎階段)。在持續(xù)切割破碎階段部分大尺寸的巖屑因吸收了較大切割破碎能而發(fā)生崩裂，而大部分巖屑堆積在鉆頭切割槽內(nèi)。其中堆積在切割槽內(nèi)的小尺寸巖屑在鉆頭切削過(guò)程中通過(guò)切割路徑被拖拽至鉆頭底部。當(dāng)鉆進(jìn)深度持續(xù)增加，堆積的巖屑不能及時(shí)清洗，需要克服的摩擦能急劇增加，導(dǎo)致切割效率下降。

表4 巖石切割破碎階段Table 4 Rock breakage stages by cutting

為精細(xì)化展示巖石破碎過(guò)程，結(jié)合巖石鉆掘理論和巖石破碎試驗(yàn)結(jié)果繪制不同視角下巖石破碎情況(圖4)和機(jī)巖相互作用過(guò)程(圖5)。巖石在鉆頭加載壓力和旋切扭矩作用下形成應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)作用力大于巖石單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，鉆頭在巖石表面形成巖石貫入壓縮破碎區(qū)，破碎區(qū)的體積、形狀與綜合作用力大小有關(guān)。在巖石貫入破碎區(qū)邊界存在大量源于貫入破碎區(qū)的擴(kuò)展裂紋(圖5(a))。巖石貫入破碎區(qū)形成后，旋切扭矩通過(guò)破碎的顆粒給巖石傳遞切削力，在巖石與鉆頭切向接觸位置發(fā)生剪切破壞，形成剪切裂紋(圖5(b))。在剪切裂紋末端，巖石應(yīng)力狀態(tài)低于巖石韌性斷裂標(biāo)準(zhǔn)，剪切裂紋分叉成拉伸裂紋。隨著拉伸裂紋持續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋與巖石表面相交時(shí)巖石發(fā)生破碎(圖5(c))。巖石切割破碎后，鉆頭旋切扭矩會(huì)急劇下降，鉆頭在加載壓力作用下再次與巖石接觸并循環(huán)切割巖石(圖5(d))，呈螺旋狀侵入巖石(圖4)。對(duì)比3類巖石的切割破碎情況發(fā)現(xiàn)，不同巖性的巖石均遵循上述機(jī)巖相互作用過(guò)程中巖石破碎機(jī)理(表4)，主要區(qū)別在于抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及磨蝕性低的巖石，切割深度大、切割效率高(切割體積大)，易出現(xiàn)大尺寸的巖屑。

圖4 機(jī)巖相互作用螺旋切割軌跡Fig.4 Helicoidal trajectories of the cutter

圖5 機(jī)巖相互作用過(guò)程中巖石破碎Fig.5 Whole process of rock drilling

綜上，巖石旋切破碎同時(shí)經(jīng)歷壓縮破壞、剪切破壞、拉伸破壞以及巖石與鉆頭附近的韌性斷裂破壞。巖石內(nèi)部裂紋始于貫入壓縮破碎區(qū)域，其發(fā)育程度主要同時(shí)受剪切破壞和拉伸破壞影響，而裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展主要受拉伸破壞控制。

2.2 巖石破碎影響因素

在機(jī)械破巖過(guò)程中，巖石破碎效率往往是決定工程經(jīng)濟(jì)可行性和工程進(jìn)度安排的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。定性分析巖石破碎過(guò)程中影響因素是優(yōu)化機(jī)械破巖過(guò)程破巖效率和厘清巖石破碎機(jī)理的關(guān)鍵。

圖6為巖石單軸抗壓強(qiáng)度與破碎巖屑質(zhì)量的關(guān)系。由圖6可知，巖屑質(zhì)量隨著巖石單軸抗壓強(qiáng)度的升高而降低，降低速率隨抗壓強(qiáng)度升高而持續(xù)提高。由巖石破碎機(jī)理和CHIAIA等研究可知，當(dāng)加載壓力相同情況下，貫入深度隨抗壓強(qiáng)度升高而降低，且速率逐步增大，即單軸抗壓強(qiáng)度越小的巖石鉆頭貫入深度越大，鉆頭每旋轉(zhuǎn)一圈切割破碎的巖屑質(zhì)量也越大。

圖6 巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖屑質(zhì)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between UCS and the mass of rock chips

