D0I:10.13374/1.issm100I103.2008.04.036 第30卷第4期 北京科技大学学报 Vol.30 No.4 2008年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2008 金刚石钻进能量与花岗岩地层风化程度的关系 谭卓英)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)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 3)香港大学土木工程系，中国香港 摘要基于钻进过程监测系统在充填土一风化花岗岩地层中对液压旋转钻进的监测数据，对金刚石钻进系统的能量进行了 分析·结果表明，钻进系统的能量分布与在普通风化花岗岩地层中的结果一致，黏滞能、动能以及钴进总能量与岩石的风化程 度呈负相关，轴力功与岩石的风化程度呈正相关，说明金刚石钻进能量与岩石风化程度具有很好的响应关系，动能、轴力功及 黏滞能受钻进方式影响，用于地层识别将受严格的可比条件限制·金刚石钻进比功随岩石风化程度的增强而减少，在不同风 化程度的岩层中具有很好的分区性。而且，在充填土及全风化、强风化花岗岩地层中，金刚石旋转钻进比功值明显低于冲击凿 碎比功，在微风化的坚硬岩中，旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎比功· 关键词风化花岗岩：旋转钻进：钻进比功：充填土：岩石可钻性：实时分级 分类号TU413.3 Relationship between diamond penetrating energy and weathered degree in granite formation TAN Zhuoying').YUEZ.Q.3).THA M L.G.3.LEE C.F.3 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 3)Department of Civil Engineering.University of Hong Kong.Pokfulam Road.Hong Kong.China ABSTRACT Based on experimental data from a drilling process monitoring system instrumented with a hydraulic rotary drill rig in fill-weathered granite formation.the diamond penetrating energy was analyzed.The result shows that the distribution of the pene- trating energy in fill-weathered granite formation agrees with that in common weathered granite formation.A negative correlation be- tween the viscous energy,kinetic energy,total penetrating energy and the weathered degree of granite existed.and a positive correla- tion between the thrust force energy and the weathered degree was presented.which indicates that there is a well response between the penetrating energy and the weathered degree of rock.However,the kinetic energy.thrust force energy and viscous energy are limited in identification of formation because of different effects in various drilling modes.The specific energy of diamond drilling (SEDD)increased with the weathered degree of rock and the values of SEDD can be classified into corresponding range according to the weathered degree of rock.It is shown that the SEDD in rotary drilling is apparently less than the specific energy of percussive drilling (SEPD)in both fill soil and very strongly weathered granite formation.Reversely.the SEDD is much more than the SEPD in lightly weathered hard rock. KEY WORDS weathered granite:rotary drilling:specific energy of penetrating:fill soil:rock drillability:real-time classification 通过仪器钻进系统，可以获得钻机工作参数进而获得有关地层丰富的地质信息，研究表明，钻进 参数如有效轴压力、钻具转速及钻孔速率与岩石地 收稿日期：2007-03-04修回日期：2007-05-10 层强度及风化程度之间存在很好的响应关系]. 