D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.07.004 第29卷第7期 北京科技大学学报 Vol.29 No.7 2007年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2007 基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 谭卓英)蔡美峰)岳中琦)谭国焕)李焯芬) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)香港大学土木工程系，香港 摘要针对香港风化花岗岩场址勘探，在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统(drilling process monitoring,DPM),对有效 轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测·采用变斜率作为显著性指数，对地层中的主、次界面进行 了识别.t检验表明，DPM系统对岩土界面识别的置信度为99%.此外，对穿孔参数在界面处的变化分析表明，这些参数随孔 深的变化曲线在界面处存在不同涨落，轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81.82%. 关键词仪器钻进系统：穿孔参数：风化花岗岩：界面识别 分类号TU413.6+3 在岩土工程勘察中，钻探、土工及岩石力学实验 差，所以，基于岩芯样本的可钻性实验所获数据进行 是必不可少的，该项工作一般占工程费用的10%~ 的线性回归是局部的，很难反映钻孔剖面全过程的 35%,非取样钴进的时间一般为取样钻进时的30% 可钻性变化，因此，通过仪器钻进系统获取穿孔参 左右，因此，研究仪器钻进系统，对钻进过程进行实 数是技术关键，基于这一思想，研发了DPM 时监测以取代土工和岩石力学实验的研究一直是国 (drilling process monitoring system)系统I6].通过该 际岩土工程领域的前沿课题之一· 系统，可实现对钻孔过程中钻进参数的自动采集，所 以上研究是基于对穿孔参数与岩石性质的研 监测数据具有实时、连续及样本海量的特点，本研 究，钻机工作参数和地层性能数据的多变量线性回 究根据DPM系统在香港风化花岗岩地基勘察中的 归分析表明，影响钻速最主要的因素是钻头类型、工 应用，对穿孔参数与岩石强度间的关系进行研究，以 作参数以及所穿透地层的特性山.在石灰岩和页岩 期揭露地层特性，对地层进行识别 中，增加转速比提高其他参数对穿孔速率的影响更 大，转速是控制穿孔速率最重要的因素)]。钻进与 1场址及穿孔作业参数 岩芯取样实验表明，穿孔速率及所施加的力矩随作 研究的场址位于香港何文田，该地基为简单风 用于钴具上重量的增加而按指数增长，穿孔速率随 化花岗岩地层，由上覆充填土、全风化至微风化花岗 钴头转速的增加而增加，然而，转速对转矩及破碎 岩组成，各层厚度不一，其中，充填土的厚度为0~ 比能的影响并不显著)，在大理岩、粉砂岩、花岗岩 2.0m·实验钴探机为R一20型回转式钴机，岩芯钴 及闪长岩等的凿岩实验模拟也表明，钻机工作参数、 进采用直径115mm金刚石钻头和T2-101双筒岩 岩石的强度与硬度，以及破碎比功之间存在合理的 芯套管，岩芯直径为84mm,钻杆单重为58.4kN· 匹配关系).在褐煤中，单轴抗压强度、抗拉强 m-1.为了全面掌握场址的岩土工程特性，共布置 度、内聚力、阻抗与穿透速率之间存在一定的关系 47个钻孔，钻孔的终孔深度为完整基岩以下10m. 其中，最主要的是单轴抗压强度，可用以估计轴压、 钻孔过程中的压力、转速和位移等参数采用DPM 转速和穿孔速率[1]. 系统进行实时监测，以某典型钴孔为例进行分析， 由此可见，穿孔参数与可钻性指标及岩石强度 之间存在一定的关系，根据这一关系，可通过穿孔 2穿孔参数变化的基本规律 参数对地层进行识别.然而，由于传统方法所取得 2.1轴压力随孔深变化的全过程曲线 的岩芯样本及穿孔数据离散、随机、有限且代表性 轴压力的作用是保证钻头与孔底岩石有效接 收稿日期：2006-01-28修回日期：2006-03-06 触，并使钻头压入岩石一定深度，同时保证在钻机回 基金项目：香港特别行政区政府研究基金(N。-HKU7005/01E)和香 转过程中，钻具不致回弹.轴压力过大，会增大孔底 港赛马会慈善基金资助项目：国家自然科学基金重大项目(N。, 50490271) 摩擦，增加扭矩，造成卡钻和钻具失效；过小，钻齿不 作者简介：谭卓英(1965-)男，教授，博士 能压入岩石，达不到破碎岩石的效果，因此，必须维
基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 谭卓英1） 蔡美峰1） 岳中琦2） 谭国焕2） 李焯芬2） 1） 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 2） 香港大学土木工程系香港 摘 要 针对香港风化花岗岩场址勘探在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统（drilling process monitoringDPM）对有效 轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测．采用变斜率作为显著性指数对地层中的主、次界面进行 了识别．t 检验表明DPM 系统对岩土界面识别的置信度为99％．此外对穿孔参数在界面处的变化分析表明这些参数随孔 深的变化曲线在界面处存在不同涨落轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81∙82％． 关键词 仪器钻进系统；穿孔参数；风化花岗岩；界面识别 分类号 TU413∙6＋3 收稿日期：2006-01-28 修回日期：2006-03-06 基金项目：香港特别行政区政府研究基金（No．HKU7005／01E）和香 港赛马会慈善基金资助项目；国家自然科学基金重大项目（No． 50490271） 作者简介：谭卓英（1965—）男教授博士 在岩土工程勘察中钻探、土工及岩石力学实验 是必不可少的该项工作一般占工程费用的10％～ 35％非取样钻进的时间一般为取样钻进时的30％ 左右．