圖7為巖石抗拉強(qiáng)度與巖屑粒徑的關(guān)系(為巖屑顆粒累積分布為90%的大尺寸粒徑，是評(píng)價(jià)巖石破碎程度的重要指標(biāo))。由圖7可知，大尺寸的巖屑隨著巖石抗拉強(qiáng)度的升高而降低，降低速率隨抗拉強(qiáng)度升高而持續(xù)增大。由巖石破碎機(jī)理和Evans巖石破碎模型可知，巖石切割破碎過(guò)程中，控制巖石破碎程度的一個(gè)重要因素為巖石抗拉強(qiáng)度。在相同鉆進(jìn)參數(shù)下，鉆機(jī)輸入能量不變，巖石抗拉強(qiáng)度越小，破碎單位體積的巖石所需能量越少，導(dǎo)致破碎巖屑尺寸較大，降低速率也隨抗拉強(qiáng)度升高在持續(xù)提高。

圖7 巖石抗拉強(qiáng)度與巖屑d90的關(guān)系Fig.7 Relationship between rock tensile strength and d90 of rock chips

綜合圖6，7可知，巖石破碎過(guò)程中，巖石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別影響巖石旋切破碎過(guò)程中的巖屑質(zhì)量和尺寸分布。

圖8，9分別為加載壓力與巖屑質(zhì)量和巖屑粒徑的關(guān)系。由圖8可知，加載壓力與破碎巖屑質(zhì)量呈對(duì)數(shù)關(guān)系(>0.87)，隨著加載壓力增加，破碎巖屑質(zhì)量也持續(xù)增加，但增加速率降低。由圖9可知，巖屑粒徑與加載壓力呈指數(shù)關(guān)系(>0.52)，且增加速率持續(xù)增加。由巖石破碎機(jī)理和CHIAIA等研究可知，在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭貫入深度隨著加載壓力增加呈對(duì)數(shù)增加，隨著加載壓力增加，鉆進(jìn)輸入能量也持續(xù)增加，貫入深度的對(duì)數(shù)增加導(dǎo)致破碎巖屑質(zhì)量增加，但增加速率降低。在鉆頭輸入能量持續(xù)增加過(guò)程中，鉆頭需要克服的摩擦能比例保持相對(duì)穩(wěn)定，用于形成破碎巖屑的切割破碎能持續(xù)增加，同時(shí)貫入深度隨加載壓力呈對(duì)數(shù)增加，2者共同導(dǎo)致大尺寸巖屑()隨加載壓力呈指數(shù)增加。

圖8 加載壓力與巖屑質(zhì)量關(guān)系Fig.8 Relationship between loading pressure and the mass of rock chips

圖9 加載壓力與巖屑d90的關(guān)系Fig.9 Relationship between loading pressure and d90 of rock chips

圖10為方解石大理巖在不同鉆頭角度下的巖石破碎情況。由圖10可知，在切割破碎過(guò)程中，鉆頭角度越小，巖屑破碎量越大。主要原因是相同切割條件下，鉆頭角度越小，鉆頭貫入巖石深度越大，且小角度鉆頭的破巖方式屬于錐體形狀漸進(jìn)分段式破巖，破巖速度高于大角度鉆頭，導(dǎo)致小角度的鉆頭具有較高的破巖效率。

圖10 不同鉆頭角度下的巖石破碎情況Fig.10 Relationship between loading pressure and bit angles

3 巖石可鉆性分析

3.1 巖石破碎過(guò)程中機(jī)巖信息互饋研究

在鉆進(jìn)過(guò)程中，旋切扭矩不僅是機(jī)巖相互作用最直接綜合表征參數(shù)，也是大量巖石可鉆性評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要中間計(jì)算參數(shù)。然而在鉆孔破巖過(guò)程中，實(shí)際旋切扭矩大小不僅很難測(cè)量，且由于巖石破碎過(guò)程中機(jī)巖信息互饋機(jī)制不明，旋切扭矩也很難通過(guò)經(jīng)驗(yàn)映射關(guān)系預(yù)估。為提高巖石可鉆性評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)，筆者通過(guò)室內(nèi)巖石旋切破碎試驗(yàn)和理論分析開展巖石破碎過(guò)程中旋切扭矩變化規(guī)律研究。