基金项目：国家自然科学基金重大资助项目(N。.50490271);香港特 在采用浇注混凝土试块对煤层顶、底板地层特性进 别行政区政府研究资助基金项目(No-HKU7005/01E):香港赛马会 行的模拟实验亦表明，基于钻进物理参数对模拟地 慈善资助基金项目 作者简介：源卓英(1965一)男，教授，博士， 层进行识别与分类，其误差低于5%1，然而，由于 E-mail:markzhy-tan@163.com 地质环境的复杂性以及钻进作业的随机性，钴进参
金刚石钻进能量与花岗岩地层风化程度的关系 谭卓英12） 岳中琦3） 谭国焕3） 李焯芬3） 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） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 3） 香港大学土木工程系中国香港 摘 要 基于钻进过程监测系统在充填土－风化花岗岩地层中对液压旋转钻进的监测数据对金刚石钻进系统的能量进行了 分析．结果表明钻进系统的能量分布与在普通风化花岗岩地层中的结果一致黏滞能、动能以及钻进总能量与岩石的风化程 度呈负相关轴力功与岩石的风化程度呈正相关说明金刚石钻进能量与岩石风化程度具有很好的响应关系．动能、轴力功及 黏滞能受钻进方式影响用于地层识别将受严格的可比条件限制．金刚石钻进比功随岩石风化程度的增强而减少在不同风 化程度的岩层中具有很好的分区性．而且在充填土及全风化、强风化花岗岩地层中金刚石旋转钻进比功值明显低于冲击凿 碎比功在微风化的坚硬岩中旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎比功． 关键词 风化花岗岩；旋转钻进；钻进比功；充填土；岩石可钻性；实时分级 分类号 TU413∙3 Relationship between diamond penetrating energy and weathered degree in granite formation T A N Zhuoying 12）Y UE Z．Q．3）T HA M L．G．3）LEE C．F．3） 1） Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal MinesUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 3） Department of Civil EngineeringUniversity of Hong KongPokfulam RoadHong KongChina ABSTRACT Based on experimental data from a drilling process monitoring system instrumented with a hydraulic rotary drill rig in fil-l weathered granite formationthe diamond penetrating energy was analyzed．T he result shows that the distribution of the penetrating energy in fil-l weathered granite formation agrees with that in common weathered granite formation．A negative correlation between the viscous energykinetic energytotal penetrating energy and the weathered degree of granite existedand a positive correlation between the thrust force energy and the weathered degree was presentedwhich indicates that there is a well response between the penetrating energy and the weathered degree of rock．Howeverthe kinetic energythrust force energy and viscous energy are limited in identification of formation because of different effects in various drilling modes．