旋切作用下巖石破碎機理及巖石可鉆性的試驗研究

2022-04-02 01:42:06馮上鑫王善勇

煤炭學報 2022年3期

馮上鑫，王善勇

(1. 西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安 710054；澳大利亞紐卡斯爾大學工程學院，澳大利亞紐卡斯爾 2308)

地層巖石可鉆性評價是巖土鉆掘工程中鉆頭優選、鉆速優化以及地層巖體參數識別的重要手段，合理選取巖石可鉆性評價指標對控制工程進度和成本具有重要意義。研究表明，巖石可鉆性是機巖相互作用的綜合表征參數，其大小同時受巖體性質和鉆進工藝的影響。但鉆進過程中巖石破碎處于封閉空間，鉆具響應數據匱乏且離散，導致巖石破碎機理模糊不清，以至于大量巖石可鉆性評價指標缺乏理論基礎且未被廣泛用于實際工程中。如何快速且準確地識別地層巖石可鉆性分布，是理論和實踐中亟待解決的關鍵科學問題。

為揭示鉆進過程中巖石破碎機理，學者通過大量室內巖石切割破碎試驗探明了巖石破碎表象特征規律，并提出相應的巖石破碎模型。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巖石破碎過程中機巖相互作用機制和破碎特征進行定性描述，并廣泛應用于提高巖石破碎效率和地層巖體參數預測精度研究。但OUYANG等認為，上述巖石破碎模型只描述了二維巖石切割破碎過程，而巖石切割破碎過程是一個三維復雜破碎過程，為此在上述模型基礎上，結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基于特定力學假定提出的巖石切割破碎現象模型，該模型認為巖石切割破碎主要包括巖石切割和摩擦作用2個過程，通過模型的切割摩擦曲線可快速劃分巖石切割過程和量化巖體力學參數。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理。

同時部分學者通過鉆具響應數據與巖體參數的相關性研究，分析地層巖石可鉆性分布。然而由于鉆具響應數據隨機波動大、辨識度低且數據量巨大，導致建立鉆具響應數據與實際地層巖體參數之間的映射關系困難。

盡管在室內試驗和現場工程的基礎上初步建立了一些經驗關系，但由于大多數鉆進工程數據有限，建立的巖石可鉆性指標適用性一般，難以滿足工程普適性。為此，岳中琦等基于時間序列監測技術提出了一種旋轉沖擊鉆自動監測系統，并開展了大量現場鉆進試驗，發現在同一鉆機和鉆頭下，鉆進一塊均勻完整的巖塊時鉆進速度為常數。TEALE等根據鉆進功能關系提出了鉆進比能參數(鉆進單位體積巖石所需要的能量)，根據量綱分析認為鉆進比能與巖石單軸抗壓強度的比值可定量評價巖石的可鉆性。在鉆進比能的基礎上，建立了鉆進比能與巖體力學參數的經驗公式，以量化巖石可鉆性和脆性等參數指標。

但在鉆進過程中，鉆進壓力、旋轉速度等隨時變化，鉆進速度的變化規律受鉆進壓力和鉆頭旋轉的影響，鉆進速度無法保持恒定。同時鉆進比能實質為鉆機輸入機械能，而非鉆機的破巖能，若直接建立鉆進比能與巖體參數之間的映射關系評價地層可鉆性，則忽略了鉆進過程中功能轉換規律。POLETTO等研究表明，鉆進過程中鉆機輸入機械能以熱能、動能、破巖能等不同形式的能量釋放，其中只有鉆進破巖能作用于巖石破碎，但破巖能在機械輸入總能的占比與施加的鉆進參數密切相關。因此在鉆進過程中，將鉆進速度和鉆進比能作為巖石可鉆性評價指標在一定程度上有待商榷，只有濾除鉆進參數的影響，才能建立一個合理巖石可鉆性評價指標。