因此研究仪器钻进系统对钻进过程进行实 时监测以取代土工和岩石力学实验的研究一直是国 际岩土工程领域的前沿课题之一． 以上研究是基于对穿孔参数与岩石性质的研 究．钻机工作参数和地层性能数据的多变量线性回 归分析表明影响钻速最主要的因素是钻头类型、工 作参数以及所穿透地层的特性［1］．在石灰岩和页岩 中增加转速比提高其他参数对穿孔速率的影响更 大转速是控制穿孔速率最重要的因素［2］．钻进与 岩芯取样实验表明穿孔速率及所施加的力矩随作 用于钻具上重量的增加而按指数增长穿孔速率随 钻头转速的增加而增加．然而转速对转矩及破碎 比能的影响并不显著［3］．在大理岩、粉砂岩、花岗岩 及闪长岩等的凿岩实验模拟也表明钻机工作参数、 岩石的强度与硬度以及破碎比功之间存在合理的 匹配关系［4—9］．在褐煤中单轴抗压强度、抗拉强 度、内聚力、阻抗与穿透速率之间存在一定的关系． 其中最主要的是单轴抗压强度可用以估计轴压、 转速和穿孔速率［10］． 由此可见穿孔参数与可钻性指标及岩石强度 之间存在一定的关系．根据这一关系可通过穿孔 参数对地层进行识别．然而由于传统方法所取得 的岩芯样本及穿孔数据离散、随机、有限且代表性 差所以基于岩芯样本的可钻性实验所获数据进行 的线性回归是局部的很难反映钻孔剖面全过程的 可钻性变化．因此通过仪器钻进系统获取穿孔参 数是 技 术 关 键．基 于 这 一 思 想研 发 了 DPM （drilling process monitoring system）系统［16］．通过该 系统可实现对钻孔过程中钻进参数的自动采集所 监测数据具有实时、连续及样本海量的特点．本研 究根据 DPM 系统在香港风化花岗岩地基勘察中的 应用对穿孔参数与岩石强度间的关系进行研究以 期揭露地层特性对地层进行识别． 1 场址及穿孔作业参数 研究的场址位于香港何文田该地基为简单风 化花岗岩地层由上覆充填土、全风化至微风化花岗 岩组成各层厚度不一．其中充填土的厚度为0～ 2∙0m．实验钻探机为 R—20型回转式钻机岩芯钻 进采用直径●115mm 金刚石钻头和 T2—101双筒岩 芯套管岩芯直径为84mm钻杆单重为58∙4kN· m —1．为了全面掌握场址的岩土工程特性共布置 47个钻孔钻孔的终孔深度为完整基岩以下10m． 钻孔过程中的压力、转速和位移等参数采用 DPM 系统进行实时监测．以某典型钻孔为例进行分析． 2 穿孔参数变化的基本规律 2∙1 轴压力随孔深变化的全过程曲线 轴压力的作用是保证钻头与孔底岩石有效接 触并使钻头压入岩石一定深度同时保证在钻机回 转过程中钻具不致回弹．轴压力过大会增大孔底 摩擦增加扭矩造成卡钻和钻具失效；过小钻齿不 能压入岩石达不到破碎岩石的效果．因此必须维 第29卷 第7期 2007年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．7 Jul．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．07．004
,666 北京科技大学学报 第29卷 持合理的轴压力，在钻进过程中，作用于钻头上的 变化曲线 轴压力称为有效轴压力，在数值上等于钻具重力与 2.4钻头位移随钻进时间变化的全过程曲线 轴压力之和与调压力的差值.，图1是作用于钻头上 图4是钻头位移随钻进时间的变化关系曲线 的有效轴压力随钻头推进位移或孔深的全过程变化 曲线的斜率反映钴头的穿孔速率，因此，位移时间 的曲线 曲线实际上反映的是钴头穿孔速率的变化，图5为 有效轴压kN 界面节石分级 界面上穿孔速率随钻头位移的变化曲线 00 Ⅲ/0 钻进时间min 界面岩石分级 010 100 200 300 400 -10 15 5 Ⅲ/I -20 n 四/Ⅱ `1 25 穿孔速率=19.67cm~min N/D V/M -30 岩脉 -20 穿孔速率=4.79cm-min- B/D 35 -25 m/0 N/O 40 岩脉 -35 -40L 图1有效轴压随钻头位移的变化 Fig.1 Change of effective thrust force with the bit's displacement 图4钻头位移随钻进时间的变化 2.2钻具转速随孔深变化的全过程曲线 Fig.4 Change of the bit's displacement with drilling time R20属旋转式破岩，钻孔的动力主要来自钻机 回转电机产生的扭矩，图2是钻头转速随钻头推进 穿孔速率(cm-min) 界面岩石分级 80 位移的变化曲线 001020'304006070 钻头转速rmin) 界面岩石分级 60 120180240500560 -10 15 -5 Ⅲ/U -20 -10 -25 N/I -15 -30 V/V 岩脉 -20 四/0 35 -40l N/D -30 岩脉 354 图5穿孔速率随钻头位移的变化曲线 -40 Fig.5 Change of penetrating rate with the bit's displacement 图2钻头转速随钻头位移的变化 3 Fig.2 Change of rotational speed with the bit's displacement 岩土工程界面与穿孔参数的关系 2.3冲洗水压力随孔深变化的全过程曲线 3.1岩性与界面的识别 冲洗水的作用除排碴外，可润湿孔壁起到护壁 图1~5反映了穿孔过程中各参数在界面上的 的作用，同时，润湿孔底岩石，提高穿孔效率并降低 变化，为了定义岩性界面，用显著性指数来描述岩 钻头温度，减少磨损，图3是冲洗水压力随孔深的 性的变化程度，采用变斜率法进行主次界面的识 别16].DPM系统岩性界面识别结果如表1. 冲洗水压力IMPa 界面岩石分级 0.6 0,320.480.64 0.80 人工录孔属传统的岩土工程勘探方法，其中， Ⅲ/I 通过标准触探实验、点载荷实验和岩性鉴别，获得各 -10 钻孔岩性、物理力学参数及界面深度值，界面及岩 5 V/N 性随深度的变化参见图1~5.共获得主界面7个， u/n 0/8 次级界面4个.为了检验DPM系统对界面识别的 N/n 30 若脉 可靠性，采用t检验法对此进行分析 -35 设人工方法获得的界面值为另一组观察变量 40 ,DPM系统识别的界面深度为一组观察变量v:, 图3冲洗水压随钻头位移的变化 则问题转化为回答：和v:之间是否存在显著差 Fig.3 Change of flushing pressure with the bit's displacement 别，人工录孔与DPM系统监测结果的比较如表2