T he specific energy of diamond drilling （SEDD） increased with the weathered degree of rock and the values of SEDD can be classified into corresponding range according to the weathered degree of rock．It is shown that the SEDD in rotary drilling is apparently less than the specific energy of percussive drilling （SEPD） in both fill soil and very strongly weathered granite formation．Reverselythe SEDD is much more than the SEPD in lightly weathered hard rock． KEY WORDS weathered granite；rotary drilling；specific energy of penetrating；fill soil；rock drillability；rea-l time classification 收稿日期：2007-03-04 修回日期：2007-05-10 基金项目：国家自然科学基金重大资助项目（No．50490271）；香港特 别行政区政府研究资助基金项目（No．HKU7005／01E）；香港赛马会 慈善资助基金项目 作者简介：谭卓英（1965－）男教授博士 E-mail：markzhy－tan＠163．com 通过仪器钻进系统可以获得钻机工作参数进 而获得有关地层丰富的地质信息．研究表明钻进 参数如有效轴压力、钻具转速及钻孔速率与岩石地 层强度及风化程度之间存在很好的响应关系［1－6］． 在采用浇注混凝土试块对煤层顶、底板地层特性进 行的模拟实验亦表明基于钻进物理参数对模拟地 层进行识别与分类其误差低于5％［7］．然而由于 地质环境的复杂性以及钻进作业的随机性钻进参 第30卷 第4期 2008年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．4 Apr．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．04．036
.340 北京科技大学学报 第30卷 数之间以及钻进参数与地层特征参数之间的相关性 转换可获得系统的动能，动能随孔深的变化如图1， 并不高13，可；在钻进过程中，钻进参数不仅与钻机 0 形式及钻进方式有关，还与钻头形式、钻头直径、冲 洗、排碴状态及其钻杆联接方式等有关，可见，基于 低动能区 钻进参数对地层的定量识别需要满足严格的、可比 的工作条件，即钻机/具形式、钻进方式及钴头规格 过渡区 -20 必须相同，因此，从钻进能量的角度来分析钻进参 数变化的综合特征，可消除不可比因素产生的限制. 25 高动能区 凿碎比功的概念早在20世纪60年代就已提 _30 出[8]，作为岩石可钻性指标已在岩石可钻性分级中 -350040030120160202.402.80320360400 得到广泛使用[9，凿碎比功是基于冲击破碎钻进方 动能J 式进行的实验指标，对旋转钻进并不适用，而室内模 图1钻具动能随钻孔深度的变化曲线 拟实验又具有很大的局限性10]，因此研究旋转钻进 Fig-1 Variation in kinetic of the drilling string with borehole depth 的钻进比功具有非常重要的意义，在此前的研究 中，已基于钻进过程监测系统的监测数据，对金刚石 1.2钻具有效轴力功随孔深的变化 钻进系统在风化花岗岩地层中的动能、轴力功、黏滞 有效轴压力来自钻机的加压一调压系统，在数 能耗、钻进总能量及钻进比功进行了分析，研究表 值上等于钻具系统的重量与下向轴压力之和，再与 明，金刚石钻进能量与岩石风化程度具有很好的响 上向调压力之差.其作用是使钻头在钻进过程中与 应关系，在全风化及强风化花岗岩地层中，旋转钻进 孔底岩石紧密接触，为钴头旋转破碎岩石提供必要 比功值明显低于冲击凿碎比功，在微风化的坚硬与 条件，有效轴力功随孔深的变化如图2. 极坚硬岩石中，旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎 0 比功，本文在上述相同的实验条件下，对充填土风 化花岗岩地层的钻孔监测数据进行分析，从能量的 角度进一步检验了这一结论的正确性 -15 1 金刚石钻进能量随钻孔深度的变化 -20 本次研究仍基于钻孔过程监测系统(drilling -25 process monitoring system,DPM)),勘探场址为香 -30 港某充填土风化花岗岩地层，该地层由上覆充填土、 -3500.010.010020.020030.030.040040.050.05 全风化至微风化花岗岩组成，风化等级为V一Ⅱ级， 有效轴力功」 各层厚度不一，其中，充填土的厚度为0~7.10m 图2钻具有效轴力功随钻孔深度的变化曲线 实验钻探机为R一20型液压回转式钻机，垂直下向 Fig.2 Variation in effective thrust force energy with borehole depth 钻孔，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,钻杆线 1.3黏滞能随孔深的变化 质量为6.0kgm.