目前巖石可鉆性研究缺乏挖掘機巖相互作用過程中巖石破碎本質，導致地層可鉆性評價缺乏理論基礎；同時大多數的巖石可鉆性評價指標未濾除鉆進參數的影響進而導致其適用性一般。因此開展鉆頭旋切作用下巖石破碎機理研究，并在此基礎上進行巖石可鉆性理論分析是突破巖石可鉆性研究瓶頸的關鍵。

筆者通過室內巖石旋切破碎試驗開展機巖相互作用過程中巖石破碎機理研究，明晰機巖相互作用特征及巖石破碎主要影響因素(假設機巖相互作用過程中鉆頭為剛體，不考慮巖石對鉆具影響)，確定巖石破碎過程中旋切扭矩變化規律，進而提出不受鉆具參數影響且僅與巖體固有屬性相關的巖石可鉆性理論評價模型，并通過原位鉆進數據驗證該模型在實際工程中的有效性。

1 室內巖石切割破碎試驗

1.1 巖體參數確定

巖石樣品取自河南新鄉太行山脈采石場，通過X射線衍射儀的巖性分析發現，巖石主要由花崗質片麻巖、方解石大理巖以及白云質灰巖組成，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類巖石制成標準圓柱形巖樣(50 mm×100 mm)，進行巖石三軸壓縮及變形試驗和磨蝕試驗，以獲得巖樣的單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度以及耐磨性指數(ICA)(圖1)。其中每種巖樣在圍壓為0，1，2，3，4 MPa下進行三軸壓縮及變形試驗(每種試驗條件進行5次巖石三軸壓縮及變形試驗)，以獲得巖石力學強度；同時每種巖樣進行5次CAI值測量，即采用5根鋼針對同一巖樣進行測量，具體

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

巖體參數見表2。由表2可知，上述巖石的巖體參數呈一定梯度分布，其中白云質灰巖抗壓強度最高，其他巖體參數次之；而花崗質片麻巖抗壓強度居中，其他巖體參數都屬最高；方解石大理巖各項巖體參數最低。

表2 巖石三軸試驗及磨蝕試驗結果Table 2 Rock triaxial stress and cerchar testing results

1.2 室內巖石切割破碎裝置

采用如圖2所示的室內巖石旋轉切割裝置進行巖石旋切破碎試驗。該巖石旋轉切割裝置包括BDS型磁力鉆機、承壓裝置、數據采集系統以及高速攝像機。其中磁力鉆機由于體重較輕、吸附能力強且存在過扭和過熱保護，適用于室內機械、巖土等鉆孔操作，常被選為室內旋切破碎試驗儀器。本試驗選取BDS-MAB-1300型磁力鉆機，該磁力鉆機性能穩定、精度高、操作簡單，可根據試驗要求改變加載壓力、旋轉速度以及鉆頭類型。承壓裝置為自行研制的巖樣夾持容器盒，該承壓裝置可根據巖樣尺寸改變夾持口直徑，同時可通過改變夾持口螺栓位置調整巖石圍壓大小。室內傳統切割裝置多為直接監測鉆機施加的扭矩和加載壓力，由于扭矩和壓力沿鉆桿損耗導致巖石實際承受的旋切扭矩和加載壓力與鉆機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，實時監測巖樣實際承受的扭矩、加載壓力以及圍壓大小。數據采集系統用于記錄上述傳感器的信息并實

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

時顯示各傳感器隨時間變化，同時對采集的傳感器數據進行整理以固定格式傳送到電腦內，并以EXCEL編排格式顯示所有數據，顯示格式為：時間-位移-加載壓力-扭矩-鉆速-圍壓。在試驗過程中，高速攝像機可實時記錄不同鉆進條件下巖石破碎表象特征。室內巖石旋轉切割裝置參數見表3。

表3 巖石旋轉切割試驗裝置Table 3 Schematic view of rock cutting test apparatus

1.3 室內切割破碎試驗方法

在完成的基本巖石力學試驗后，基于巖石旋轉切割裝置開展不同鉆進條件的巖石旋切破碎試驗。具體試驗步驟如下：在鉆頭角度為90°，120°，180°，加載壓力為0.72，1.33，1.95，2.56 kN，轉速為30 r/min的鉆進條件下對上述3種巖樣進行旋切破碎試驗，其中每種巖石在每類鉆進條件下進行3次試驗。待鉆頭旋轉30 s后停止試驗，利用篩分法對巖屑質量和尺寸進行統計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。最后確定各粒徑質量和特征粒徑大小，并通過高速攝像機實時記錄不同鉆進條件下巖石破碎表象特征。