持合理的轴压力．在钻进过程中作用于钻头上的 轴压力称为有效轴压力在数值上等于钻具重力与 轴压力之和与调压力的差值．图1是作用于钻头上 的有效轴压力随钻头推进位移或孔深的全过程变化 的曲线． 图1 有效轴压随钻头位移的变化 Fig．1 Change of effective thrust force with the bit’s displacement 2∙2 钻具转速随孔深变化的全过程曲线 R—20属旋转式破岩钻孔的动力主要来自钻机 回转电机产生的扭矩．图2是钻头转速随钻头推进 位移的变化曲线． 图2 钻头转速随钻头位移的变化 Fig．2 Change of rotational speed with the bit’s displacement 图3 冲洗水压随钻头位移的变化 Fig．3 Change of flushing pressure with the bit’s displacement 2∙3 冲洗水压力随孔深变化的全过程曲线 冲洗水的作用除排碴外可润湿孔壁起到护壁 的作用．同时润湿孔底岩石提高穿孔效率并降低 钻头温度减少磨损．图3是冲洗水压力随孔深的 变化曲线． 2∙4 钻头位移随钻进时间变化的全过程曲线 图4是钻头位移随钻进时间的变化关系曲线． 曲线的斜率反映钻头的穿孔速率．因此位移—时间 曲线实际上反映的是钻头穿孔速率的变化．图5为 界面上穿孔速率随钻头位移的变化曲线． 图4 钻头位移随钻进时间的变化 Fig．4 Change of the bit’s displacement with drilling time 图5 穿孔速率随钻头位移的变化曲线 Fig．5 Change of penetrating rate with the bit’s displacement 3 岩土工程界面与穿孔参数的关系 3∙1 岩性与界面的识别 图1～5反映了穿孔过程中各参数在界面上的 变化．为了定义岩性界面用显著性指数来描述岩 性的变化程度采用变斜率法进行主次界面的识 别［16］．DPM 系统岩性界面识别结果如表1． 人工录孔属传统的岩土工程勘探方法．其中 通过标准触探实验、点载荷实验和岩性鉴别获得各 钻孔岩性、物理力学参数及界面深度值．界面及岩 性随深度的变化参见图1～5．共获得主界面7个 次级界面4个．为了检验 DPM 系统对界面识别的 可靠性采用 t 检验法对此进行分析． 设人工方法获得的界面值为另一组观察变量 uiDPM 系统识别的界面深度为一组观察变量 vi 则问题转化为回答 ui 和 vi 之间是否存在显著差 别．人工录孔与 DPM 系统监测结果的比较如表2． ·666· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第7期 谭卓英等：基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 667 表1人工和DPM系统所获得的岩性界面深度值 Table 1 Depth values at lithology interfaces from manual and DPM records 人工获得的界面深度值/m 岩性分布 分级 DPM获得的界面深度值/m 1.90-2.00 充填土 Earth Fill 2.00~5.10 细及粗粉沙土 2.000-5.360 5.10-6.00 中及轻度风化粗粒花岗岩 Ⅲ/Ⅱ 5.3606.670 11.0016.10 细及粗粉沙土 E 11.320-15.760 16.10-18.90 粗粉沙土 V/N 15.760-18.580 18.9019.60 中及轻度风化粗粒花岗岩 Ⅲ/Ⅱ 18.580-19.500 19.60~19.95 高度风化花岗岩 W 19.500-19.950 19.9524.80 中及轻度风化粗粒花岗岩 Ⅲ/Ⅱ 19.950-24.420 24.80-25.40 高及中度风化粗粒花岗岩 N/Ⅲ 24.420-24.870 25.40-31.37 轻度风化粗粒花岗岩 Ⅱ 24.870-31.080 31.3731.70 轻度风化细至中粒花岗岩脉 Vein 31.080-31.920 31.70-35.80 轻度风化粗粒花岗岩 Ⅱ 31.920~35.670 表2DPM与人工方法所获主界面值的比较 Table 2 Comparison of the depths of dominative interfaces between manual logging and DPM 界面 u/m 界面处岩石的级别变化 x(=(4一)/m lx对l/m (xl/)/% -5.10 -Ⅲ/Ⅱ -5.36 0.26 0.26 5.10 -6.00 Ⅲ/-V -6.67 0.67 0.67 11.17 -18.90 V/-Ⅲ/Ⅱ -18.58 -0.32 0.32 1.69 主界面 -19.60 Ⅲ/-W -19.50 -0.10 0.10 0.51 -19.95 -Ⅲ/Ⅱ -19.95 -0.00 0.00 0.00 -31.37 一岩脉 -31.08 -0.29 0.29 0.92 -31.70 岩脉Ⅱ -31.92 0.22 0.22 0.69 -11.00 V-V -11.32 0.32 0.32 2.91 -16.10 V-V/IV -15.76 -0.34 0.34 2.11 次界面 -24.80 Ⅲ/-V/Ⅲ -24.42 -0.38 0.38 1.53 -25.40 N/-Ⅱ -24.87 0.53 0.53 2.09 根据一检验理论，获得检验的结果如表3，显 系统对界面的识别，与传统的手工录孔比较，没有显 然，t检验的结果落在拒绝域之外，说明采用DPM 著性差异，置信度达99%，结果可靠 表3DPM系统监测与人工录孔界面值的，检验结果及置信度 Table 3 Results of the i-test and degree of confidence at the interfaces from DPM with respect to manual logging 样本容量， 设定的显著 样本差的总和， 观察样本的 样本的标准 t检验值， 拒绝域计算值， 置信度， 界面 性水平，a : 平均值，x 离差，S ta/2(n-1) a2(n-1) (1-a)/% n 主界面 7 0.01 0.440 0.063 0.35 3.7074 0.4900 99 次界面 0.01 -0.930 -0.233 0.38 5.8409 1.1019 99 3.2 穿孔参数在界面处的变化 大小反映了界面处岩石强度变化的程度，在图4中 对应图1~5右侧的界面分布，可知各参数在界 则表现为曲线斜率的变化，有效轴压力、钻具转速 面处的瞬时变化，在界面处，穿孔参数均随岩石强 及冲洗压力一般表现为随岩石强度的增大或岩石等 度的改变而发生了不同程度的改变，这反映在图 级的增高而增大，穿孔速率随岩石强度的增大而降 1~3及图5中则表现为各参数曲线的涨落.涨落的 低