钻孔的终孔深度为完整基岩以 黏滞能是指钻进过程中，排碴液（钻进液）与孔 下10m,钻孔过程中的压力、转速和位移等参数采 内钻具之间的黏滞阻力所消耗的摩阻能量，该能耗 用DPM系统进行实时监测，文中以某典型钻孔为 与岩石破碎无关，黏滞阻力包括两部分：其一为绕 例进行分析· 钻杆轴心同轴旋转所产生的摩阻；另一部分为钻具 1.1钻具动能随孔深的变化 向下推进过程中，液体沿钻孔轴相对向上运动而产 钴具系统由钻杆、钻杆联接部件、取样器及钻头 生的下向摩阻，由于钻进过程中钴具的推进速率通 构成。在钻机钻进过程中，钻机液压马达变速箱输 常很小，所以沿轴向产生的黏滞摩阻可以忽略不计， 出轴所输出的动能，由输出轴联接器传递给钻具系 根据能量守恒与转化原理，黏滞能通过黏滞摩 统，从而使钻具系统产生旋转运动，钴具系统在有 阻使排碴液产生与钻杆的同轴转动，因此在数值上 效轴压力的作用下通过旋转破碎岩石，采用DPM 等于液体旋转运动的动能，黏滞能随孔深的变化如 系统的监测数据（钻具系统的质量与转速），经计算 图3
数之间以及钻进参数与地层特征参数之间的相关性 并不高［135］；在钻进过程中钻进参数不仅与钻机 形式及钻进方式有关还与钻头形式、钻头直径、冲 洗、排碴状态及其钻杆联接方式等有关．可见基于 钻进参数对地层的定量识别需要满足严格的、可比 的工作条件即钻机／具形式、钻进方式及钻头规格 必须相同．因此从钻进能量的角度来分析钻进参 数变化的综合特征可消除不可比因素产生的限制． 凿碎比功的概念早在20世纪60年代就已提 出［8］作为岩石可钻性指标已在岩石可钻性分级中 得到广泛使用［9］．凿碎比功是基于冲击破碎钻进方 式进行的实验指标对旋转钻进并不适用而室内模 拟实验又具有很大的局限性［10］因此研究旋转钻进 的钻进比功具有非常重要的意义．在此前的研究 中已基于钻进过程监测系统的监测数据对金刚石 钻进系统在风化花岗岩地层中的动能、轴力功、黏滞 能耗、钻进总能量及钻进比功进行了分析．研究表 明金刚石钻进能量与岩石风化程度具有很好的响 应关系在全风化及强风化花岗岩地层中旋转钻进 比功值明显低于冲击凿碎比功在微风化的坚硬与 极坚硬岩石中旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎 比功．本文在上述相同的实验条件下对充填土风 化花岗岩地层的钻孔监测数据进行分析从能量的 角度进一步检验了这一结论的正确性． 1 金刚石钻进能量随钻孔深度的变化 本次研究仍基于钻孔过程监测系统（drilling process monitoring systemDPM） ［3］勘探场址为香 港某充填土风化花岗岩地层该地层由上覆充填土、 全风化至微风化花岗岩组成风化等级为Ⅴ－Ⅱ级 各层厚度不一．其中充填土的厚度为0～7∙10m． 实验钻探机为 R－20型液压回转式钻机垂直下向 钻孔岩芯钻进采用直径115mm 金刚石钻头和 T2－101双筒岩芯套管岩芯直径为84mm钻杆线 质量为6∙0kg·m －1．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．文中以某典型钻孔为 例进行分析． 1∙1 钻具动能随孔深的变化 钻具系统由钻杆、钻杆联接部件、取样器及钻头 构成．在钻机钻进过程中钻机液压马达变速箱输 出轴所输出的动能由输出轴联接器传递给钻具系 统从而使钻具系统产生旋转运动．钻具系统在有 效轴压力的作用下通过旋转破碎岩石．采用 DPM 系统的监测数据（钻具系统的质量与转速）经计算 转换可获得系统的动能动能随孔深的变化如图1． 图1 钻具动能随钻孔深度的变化曲线 Fig．1 Variation in kinetic of the drilling string with borehole depth 1∙2 钻具有效轴力功随孔深的变化 有效轴压力来自钻机的加压－调压系统在数 值上等于钻具系统的重量与下向轴压力之和再与 上向调压力之差．其作用是使钻头在钻进过程中与 孔底岩石紧密接触为钻头旋转破碎岩石提供必要 条件．有效轴力功随孔深的变化如图2． 图2 钻具有效轴力功随钻孔深度的变化曲线 Fig．2 Variation in effective thrust force energy with borehole depth 1∙3 黏滞能随孔深的变化 黏滞能是指钻进过程中排碴液（钻进液）与孔 内钻具之间的黏滞阻力所消耗的摩阻能量该能耗 与岩石破碎无关．黏滞阻力包括两部分：其一为绕 钻杆轴心同轴旋转所产生的摩阻；另一部分为钻具 向下推进过程中液体沿钻孔轴相对向上运动而产 生的下向摩阻．由于钻进过程中钻具的推进速率通 常很小所以沿轴向产生的黏滞摩阻可以忽略不计． 根据能量守恒与转化原理黏滞能通过黏滞摩 阻使排碴液产生与钻杆的同轴转动因此在数值上 等于液体旋转运动的动能．黏滞能随孔深的变化如 图3． ·340· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 谭卓英等：金刚石钻进能量与花岗岩地层风化程度的关系 .341. 2金刚石钻进能量与岩石风化程度的相 关性 -10 2.1动能与岩石风化程度的相关性 -15 从图1可知，钻进过程中钻具动能随孔深的变 -20 化呈现明显的分区性或阶段性，根据动能值的分 布，可将其分为低动能区、过渡区及高动能区.