在巖石破碎過(guò)程中，鉆頭根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為正常旋轉(zhuǎn)切割狀態(tài)和卡鉆狀態(tài)。鉆頭加載壓力較小時(shí)，鉆頭輸入的能量大于巖石破碎能和摩擦能，巖石可被正常切割破碎。隨著加載壓力增加至臨界值時(shí)()，待破碎巖石的體積較大，鉆頭輸入的能量低于巖石破碎能和摩擦能，鉆頭處于卡鉆狀態(tài)。其中卡鉆臨界狀態(tài)由鉆機(jī)輸入功率大小和巖石性質(zhì)共同決定。

加載壓力小于時(shí)，鉆頭一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。由Detournay和Defourny研究可知，巖石破碎過(guò)程中機(jī)巖相互作用可分解為巖石切割和巖石摩擦2個(gè)過(guò)程。巖石破碎受到的加載壓力和扭矩可分解為切割分量和摩擦分量(式(1)、圖11)。

=+=+

(1)

式中，，分別為加載壓力作用于巖石切割和摩擦分量，N；，分別為巖石旋切扭矩和摩擦扭矩，N·m。

圖11 巖石切割破碎模型概念示意Fig.11 Schematic of the rock drilling phenomenological model

由CHIAIA等研究可知，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭貫入深度和巖石貫入壓縮破碎區(qū)的半徑與鉆頭形狀、加載壓力以及巖石類型有關(guān)，即

=

(2)

式中，為鉆頭形態(tài)參數(shù)，其大小取決于鉆頭類型和角度等參數(shù)；為巖石材料參數(shù)，主要受巖石抗壓強(qiáng)度影響，根據(jù)文獻(xiàn)[22]，=1。

在巖石破碎過(guò)程中，切割單位體積的同種巖石所需的破巖能量是固定的，即巖石固有切割比能。其中切割單位體積的巖石切割力可表示為

d=d

(3)

其中，為切割單位體積的巖石所需能量，J；為巖石切割半徑，m。根據(jù)極限平衡關(guān)系，巖石旋切扭矩可表示為

(4)

式中，為鉆頭半徑，m。

由摩擦引起的摩擦扭矩為

(5)

其中，為巖石摩擦因數(shù)。由圖4可知，鉆頭是以半徑為的2片軸對(duì)稱壓頭進(jìn)行巖石切割破碎，因此巖石切割過(guò)程中總扭矩可表示為

(6)

可根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的扭矩和加載壓力快速量化。加載壓力大于時(shí)，鉆頭的輸入能量低于巖石破碎能和摩擦能導(dǎo)致鉆頭卡鉆。根據(jù)極限平衡關(guān)系，當(dāng)鉆頭處于卡鉆臨界狀態(tài)時(shí)巖石旋切扭矩為

(7)

式中，為卡鉆臨界狀態(tài)時(shí)鉆頭受到的最大靜摩擦力，N。

圖12為根據(jù)式(6)，(7)繪制的巖石破碎過(guò)程中加載壓力與旋切扭矩變化規(guī)律。由圖12和式(6)，(7)可知，加載壓力與巖石旋切扭矩之間呈正線性關(guān)系(黑色實(shí)線)，且鉆頭旋轉(zhuǎn)速度不影響巖石旋切扭矩變化。在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，巖石摩擦因數(shù)和切割比能越高，線性斜率越高(紅色實(shí)線)。加載壓力增至臨界壓力時(shí)，鉆頭出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，此時(shí)巖石切割比能是影響線性斜率的主要因素，巖石切割比能越高，線性斜率越高。

圖12 巖石切割過(guò)程中加載壓力與扭矩變化Fig.12 Relationship between thrust and torque during cutting

圖13為3類巖樣在不同旋轉(zhuǎn)速度下加載壓力與旋切扭矩的關(guān)系。

圖13 不同巖石在切割破碎過(guò)程中的扭矩變化Fig.13 Torque variations of different rocks during cutting tests