圖3 破碎巖屑粒徑分布統計Fig.3 Size distribution of fragmentations by sieving method

在鉆頭角度為180°、旋轉速度為30，50 r/min的鉆進條件下對上述3種巖樣施加不同的加載壓力，其中每種巖石在每類鉆進條件下至少進行3次試驗。通過數據采集系統記錄不同加載壓力下的旋切扭矩變化，確定巖石破碎過程中加載壓力與旋切扭矩的相關關系，探討機巖相互作用過程中巖石破碎機理，從而進行巖石可鉆性理論研究。

2 試驗結果與分析

2.1 機巖相互作用過程中巖石破碎機理

在巖石破碎機理研究方面，大部分國內外研究都集中在描述巖石線性切割破碎的表象特征，對巖石持續旋轉切割破碎過程描述較少。主要原因是大部分的研究對鉆孔巖石切割破碎進行線性切割簡化，而實際破巖過程中鉆頭不僅只有線性切割過程，還包含持續的貫入破碎過程，導致實際巖石切割破碎過程并非線性切割過程，而是鉆頭與巖石相互作用的復雜過程。

表4為高速攝像機記錄的巖石旋切破碎過程。由表4可知巖石破碎過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鉆頭持續貫入巖石內部，導致鉆頭在巖石內部運動軌跡呈螺旋線型(持續切割破碎階段)。在持續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生崩裂，而大部分巖屑堆積在鉆頭切割槽內。其中堆積在切割槽內的小尺寸巖屑在鉆頭切削過程中通過切割路徑被拖拽至鉆頭底部。當鉆進深度持續增加，堆積的巖屑不能及時清洗，需要克服的摩擦能急劇增加，導致切割效率下降。

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

為精細化展示巖石破碎過程，結合巖石鉆掘理論和巖石破碎試驗結果繪制不同視角下巖石破碎情況(圖4)和機巖相互作用過程(圖5)。巖石在鉆頭加載壓力和旋切扭矩作用下形成應力集中區，當作用力大于巖石單軸抗壓強度時，鉆頭在巖石表面形成巖石貫入壓縮破碎區，破碎區的體積、形狀與綜合作用力大小有關。在巖石貫入破碎區邊界存在大量源于貫入破碎區的擴展裂紋(圖5(a))。巖石貫入破碎區形成后，旋切扭矩通過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生剪切破壞，形成剪切裂紋(圖5(b))。在剪切裂紋末端，巖石應力狀態低于巖石韌性斷裂標準，剪切裂紋分叉成拉伸裂紋。隨著拉伸裂紋持續擴展，當裂紋與巖石表面相交時巖石發生破碎(圖5(c))。巖石切割破碎后，鉆頭旋切扭矩會急劇下降，鉆頭在加載壓力作用下再次與巖石接觸并循環切割巖石(圖5(d))，呈螺旋狀侵入巖石(圖4)。對比3類巖石的切割破碎情況發現，不同巖性的巖石均遵循上述機巖相互作用過程中巖石破碎機理(表4)，主要區別在于抗拉強度、抗剪強度及磨蝕性低的巖石，切割深度大、切割效率高(切割體積大)，易出現大尺寸的巖屑。

圖4 機巖相互作用螺旋切割軌跡Fig.4 Helicoidal trajectories of the cutter

圖5 機巖相互作用過程中巖石破碎Fig.5 Whole process of rock drilling

綜上，巖石旋切破碎同時經歷壓縮破壞、剪切破壞、拉伸破壞以及巖石與鉆頭附近的韌性斷裂破壞。巖石內部裂紋始于貫入壓縮破碎區域，其發育程度主要同時受剪切破壞和拉伸破壞影響，而裂紋進一步擴展主要受拉伸破壞控制。