低动 -305 能区为0~21.500m深度区间，其动能值最低为 -3500.010.010020.020.030.030040.040.050.05 0.001kJ,最高为1.043kJ,平均为0.157kJ,在此区 黏滞能k」 间，旋转破碎岩石的动能消耗比较低，过渡区为 图3钻具粘滞能随钻孔深度的变化曲线 21.500~23.000m,其动能值最低为0.075kJ,最高 Fig-3 Variation in viscous energy with borehole depth 为2.497kJ,平均为0.989kJ,在此区间钻具动能明 显增高；与低动能区相比，平均增长了5.299倍.高 1.4金刚石钻进总能量随孔深的变化 动能区为23.000~31.868m,在此区间，动能值最 钻进总能量为钻具系统用于岩石破碎的能量总 低为0.099kJ,最高为3.678kJ,平均为2.094kJ;与 和，在数值上等于钻具系统的动能与轴力功之和，再 低动能区和过渡区相比，平均增长了12.338倍和 与黏滞能耗之差.钻进总能量随孔深的变化如图4. 1.117倍. 从地质录孔所揭露的地层及风化程度分级来 看，在低动能区，所涵盖的地层为充填土、全风化花 10 低能耗区 岗岩（风化程度为V级）、全风化至强风化花岗岩 -15 过渡区 (V/N)、强风化花岗岩(V)、强风化至中等风化花 -20 岗岩(N/Ⅲ)地层，风化程度比较复杂，但总体上风 25 化程度随孔深的增大而逐渐减弱.其中，0~ 高能耗区 7.100m为上覆充填土地层，在此地层中，5.600~ -35)0.400.801201602002.402.803203604.0 6.090m深度范围为一古老混凝土夹杂，该夹层中 钻进总能量kJ 动能的平均值为0.091kJ:如果不考虑混凝土夹层 对充填土层的影响，其动能的平均值0.085kJ.显 图4钻进总能量随钻孔深度的变化曲线 然，在混凝土夹层中，动能比在纯充填土层中增大了 Fig.4 Variation in total penetrating energy with borehole depth 6.59%.此外，在16.860~17.870m区间，动能变 1.5金刚石钻进比功随孔深的变化 化曲线出现明显的脉冲，其值高达1.043kJ,说明在 旋转钻进比功定义为钻具旋转破碎单位体积原 此区间岩石地层的强度及硬度增高，从录孔数据可 始岩石所消耗的钻进总能量.，钻进比功随孔深的变 知，在7.100~17.870m虽然同属V级全风化花岗 化如图5. 岩地层，但16.860~17.870m区间岩石完整性较 好，属于V级中风化程度较低的地层，可见，钻具动 能对岩石地层总体的风化程度变化敏感，响应性强； 10 低比功 但动能对地层中的细微变化敏感程度并不高，还并 不能完全反映混凝土夹层的变化特征， -5 过渡区 20 2.2轴力功与岩石风化程度的相关性 4 从图2可知，相对于动能变化而言，轴力功随孔 高比功 深变化的分区性不明显.如按动能区间划分，在低 30 动能区，轴力功的平均值为0.006kJ,最小为0.3× -35 00.300.600.901201.501.802102.402.703.00 10-3kJ:在过渡区，平均为0.002k,最小为0.001kJ: 钻进比功kJcm) 在高动能区，轴力功平均为0.007k,最小为0.4× 图5钻进比功随钻孔深度的变化曲线 10一3kJ.可见，轴力功随变化的规律性不强.在上 Fig.5 Variation in penetrating specific energy with borehole depth 述纯充填土中，轴力功为0.008kJ,在混凝土夹层中
图3 钻具粘滞能随钻孔深度的变化曲线 Fig．3 Variation in viscous energy with borehole depth 1∙4 金刚石钻进总能量随孔深的变化 钻进总能量为钻具系统用于岩石破碎的能量总 和在数值上等于钻具系统的动能与轴力功之和再 与黏滞能耗之差．钻进总能量随孔深的变化如图4． 图4 钻进总能量随钻孔深度的变化曲线 Fig．4 Variation in total penetrating energy with borehole depth 图5 钻进比功随钻孔深度的变化曲线 Fig．5 Variation in penetrating specific energy with borehole depth 1∙5 金刚石钻进比功随孔深的变化 旋转钻进比功定义为钻具旋转破碎单位体积原 始岩石所消耗的钻进总能量．钻进比功随孔深的变 化如图5． 2 金刚石钻进能量与岩石风化程度的相 关性 2∙1 动能与岩石风化程度的相关性 从图1可知钻进过程中钻具动能随孔深的变 化呈现明显的分区性或阶段性．根据动能值的分 布可将其分为低动能区、过渡区及高动能区．低动 能区为0～21∙500m 深度区间其动能值最低为 0∙001kJ最高为1∙043kJ平均为0∙157kJ在此区 间旋转破碎岩石的动能消耗比较低．过渡区为 21∙500～23∙000m其动能值最低为0∙075kJ最高 为2∙497kJ平均为0∙989kJ在此区间钻具动能明 显增高；与低动能区相比平均增长了5∙299倍．