表1 人工和 DPM 系统所获得的岩性界面深度值 Table1 Depth values at lithology interfaces from manual and DPM records 人工获得的界面深度值／m 岩性分布 分级 DPM 获得的界面深度值／m 1∙90～2∙00 充填土 Earth Fill — 2∙00～5∙10 细及粗粉沙土 Ⅴ 2∙000～5∙360 5∙10～6∙00 中及轻度风化粗粒花岗岩 Ⅲ／Ⅱ 5∙360～6∙670 11∙00～16∙10 细及粗粉沙土 Ⅴ 11∙320～15∙760 16∙10～18∙90 粗粉沙土 Ⅴ／Ⅳ 15∙760～18∙580 18∙90～19∙60 中及轻度风化粗粒花岗岩 Ⅲ／Ⅱ 18∙580～19∙500 19∙60～19∙95 高度风化花岗岩 Ⅳ 19∙500～19∙950 19∙95～24∙80 中及轻度风化粗粒花岗岩 Ⅲ／Ⅱ 19∙950～24∙420 24∙80～25∙40 高及中度风化粗粒花岗岩 Ⅳ／Ⅲ 24∙420～24∙870 25∙40～31∙37 轻度风化粗粒花岗岩 Ⅱ 24∙870～31∙080 31∙37～31∙70 轻度风化细至中粒花岗岩脉 Vein 31∙080～31∙920 31∙70～35∙80 轻度风化粗粒花岗岩 Ⅱ 31∙920～35∙670 表2 DPM 与人工方法所获主界面值的比较 Table2 Comparison of the depths of dominative interfaces between manual logging and DPM 界面 u／i m 界面处岩石的级别变化 v／i m xi（＝（ ui— vi））／m ｜x｜i ／m （｜x｜i ／ui）／％ —5∙10 Ⅴ—Ⅲ／Ⅱ —5∙36 0∙26 0∙26 5∙10 —6∙00 Ⅲ／Ⅱ—Ⅴ —6∙67 0∙67 0∙67 11∙17 —18∙90 Ⅴ／Ⅳ—Ⅲ／Ⅱ —18∙58 —0∙32 0∙32 1∙69 主界面 —19∙60 Ⅲ／Ⅱ—Ⅳ —19∙50 —0∙10 0∙10 0∙51 —19∙95 Ⅳ—Ⅲ／Ⅱ —19∙95 —0∙00 0∙00 0∙00 —31∙37 Ⅱ—岩脉 —31∙08 —0∙29 0∙29 0∙92 —31∙70 岩脉—Ⅱ —31∙92 0∙22 0∙22 0∙69 —11∙00 Ⅴ—Ⅴ —11∙32 0∙32 0∙32 2∙91 次界面 —16∙10 Ⅴ—Ⅴ／Ⅳ —15∙76 —0∙34 0∙34 2∙11 —24∙80 Ⅲ／Ⅱ—Ⅳ／Ⅲ —24∙42 —0∙38 0∙38 1∙53 —25∙40 Ⅳ／Ⅲ—Ⅱ —24∙87 0∙53 0∙53 2∙09 根据 t—检验理论获得检验的结果如表3．显 然t 检验的结果落在拒绝域之外说明采用 DPM 系统对界面的识别与传统的手工录孔比较没有显 著性差异置信度达99％结果可靠． 表3 DPM 系统监测与人工录孔界面值的 t 检验结果及置信度 Table3 Results of the t-test and degree of confidence at the interfaces from DPM with respect to manual logging 界面 样本容量 n 设定的显著 性水平α 样本差的总和 Σxi 观察样本的 平均值x 样本的标准 离差S t 检验值 t a／2（ n—1） 拒绝域计算值 s n t a／2（ n—1） 置信度 （1—α）／％ 主界面 7 0∙01 0∙440 0∙063 0∙35 3∙7074 0∙4900 99 次界面 4 0∙01 —0∙930 —0∙233 0∙38 5∙8409 1∙1019 99 3∙2 穿孔参数在界面处的变化 对应图1～5右侧的界面分布可知各参数在界 面处的瞬时变化．在界面处穿孔参数均随岩石强 度的改变而发生了不同程度的改变这反映在图 1～3及图5中则表现为各参数曲线的涨落．涨落的 大小反映了界面处岩石强度变化的程度在图4中 则表现为曲线斜率的变化．有效轴压力、钻具转速 及冲洗压力一般表现为随岩石强度的增大或岩石等 级的增高而增大穿孔速率随岩石强度的增大而降 低． 第7期 谭卓英等： 基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 ·667·
,668 北京科技大学学报 第29卷 地层界面的识别精度取决于显著性指标的设 为一6.67~-19.95m,曲线明显变陡，多为强风化 置，一般以满足工程要求为宜，如果不计地层中小 至中风化花岗岩，穿孔速率为l9.67 cmmin1.第 的变化，可以根据图5中位移曲线的斜率变化将穿 四层深度为一19.95一35.67m,曲线开始变缓，多 透地层划分四层：第一层为表土层，属充填土，厚度 为中等至轻度风化的花岗岩，穿孔速率为4.79cm· 仅为2.00m.该段由于处于钴孔准备阶段，其参数 min. 未进行监测.第二层深度为-2.00~一6.67m.其 但是，以上变化还不能反映与界面上岩石强度 中-2.00~一5.36m为全风化花岗岩，穿孔速率为 变化的直接关系，表4是各钻孔穿孔参数在岩性界 27.55 cm*min1;Ⅲ/Ⅱ类轻中度风化花岗岩夹层， 面处的变化值 曲线平缓，穿孔速率为8.34 cm *min1.