由圖13可知，巖石破碎過(guò)程中，加載壓力與旋切扭矩的關(guān)系呈如圖12所示的線性關(guān)系，且3類巖石破碎過(guò)程中僅有花崗質(zhì)片麻巖石出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和卡鉆狀態(tài)。鉆頭處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，3種巖性的旋切扭矩呈線性變化且斜率變化規(guī)律也如圖12所示，其中抗拉、抗剪強(qiáng)度以及磨蝕系數(shù)最高的花崗片麻巖的旋切扭矩變化斜率最高，而抗拉、抗剪強(qiáng)度及磨蝕系數(shù)最低的方解石大理巖的旋切扭矩變化斜率最低。同時(shí)旋轉(zhuǎn)速度不影響巖石旋切扭矩變化，主要原因是鉆頭旋轉(zhuǎn)速度只能改變巖石切割速率，不能改變瞬時(shí)巖石切割體積。同時(shí)由式(6)，(7)可知，旋切扭矩只與巖石固有性質(zhì)及瞬時(shí)巖石切割體積相關(guān)，與鉆頭旋轉(zhuǎn)速度無(wú)關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[25]的原位鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)，鉆孔巖性保持恒定時(shí)，鉆進(jìn)加載壓力和旋切扭矩的確呈正線性關(guān)系，且鉆頭旋轉(zhuǎn)速度不影響該線性關(guān)系。

3.2 巖石可鉆性理論評(píng)價(jià)模型

圖14為巖石切割破碎過(guò)程，結(jié)合巖石破碎機(jī)理和機(jī)巖信息互饋研究，假設(shè)鉆頭鉆進(jìn)一圈過(guò)程中鉆頭壓力不變，由式(6)可知，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鉆頭扭矩不變。

圖14 鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.14 Simplified diagram of bit movement during cutting

在鉆頭每旋轉(zhuǎn)一圈的鉆進(jìn)深度為時(shí)，切割破碎一圈巖石的扭矩可表示為

(8)

式中，為質(zhì)元張角(圖14)。

根據(jù)鉆孔幾何關(guān)系和式(8)，切割破碎一圈巖扭矩為

(9)

用于克服摩擦過(guò)程的摩擦扭矩可表示為

(10)

由鉆孔幾何關(guān)系，式(10)可表示為

=π

(11)

由式(9)，(11)可得總鉆進(jìn)扭矩為

(12)

將式(6)代入式(12)可得

(13)

(14)

由式(13)可知，鉆進(jìn)過(guò)程中加載壓力與單鉆鉆進(jìn)深度的線性斜率主要受巖石固有切割比能和摩擦因數(shù)影響，與鉆進(jìn)過(guò)程中加載壓力和旋轉(zhuǎn)速度無(wú)關(guān)。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[25]原位鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鉆孔巖性保持恒定時(shí)，加載壓力與鉆頭每旋轉(zhuǎn)一圈的鉆進(jìn)深度呈正線性關(guān)系，且不同旋轉(zhuǎn)速度下的加載壓力與單鉆鉆進(jìn)深度的線性梯度保持恒定，相關(guān)系數(shù)大于0.61，如圖15所示。在實(shí)際工程中，將加載壓力與單鉆鉆進(jìn)深度的線性關(guān)系梯度作為巖石可鉆性評(píng)價(jià)指標(biāo)。且在實(shí)際鉆掘工程中，鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄鉆進(jìn)過(guò)程數(shù)據(jù)，隨后通過(guò)巖石可鉆性評(píng)價(jià)模型計(jì)算地層巖石可鉆性沿鉆孔深度分布。

圖15 鉆進(jìn)過(guò)程中加載壓力與單鉆鉆進(jìn)深度的關(guān)系[25]Fig.15 Relationship between thrust and penetration per revolution[25]

4 結(jié) 論

(1)在巖石破碎過(guò)程中，鉆頭在貫入和切割共同作用下呈螺旋線型侵入巖石內(nèi)部并導(dǎo)致巖石分別發(fā)生貫入破碎、剪切破碎和拉伸破碎。其中部分大尺寸巖屑因吸收的破碎能較大而發(fā)生崩裂，但大部分破碎巖屑堆積在鉆頭切割路徑內(nèi)且增加了切割摩擦能。

(2)鉆頭加載壓力是巖石破碎程度的重要影響因素。在相同加載壓力下，破碎巖屑質(zhì)量和尺寸分布分別受巖石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響。

(3)在巖石破碎過(guò)程中，巖石旋切扭矩與加載壓力成正線性關(guān)系，且?guī)r石摩擦因數(shù)和巖石切割比能越高，該線性斜率越大；鉆頭旋轉(zhuǎn)速度不影響巖石旋切扭矩變化。

(4)在巖石破碎過(guò)程中，鉆頭單鉆鉆進(jìn)深度和加載壓力的線性斜率只與巖石固有切割比能和巖石摩擦因數(shù)相關(guān)，在一定鉆進(jìn)條件下不受鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具參數(shù)變化的影響，可作為地層巖石可鉆性評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)。