高 动能区为23∙000～31∙868m在此区间动能值最 低为0∙099kJ最高为3∙678kJ平均为2∙094kJ；与 低动能区和过渡区相比平均增长了12∙338倍和 1∙117倍． 从地质录孔所揭露的地层及风化程度分级来 看在低动能区所涵盖的地层为充填土、全风化花 岗岩（风化程度为Ⅴ级）、全风化至强风化花岗岩 （Ⅴ／Ⅳ）、强风化花岗岩（Ⅳ）、强风化至中等风化花 岗岩（Ⅳ／Ⅲ）地层风化程度比较复杂但总体上风 化程 度 随 孔 深 的 增 大 而 逐 渐 减 弱．其 中0～ 7∙100m为上覆充填土地层在此地层中5∙600～ 6∙090m 深度范围为一古老混凝土夹杂该夹层中 动能的平均值为0∙091kJ；如果不考虑混凝土夹层 对充填土层的影响其动能的平均值0∙085kJ．显 然在混凝土夹层中动能比在纯充填土层中增大了 6∙59％．此外在16∙860～17∙870m 区间动能变 化曲线出现明显的脉冲其值高达1∙043kJ说明在 此区间岩石地层的强度及硬度增高．从录孔数据可 知在7∙100～17∙870m 虽然同属Ⅴ级全风化花岗 岩地层但16∙860～17∙870m 区间岩石完整性较 好属于Ⅴ级中风化程度较低的地层．可见钻具动 能对岩石地层总体的风化程度变化敏感响应性强； 但动能对地层中的细微变化敏感程度并不高还并 不能完全反映混凝土夹层的变化特征． 2∙2 轴力功与岩石风化程度的相关性 从图2可知相对于动能变化而言轴力功随孔 深变化的分区性不明显．如按动能区间划分在低 动能区轴力功的平均值为0∙006kJ最小为0∙3× 10－3kJ；在过渡区平均为0∙002kJ最小为0∙001kJ； 在高动能区轴力功平均为0∙007kJ最小为0∙4× 10－3 kJ．可见轴力功随变化的规律性不强．在上 述纯充填土中轴力功为0∙008kJ在混凝土夹层中 第4期 谭卓英等： 金刚石钻进能量与花岗岩地层风化程度的关系 ·341·
.342 北京科技大学学报 第30卷 为0.018kJ,显然，在混凝土夹层中，随着动能的增 的变化一致（图4），这与普通风化花岗岩中的结果 大，轴力功也增大，这与普通风化花岗岩地层中轴力 相吻合[101.但是，轴力功在孔深4.500m处出现异 功的变化规律不一致，在普通风化花岗岩地层中， 常增大现象，达到0.011kJ,占总能量的91.57%. 虽然分区不明显，但轴力功随风化程度的变化情况 从录孔资料来看，在此深度位置，地层为次级全风化 往往呈现较强的规律性，一般呈近似线性递减或渐 花岗岩的分界层，岩石变化并不大，究其原因，可能 近线递减的规律性关系山，这可能与钻机的钻进方 是遇到岩层强度变化，钻机产生不稳定从而导致大 式有关，通常，旋转钻进有高轴压一低转速及低轴压 的位移，出现较大的轴力功，可见，轴力功作为岩石 一高转速两种钴进方式，在不同的钻进方式下，轴力 风化程度识别指标存在较大的随机误差， 功和动能是不一样的，因此，只有当钻进方式相同 从图5可知，与其他特征曲线相比，钻进比功变 时，从动能和轴力功的角度对地层进行分析才是有 化曲线更为平滑，这反映了地层变化的渐变性，显 效的 然，钻进比功随钻孔深度的增大而呈现明显的分区 2.3黏滞能与岩石风化程度的相关性 性，随着地层深度的增加，钻进比功在增加，在低比 从图3可知，黏滞能耗总体上随孔深增大而递 功区，其深度范围为0~21.500m,主要为充填土、 减.但在16.000~17.500m深度范围，出现了黏滞 全风化至中等风化的花岗岩，钻进比功为0~ 阻力增高区，最大为0.097kJ,平均为0.0023kJ.在 0.2715kJm-3,平均为0.0249kJm-3.在此区域 17.500~22.000m范围则出现了递减区，平均仅为 内，包含有0.490m的古老混凝土夹层，钻进比功为 0.3×10一3kJ.从图1可知，黏滞能的脉冲特征与钻 0.0023kJm3,其钻进比功值很低，与录孔所揭示 具动能的变化一致，说明黏滞能的变化与岩石风化 的情况一致.过渡区的深度范围比较小，为 程度、强度及硬度有关，而且也与钻进方式有关， 21.500~22.500m,主要为中等风化花岗岩，钻进比 2.4金刚石钻进比功与岩石风化程度的相关性 功为0.2715~0.7833km-3,平均为0.4415km-3. 从能量的分布来看，在钻具系统总能量中，动能 高比能区的深度范围为22.500~31.868m,主要为 平均占95.18%，轴力功和黏滞能分别为4.23%和 微风化花岗岩及花岗岩岩脉，其钻进比功为 0.59%.可见，轴力功与黏滞能所占比重很低，钻具 0.7833~2.4935km-3,平均为1.1062kJm —3 动能在钻具总能量中占主导，总能量的变化与动能 钻进比功与地层深度的变化如表1. 表1金刚石钻进比功随地层深度的变化 Table I Variation in specific energy of diamond drilling with formation depth 深度范围/m 地层岩性 风化程度分级 钻进比功平均值/(kJm一3) 0-3.866 充填土 一 0.0012 3.8665.000 充填土 0.0054 5.0005.600 充填土 0.0919 5.600-6.090 古老混凝土 0.0023 6.090-7.100 充填土 一 0.0063 7.10016.860 全风化花岗岩 V 0.0099 16.86017.870 全风化花岗岩 V 0.0780 17.87019.000 全风化/强风化花岗岩 V/N 0.2715 19.000-21.330 强风化/中等风化花岗岩 W/Ⅲ 0.3051 21.330~21.510 强风化花岗岩 N 0.2613 21.51021.680 花岗岩岩脉 0.3290 21.680-31.868 微风化花岗岩 Ⅱ 1.2230 在不同的地层中，岩石的风化程度不同，岩石强 同风化程度的花岗岩地层中，钻进比功的分布如 度及硬度不同，其抵抗钻具破坏的能力不同，在不 表2. 