第三层深度 表穿孔参数在岩性界面处的相对变化值 Table 4 Relative variation values of penetrating parameters at lithology interfaces DPM界面 有效轴 钻头 冲洗 穿孔 抗压 DPM界面有效轴 钻头 冲洗 穿孔 抗压 深度/m 压力 转速 压力 速率 强度 深度/m 压力 转速 压力 速率 强度 -5.36 0.420 0.464 0.153 -0.626 0.991 -19.95 0.374 0.442 0.174 -0.346 0.588 -6.67 -1.526 -1.580 -2.352 0.680-97.302 -24.42 0.230 0.172 0.497 0.592-0.635 -11.32 0.112 -0.010 0.544 -0.279 0.026 -24.87 -0.099 -0.017 -0.473 -2.518 0.485 -15.76 0.019 0.012 -0.770 -0.321 0.950 -31.08 0.163 -0.065 0.207 -0.743 0.094 -18.58 0.069 -0.055 0.361 -1.538 0.789 -31.92 -0.024 0.013 -0.009 -0.231 -0.104 -19.50-0.655 -1.350 -0.845 -0.090 -1.426 从表4可知，在界面上，当岩石强度发生改变 系的不确定，同样，岩石强度均化亦会影响到表4 时，穿孔参数也会发生相应的改变，其中，在多数情 中其他穿孔参数在界面处与岩石强度变化的相关 况下，有效轴压力及冲洗压力对界面处岩石强度的 性，这是造成表4中穿孔参数与界面处岩石强度变 变化呈正响应，其正相关率分别为81.82%和 化相关性减弱的原因 72.73%.这说明，轴压力及冲洗压力随界面处岩石 此外，旋转钻机一般有两种钻进方式，即低轴压 强度的增大而增大，这与图1及图3相一致，钻具 一高转速钻进和高轴压一低转速钻进.在同一场址 转速对岩石强度的变化呈负响应，负相关率为 中，便于比较，应该使用同一种钻进方式·冲洗压力 54.54%,正、负响应基本相当，穿孔速率对岩石强 与孔深、排碴状态及岩石中的裂隙发育与否有关， 度的变化呈负响应，其负相关率为81.82%.说明穿 在这次钻进中，由于裂隙不发育，因而表现出较好的 孔速率随岩石强度的增大而降低，以上穿孔参数在 规律性，当在钻进过程中，采用多种钻进方式时，亦 界面上的变化反映了其随钻进地层岩石强度变化的 容易造成转速的不确定性 基本规律.但是，转速与图2的监测结果并不一致. 从图2可知：在强度较小的地层中，转速低；在强度 4结论 较大的地层中，转速高.但从表4可知：在一19.95 (1)DPM系统能对风化花岗岩地层界面进行 m以上地层，转速对岩石强度的变化既存在正响应 可靠的识别，t检验表明，其精度可达99% 也存在负响应；在一19.95m以下，均呈负响应，这 (2)有效轴压力、转速、冲洗压力及穿孔速率将 与表4中岩石强度的代表性有关.表中岩石的强度 随界面处岩石强度的变化而变化，轴压力及穿孔速 是典型岩芯的强度，并不能完全代表界面处岩石的 率分别与岩石强度成正、负相关，其响应度均达到 实际强度.从取样岩芯分析，在表2中，一5.10， 81.82%,位移曲线的斜率直接反映了穿孔速率的 -6.00,-18.90,-19.60,-19.95,-21.07, 变化，可实现岩土剖面的划分.转速与钻机工作方 一24.35及一25.15m等界面处，存在明显的岩芯破 式有关，冲洗压力在完整性好的地层中，与岩石强度 碎，表明界面附近的岩石实际强度很低，在各参数图 成正相关；但总体来讲，转速与冲洗压力具有不确 中涨落也非常显著，说明各参数对界面处岩石强度 定性 的改变非常敏感；同时也说明，由于受岩石强度均化 (③)穿孔参数在界面上对岩石强度的变化非常 的影响，导致表4中界面上转速与岩石强度变化关 敏感，能通过各参数曲线的涨落来反映.但由于地
地层界面的识别精度取决于显著性指标的设 置一般以满足工程要求为宜．如果不计地层中小 的变化可以根据图5中位移曲线的斜率变化将穿 透地层划分四层：第一层为表土层属充填土厚度 仅为2∙00m．该段由于处于钻孔准备阶段其参数 未进行监测．第二层深度为—2∙00～—6∙67m．其 中—2∙00～—5∙36m 为全风化花岗岩穿孔速率为 27∙55cm·min —1 ；Ⅲ／Ⅱ类轻中度风化花岗岩夹层 曲线平缓穿孔速率为8∙34cm·min —1．第三层深度 为—6∙67～—19∙95m曲线明显变陡多为强风化 至中风化花岗岩穿孔速率为19∙67cm·min —1．第 四层深度为—19∙95～—35∙67m曲线开始变缓多 为中等至轻度风化的花岗岩穿孔速率为4∙79cm· min —1． 但是以上变化还不能反映与界面上岩石强度 变化的直接关系．表4是各钻孔穿孔参数在岩性界 面处的变化值． 表4 穿孔参数在岩性界面处的相对变化值 Table4 Relative variation values of penetrating parameters at lithology interfaces DPM 界面 深度／m 有效轴 压力 钻头 转速 冲洗 压力 穿孔 速率 抗压 强度 —5∙36 0∙420 0∙464 0∙153 —0∙626 0∙991 —6∙67 —1∙526 —1∙580 —2∙352 0∙680 —97∙302 —11∙32 0∙112 —0∙010 0∙544 —0∙279 0∙026 —15∙76 0∙019 0∙012 —0∙770 —0∙321 0∙950 —18∙58 0∙069 —0∙055 0∙361 —1∙538 0∙789 —19∙50 —0∙655 —1∙350 —0∙845 —0∙090 —1∙426 DPM 界面 深度／m 有效轴 压力 钻头 转速 冲洗 压力 穿孔 速率 抗压 强度 —19∙95 0∙374 0∙442 0∙174 —0∙346 0∙588 —24∙42 0∙230 0∙172 0∙497 0∙592 —0∙635 —24∙87 —0∙099 —0∙017 —0∙473 —2∙518 0∙485 —31∙08 0∙163 —0∙065 0∙207 —0∙743 0∙094 —31∙92 —0∙024 0∙013 —0∙009 —0∙231 —0∙104 从表4可知在界面上当岩石强度发生改变 时穿孔参数也会发生相应的改变．