2.2 巖石破碎影響因素

在機械破巖過程中，巖石破碎效率往往是決定工程經濟可行性和工程進度安排的重要評價指標。定性分析巖石破碎過程中影響因素是優化機械破巖過程破巖效率和厘清巖石破碎機理的關鍵。

圖6為巖石單軸抗壓強度與破碎巖屑質量的關系。由圖6可知，巖屑質量隨著巖石單軸抗壓強度的升高而降低，降低速率隨抗壓強度升高而持續提高。由巖石破碎機理和CHIAIA等研究可知，當加載壓力相同情況下，貫入深度隨抗壓強度升高而降低，且速率逐步增大，即單軸抗壓強度越小的巖石鉆頭貫入深度越大，鉆頭每旋轉一圈切割破碎的巖屑質量也越大。

圖6 巖石單軸抗壓強度與巖屑質量的關系Fig.6 Relationship between UCS and the mass of rock chips

圖7為巖石抗拉強度與巖屑粒徑的關系(為巖屑顆粒累積分布為90%的大尺寸粒徑，是評價巖石破碎程度的重要指標)。由圖7可知，大尺寸的巖屑隨著巖石抗拉強度的升高而降低，降低速率隨抗拉強度升高而持續增大。由巖石破碎機理和Evans巖石破碎模型可知，巖石切割破碎過程中，控制巖石破碎程度的一個重要因素為巖石抗拉強度。在相同鉆進參數下，鉆機輸入能量不變，巖石抗拉強度越小，破碎單位體積的巖石所需能量越少，導致破碎巖屑尺寸較大，降低速率也隨抗拉強度升高在持續提高。

圖7 巖石抗拉強度與巖屑d90的關系Fig.7 Relationship between rock tensile strength and d90 of rock chips

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

圖8，9分別為加載壓力與巖屑質量和巖屑粒徑的關系。由圖8可知，加載壓力與破碎巖屑質量呈對數關系(>0.87)，隨著加載壓力增加，破碎巖屑質量也持續增加，但增加速率降低。由圖9可知，巖屑粒徑與加載壓力呈指數關系(>0.52)，且增加速率持續增加。由巖石破碎機理和CHIAIA等研究可知，在鉆進過程中鉆頭貫入深度隨著加載壓力增加呈對數增加，隨著加載壓力增加，鉆進輸入能量也持續增加，貫入深度的對數增加導致破碎巖屑質量增加，但增加速率降低。在鉆頭輸入能量持續增加過程中，鉆頭需要克服的摩擦能比例保持相對穩定，用于形成破碎巖屑的切割破碎能持續增加，同時貫入深度隨加載壓力呈對數增加，2者共同導致大尺寸巖屑()隨加載壓力呈指數增加。

圖8 加載壓力與巖屑質量關系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分段式破巖，破巖速度高于大角度鉆頭，導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 巖石破碎過程中機巖信息互饋研究

在鉆進過程中，旋切扭矩不僅是機巖相互作用最直接綜合表征參數，也是大量巖石可鉆性評價指標的重要中間計算參數。然而在鉆孔破巖過程中，實際旋切扭矩大小不僅很難測量，且由于巖石破碎過程中機巖信息互饋機制不明，旋切扭矩也很難通過經驗映射關系預估。為提高巖石可鉆性評價理論基礎，筆者通過室內巖石旋切破碎試驗和理論分析開展巖石破碎過程中旋切扭矩變化規律研究。

在巖石破碎過程中，鉆頭根據運動狀態分為正常旋轉切割狀態和卡鉆狀態。鉆頭加載壓力較小時，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()，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。其中卡鉆臨界狀態由鉆機輸入功率大小和巖石性質共同決定。

加載壓力小于時，鉆頭一直處于旋轉狀態。由Detournay和Defourny研究可知，巖石破碎過程中機巖相互作用可分解為巖石切割和巖石摩擦2個過程。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，鉆進過程中鉆頭貫入深度和巖石貫入壓縮破碎區的半徑與鉆頭形狀、加載壓力以及巖石類型有關，即