表2金刚石钻进比功在花岗岩地层中的分布 Table 2 Distribution of specific energy of diamond drilling in granite formation 风化程度分级 充填土 古老混凝土 V V/N N N/Ⅲ 岩脉 I 钻进比功/(Jcm一3 0.0215 0.0264 0.0131 0.10350.11270.2651 0.32901.2230
为0∙018kJ．显然在混凝土夹层中随着动能的增 大轴力功也增大这与普通风化花岗岩地层中轴力 功的变化规律不一致．在普通风化花岗岩地层中 虽然分区不明显但轴力功随风化程度的变化情况 往往呈现较强的规律性一般呈近似线性递减或渐 近线递减的规律性关系［11］这可能与钻机的钻进方 式有关．通常旋转钻进有高轴压－低转速及低轴压 －高转速两种钻进方式在不同的钻进方式下轴力 功和动能是不一样的．因此只有当钻进方式相同 时从动能和轴力功的角度对地层进行分析才是有 效的． 2∙3 黏滞能与岩石风化程度的相关性 从图3可知黏滞能耗总体上随孔深增大而递 减．但在16∙000～17∙500m 深度范围出现了黏滞 阻力增高区最大为0∙097kJ平均为0∙0023kJ．在 17∙500～22∙000m 范围则出现了递减区平均仅为 0∙3×10－3kJ．从图1可知黏滞能的脉冲特征与钻 具动能的变化一致说明黏滞能的变化与岩石风化 程度、强度及硬度有关而且也与钻进方式有关． 2∙4 金刚石钻进比功与岩石风化程度的相关性 从能量的分布来看在钻具系统总能量中动能 平均占95∙18％轴力功和黏滞能分别为4∙23％和 0∙59％．可见轴力功与黏滞能所占比重很低钻具 动能在钻具总能量中占主导总能量的变化与动能 的变化一致（图4）这与普通风化花岗岩中的结果 相吻合［10］．但是轴力功在孔深4∙500m 处出现异 常增大现象达到0∙011kJ占总能量的91∙57％． 从录孔资料来看在此深度位置地层为次级全风化 花岗岩的分界层岩石变化并不大．究其原因可能 是遇到岩层强度变化钻机产生不稳定从而导致大 的位移出现较大的轴力功．可见轴力功作为岩石 风化程度识别指标存在较大的随机误差． 从图5可知与其他特征曲线相比钻进比功变 化曲线更为平滑这反映了地层变化的渐变性．显 然钻进比功随钻孔深度的增大而呈现明显的分区 性随着地层深度的增加钻进比功在增加．在低比 功区其深度范围为0～21∙500m主要为充填土、 全风化至中等风化的花岗岩钻进比功为 0～ 0∙2715kJ·m －3平均为0∙0249kJ·m －3．在此区域 内包含有0∙490m 的古老混凝土夹层钻进比功为 0∙0023kJ·m －3其钻进比功值很低与录孔所揭示 的情 况 一 致．过 渡 区 的 深 度 范 围 比 较 小为 21∙500～22∙500m主要为中等风化花岗岩钻进比 功为0∙2715～0∙7833kJ·m －3平均为0∙4415kJ·m －3． 高比能区的深度范围为22∙500～31∙868m主要为 微风 化 花 岗 岩 及 花 岗 岩 岩 脉其 钻 进 比 功 为 0∙7833～2∙4935kJ·m －3平均为1∙1062kJ·m －3． 钻进比功与地层深度的变化如表1． 表1 金刚石钻进比功随地层深度的变化 Table1 Variation in specific energy of diamond drilling with formation depth 深度范围／m 地层岩性 风化程度分级 钻进比功平均值／（kJ·m －3） 0～3∙866 充填土 － 0∙0012 3∙866～5∙000 充填土 － 0∙0054 5∙000～5∙600 充填土 － 0∙0919 5∙600～6∙090 古老混凝土 － 0∙0023 6∙090～7∙100 充填土 － 0∙0063 7∙100～16∙860 全风化花岗岩 Ⅴ 0∙0099 16∙860～17∙870 全风化花岗岩 Ⅴ 0∙0780 17∙870～19∙000 全风化／强风化花岗岩 Ⅴ／Ⅳ 0∙2715 19∙000～21∙330 强风化／中等风化花岗岩 Ⅳ／Ⅲ 0∙3051 21∙330～21∙510 强风化花岗岩 Ⅳ 0∙2613 21∙510～21∙680 花岗岩岩脉 － 0∙3290 21∙680～31∙868 微风化花岗岩 Ⅱ 1∙2230 在不同的地层中岩石的风化程度不同岩石强 度及硬度不同其抵抗钻具破坏的能力不同．在不 同风化程度的花岗岩地层中钻进比功的分布如 表2． 