其中在多数情 况下有效轴压力及冲洗压力对界面处岩石强度的 变化 呈 正 响 应其 正 相 关 率 分 别 为 81∙82％ 和 72∙73％．这说明轴压力及冲洗压力随界面处岩石 强度的增大而增大这与图1及图3相一致．钻具 转速对岩石强度的变化呈负响应负相关率为 54∙54％正、负响应基本相当．穿孔速率对岩石强 度的变化呈负响应其负相关率为81∙82％．说明穿 孔速率随岩石强度的增大而降低．以上穿孔参数在 界面上的变化反映了其随钻进地层岩石强度变化的 基本规律．但是转速与图2的监测结果并不一致． 从图2可知：在强度较小的地层中转速低；在强度 较大的地层中转速高．但从表4可知：在—19∙95 m 以上地层转速对岩石强度的变化既存在正响应 也存在负响应；在—19∙95m 以下均呈负响应．这 与表4中岩石强度的代表性有关．表中岩石的强度 是典型岩芯的强度并不能完全代表界面处岩石的 实际强度．从取样岩芯分析在表2中—5∙10 —6∙00—18∙90—19∙60—19∙95—21∙07 —24∙35及—25∙15m 等界面处存在明显的岩芯破 碎表明界面附近的岩石实际强度很低在各参数图 中涨落也非常显著．说明各参数对界面处岩石强度 的改变非常敏感；同时也说明由于受岩石强度均化 的影响导致表4中界面上转速与岩石强度变化关 系的不确定．同样岩石强度均化亦会影响到表4 中其他穿孔参数在界面处与岩石强度变化的相关 性这是造成表4中穿孔参数与界面处岩石强度变 化相关性减弱的原因． 此外旋转钻机一般有两种钻进方式即低轴压 —高转速钻进和高轴压—低转速钻进．在同一场址 中便于比较应该使用同一种钻进方式．冲洗压力 与孔深、排碴状态及岩石中的裂隙发育与否有关． 在这次钻进中由于裂隙不发育因而表现出较好的 规律性．当在钻进过程中采用多种钻进方式时亦 容易造成转速的不确定性． 4 结论 （1） DPM 系统能对风化花岗岩地层界面进行 可靠的识别t 检验表明其精度可达99％． （2） 有效轴压力、转速、冲洗压力及穿孔速率将 随界面处岩石强度的变化而变化．轴压力及穿孔速 率分别与岩石强度成正、负相关其响应度均达到 81∙82％．位移曲线的斜率直接反映了穿孔速率的 变化可实现岩土剖面的划分．转速与钻机工作方 式有关冲洗压力在完整性好的地层中与岩石强度 成正相关；但总体来讲转速与冲洗压力具有不确 定性． （3） 穿孔参数在界面上对岩石强度的变化非常 敏感能通过各参数曲线的涨落来反映．但由于地 ·668· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第7期 谭卓英等：基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 .669 层变化的复杂性，在非常量化参数的作业条件下，要 based on specific energy of drilling.Int J Rock Mech Min Sci. 建立各参数与岩石强度变化的数量关系还有待深入 1996,33(5):543 [9]Miller D.Ball A.Rock drilling with impregnated diamond micro- 研究 bits.An experimental study.Int J of Rock Mech Min Sci Ge- omech Abstr,1990,27(5):363 参考文献 [10]Karpuz C.Pasamehmetoglu A G,Dincer T,et al.Drillability [1]Ersoy A.Waller M D.Prediction of drill-bit performance using studies on the rotary blasthole drilling of lignite overburden se- multivariable linear regression analysis.Trans Inst MVin Metall ries.Int J Surf Min Reclam.1990.4(2):89 Sect A,1995,104:A101 [11]Liu H.Yin KK.Analysis and interpretation of monitored rotary [2]Osman M E.Sabry A M.Limestone,shale penetration rate equa blasthole drill data.Int J Surf Min Reclam Environ.2001.15 tions developed.Oil Gas J.1992.90(1):78 (3):177 [3]Huang S L,Wang Z W.Mechanics of diamond core drilling of [12]刘向君，孟英峰、岩石可钻性和钻速预测，天然气工业 rocks.Int J Rock Mech Min Sci.1997.34(3/4):612 1999,19(5):61 [4]Detournay E,Defourny P.Phenomenological model for the [13]Jung S J.Prisbrey K.Wu G.Prediction of rock hardness and drilling action of drag bits.Int J Rock Mech Min Sci Geomech drillability using acoustic emission signatures during indentation. Abstr,.1992,29(1):13 Int J Rock Mech Min Sci.1994.31(5):561 [5]Ohno T.Karasawa H,Kosugi M.et al.Proposed practical meth- [14]韩来聚，李祖奎，燕静，等.碳酸盐岩地层岩石声学特性的 ods to estimate rock strength and tooth wear while drilling with 实验研究与应用.岩石力学与工程学报，2004,23(14)： roller-cone bits.J Energy Resour Technol.Trans ASME.2004. 2444 126(4):302 [15]赵军，蔡西亚，林元华.