(2)

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

在巖石破碎過程中，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。根據極限平衡關系，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。由圖4可知，鉆頭是以半徑為的2片軸對稱壓頭進行巖石切割破碎，因此巖石切割過程中總扭矩可表示為

(6)

可根據數據采集系統實時監測的扭矩和加載壓力快速量化。加載壓力大于時，鉆頭的輸入能量低于巖石破碎能和摩擦能導致鉆頭卡鉆。根據極限平衡關系，當鉆頭處于卡鉆臨界狀態時巖石旋切扭矩為

(7)

式中，為卡鉆臨界狀態時鉆頭受到的最大靜摩擦力，N。

圖12為根據式(6)，(7)繪制的巖石破碎過程中加載壓力與旋切扭矩變化規律。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系(黑色實線)，且鉆頭旋轉速度不影響巖石旋切扭矩變化。在旋轉狀態時，巖石摩擦因數和切割比能越高，線性斜率越高(紅色實線)。加載壓力增至臨界壓力時，鉆頭出現卡鉆現象，此時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類巖樣在不同旋轉速度下加載壓力與旋切扭矩的關系。

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

由圖13可知，巖石破碎過程中，加載壓力與旋切扭矩的關系呈如圖12所示的線性關系，且3類巖石破碎過程中僅有花崗質片麻巖石出現旋轉狀態和卡鉆狀態。鉆頭處于旋轉狀態時，3種巖性的旋切扭矩呈線性變化且斜率變化規律也如圖12所示，其中抗拉、抗剪強度以及磨蝕系數最高的花崗片麻巖的旋切扭矩變化斜率最高，而抗拉、抗剪強度及磨蝕系數最低的方解石大理巖的旋切扭矩變化斜率最低。同時旋轉速度不影響巖石旋切扭矩變化，主要原因是鉆頭旋轉速度只能改變巖石切割速率，不能改變瞬時巖石切割體積。同時由式(6)，(7)可知，旋切扭矩只與巖石固有性質及瞬時巖石切割體積相關，與鉆頭旋轉速度無關。根據文獻[25]的原位鉆孔試驗數據也發現，鉆孔巖性保持恒定時，鉆進加載壓力和旋切扭矩的確呈正線性關系，且鉆頭旋轉速度不影響該線性關系。

3.2 巖石可鉆性理論評價模型

圖14為巖石切割破碎過程，結合巖石破碎機理和機巖信息互饋研究，假設鉆頭鉆進一圈過程中鉆頭壓力不變，由式(6)可知，旋轉狀態下鉆頭扭矩不變。

圖14 鉆進過程中鉆頭運動簡圖Fig.14 Simplified diagram of bit movement during cutting

在鉆頭每旋轉一圈的鉆進深度為時，切割破碎一圈巖石的扭矩可表示為

(8)

式中，為質元張角(圖14)。

根據鉆孔幾何關系和式(8)，切割破碎一圈巖扭矩為

(9)

用于克服摩擦過程的摩擦扭矩可表示為

(10)

由鉆孔幾何關系，式(10)可表示為

=π

(11)

由式(9)，(11)可得總鉆進扭矩為

(12)

將式(6)代入式(12)可得

(13)

(14)

由式(13)可知，鉆進過程中加載壓力與單鉆鉆進深度的線性斜率主要受巖石固有切割比能和摩擦因數影響，與鉆進過程中加載壓力和旋轉速度無關。同時根據文獻[25]原位鉆孔試驗數據發現，鉆孔巖性保持恒定時，加載壓力與鉆頭每旋轉一圈的鉆進深度呈正線性關系，且不同旋轉速度下的加載壓力與單鉆鉆進深度的線性梯度保持恒定，相關系數大于0.61，如圖15所示。在實際工程中，將加載壓力與單鉆鉆進深度的線性關系梯度作為巖石可鉆性評價指標。且在實際鉆掘工程中，鉆進監測系統可實時記錄鉆進過程數據，隨后通過巖石可鉆性評價模型計算地層巖石可鉆性沿鉆孔深度分布。