声波测井资料在岩石可钻性及钻头 [6]Wij K G.Rotary drilling prediction.Int J Rock Mech Min Sci 选择中的应用.测井技术，2001,25(4)：305 Geomech Abstr.1991.28(1):35 [16]Tan Z Y.Cai M F.Yue Z Q,et al.Application and reliability [7]Ersoy A.Automatic drilling control based on minimum drilling analysis of DPM system in site investigation of HK weathered specific energy using PDC and WC bits.Trans Inst Min Metall granite.J Univ Sci Technol Beijing.2005.12(6):481 Sect A,2003,112(2):A86 [8]Reddish D J.Yasar E.New portable rock strength index test Interface identification in weathered granite strata based on a instrumented drilling system TAN Zhuoying,CAI Meifeng,YUE Z.Q.2),THA M L.G.2).LEE C.F.2) 1)State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Tech- nology Beijing.Beijing 100083.China 2)Department of Civil Engineering.University of Hong Kong.Hong Kong.China ABSTRACT A hydraulic rotary drill instrumented with a drilling process monitoring system(DP M)was used for site investigation in Hong Kong weathered granite foundation engineering.The penetrating parameters such as effective thrust force,rotational speed,flushing pressure,penetrating rate and displacement of the bit were monitored in real time.A varied slope was defined as a significant index for identification of dominative and sub- sidiary interfaces in the granite site.The result from t-test shows that the confidence of the DPM in identifica- tion of the geotechnical interfaces is.Besides,the analysis of variation of the penetrating parameters at the interfaces indicates that there are different fluctuations at the interfaces in the curves of the parameters with borehole depth.The response degree of effective thrust force and penetrating rate to the variation of rock strength at the interfaces is 81.82%alone. KEY WORDS instrumented drilling system;penetrating parameters;weathered granite;identification of geotechnical interface
层变化的复杂性在非常量化参数的作业条件下要 建立各参数与岩石强度变化的数量关系还有待深入 研究． 参 考 文 献 ［1］ Ersoy AWaller M D．Prediction of dril-l bit performance using mult-i variable linear regression analysis．Trans Inst Min Metall Sect A1995104：A101 ［2］ Osman M ESabry A M．Limestoneshale penetration rate equations developed．Oil Gas J199290（1）：78 ［3］ Huang S LWang Z W．Mechanics of diamond core drilling of rocks．Int J Rock Mech Min Sci199734（3／4）：612 ［4］ Detournay E Defourny P． Phenomenological model for the drilling action of drag bits．Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr199229（1）：13 ［5］ Ohno TKarasawa HKosugi Met al．Proposed practical methods to estimate rock strength and tooth wear while drilling with roller-cone bits．J Energy Resour TechnolTrans ASME2004 126（4）：302 ［6］ Wij K G．Rotary drilling prediction．Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr199128（1）：35 ［7］ Ersoy A．Automatic drilling control based on minimum drilling specific energy using PDC and WC bits．Trans Inst Min Metall Sect A2003112（2）：A86 ［8］ Reddish D JYasar E．New portable rock strength index test based on specific energy of drilling．Int J Rock Mech Min Sci 199633（5）：543 ［9］ Miller DBall A．Rock drilling with impregnated diamond microbitsAn experimental study．Int J of Rock Mech Min Sci Geomech Abstr199027（5）：363 ［10］ Karpuz CPasamehmetoglu A GDincer Tet al．Drillability studies on the rotary blasthole drilling of lignite overburden series．Int J Surf Min Reclam19904（2）：89 ［11］ Liu HYin K K．Analysis and interpretation of monitored rotary blasthole drill data．Int J Surf Min Reclam Environ200115 （3）：177 ［12］ 刘向君孟英峰．岩石可钻性和钻速预测．天然气工业 199919（5）：61 ［13］ Jung S JPrisbrey KWu G．Prediction of rock hardness and drillability using acoustic emission signatures during indentation． Int J Rock Mech Min Sci199431（5）：561 ［14］ 韩来聚李祖奎燕静等．碳酸盐岩地层岩石声学特性的 实验研究与应用．岩石力学与工程学报200423（14）： 2444 ［15］ 赵军蔡西亚林元华．声波测井资料在岩石可钻性及钻头 选择中的应用．测井技术200125（4）：305 ［16］ Tan Z YCai M FYue Z Qet al．Application and reliability analysis of DPM system in site investigation of HK weathered granite．J Univ Sci Technol Beijing200512（6）：481 Interface identification in weathered granite strata based on a instrumented drilling system TA N Zhuoying 1）CAI Meifeng 1）Y UE Z．Q．2）THA M L．G．2）LEE C．F．2） 1） State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal MinesUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Department of Civil EngineeringUniversity of Hong KongHong KongChina ABSTRACT A hydraulic rotary drill instrumented with a drilling process monitoring system （DPM） was used for site investigation in Hong Kong weathered granite foundation engineering．The penetrating parameters such as effective thrust forcerotational speedflushing pressurepenetrating rate and displacement of the bit were monitored in real time．A varied slope was defined as a significant index for identification of dominative and subsidiary interfaces in the granite site．The result from t-test shows that the confidence of the DPM in identification of the geotechnical interfaces is99％．Besidesthe analysis of variation of the penetrating parameters at the interfaces indicates that there are different fluctuations at the interfaces in the curves of the parameters with borehole depth．The response degree of effective thrust force and penetrating rate to the variation of rock strength at the interfaces is81∙82％ alone． KEY WORDS instrumented drilling system；penetrating parameters；weathered granite；identification of geotechnical interface 第7期 谭卓英等： 基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 ·669·