表2 金刚石钻进比功在花岗岩地层中的分布 Table2 Distribution of specific energy of diamond drilling in granite formation 风化程度分级 充填土 古老混凝土 Ⅴ Ⅴ／Ⅳ Ⅳ Ⅳ／Ⅲ 岩脉 Ⅱ 钻进比功／（kJ·cm －3） 0∙0215 0∙0264 0∙0131 0∙1035 0∙1127 0∙2651 0∙3290 1∙2230 ·342· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 谭卓英等：金刚石钻进能量与花岗岩地层风化程度的关系 .343. 从表2可知，在充填土及全风化花岗岩中，钻进 的实时判层 比功的值低于0.0500kJcm-3,在微风化花岗岩地 (4)进一步证明，基于冲击破碎的凿碎比功不 层中，钻进比功达到1.2230kJcm-3.当风化程度 再适用于旋转钻进中的岩石分级，在金刚石旋转钻 由V级转变为V/N级时，钻进比功的消耗提高了 进中，土层及全风化岩中的钻进比功低于凿碎比功， 6.90倍；当由V/N级转变为N级时，钻进比功增长 在微风化岩中钻进比功则高于凿碎比功， 了0.09倍；同样，当由N级转变为N/Ⅲ级、N/Ⅲ级 转变为岩脉以及由岩脉转变为Ⅱ级风化花岗岩时， 参考文献 钻进比功分别提高了1.35倍、0.24倍和2.72倍. [1]Zacas M.Kavadas M.Mihalis I.The use of recording drilling pa- 显然，风化程度对钴进比功的影响很大，钻进比功值 rameters in rock mass classification//Proceedings of the 8th IS- RM Congress.Tokyo.1995:1121 在不同风化程度的地层中具有显著差异 [2]Tan Z Y.Cai M F.YueZ Q.et al.Interface identification of in- 随着风化程度的减弱，金刚石钻进比功明显增 tricate weathered granite ground investigation in Hong Kong using 大·在充填土及全风化岩中，金刚石钻进比功分别 drilling parameters.Chin J Rock Mech Eng.2006,25(Suppl 1): 为0.0215kJcm3及0.0131kJcm-3;在微风化花 2839 岗岩中，金刚石钻进比功达到1.2230kJcm-3,按 (谭卓英，蔡美峰，岳中琦，等，钻进参数用于香港复杂风化花 照冲击凿碎比功的分级山，极软类松散岩石如页 岗岩地层的界面识别.岩石力学与工程学报，2006,25（增刊 1):2839) 岩、煤及凝灰岩中的凿碎比功的上限为 [3]Tan Z Y,Cai M F.Yue Z Q.et al.Application and reliability 0.1862kcm-3,在极坚硬的岩浆岩及石英岩中为 analysis of DPM system in site investigation of HK weathered 0.9800kJcm3.显然，在软的充填土及全风化岩 granite.JUni Sci Technol Beijing.2005.12(6):481 中，金刚石钻进比功明显低于凿碎比功，在微风化岩 4]Paulo C.On the use of drilling parameters in rock foundations/ 中，金刚石钻进比功则明显高于冲击凿碎比功，这与 Proceedings of the First International Conference on Site Charac- 普通风化花岗岩地层中的研究结果相吻合[10]， terization-ISC'98.Atlanta:1998:347 [5]Gui M W,Soga K,Bolton M D,et al.Instrumented borehole 值得指出的是，在此地层中金刚石钻进比功值 drilling for subsurface investigation.Geotech Geoeriron Eng, 低于普通风化花岗岩地层中的金刚石钻进比功 2002,128(4):283 值).在Ⅳ/Ⅲ级风化地层中，钻进比功比普通风 [6]Tan Z Y,Cai M F.Yue Z Q,et al.Interface identification in 化花岗岩中降低了43.83%：在级微风化花岗岩中， weathered granite strata based on a instrumented drilling system. 降低了15.27%.究其原因，可能与地质构造本身的 JUniv Sci Technol Beijing.2007,29(7):665 (谭卓英，蔡美峰，岳中琦，等.基于仪器钻进系统的风化花岗 复杂性以及根据风化程度分级存在定性误差有关 岩地层界面识别.北京科技大学学报，2007,29(7)：665) 3结论 [7]Labelle D,Bares J.Nourbakhsh I.Material classification by drilling//Proceedings of the 17 th IAARC/CIB/IEEE/IFR In- (1)在金刚石旋转钻进中，轴力功和黏滞能耗 ternational Symposium on Automation and Robotics in Construe 在钻进能量中所占比重很低，进一步证明，金刚石 tion.Taipei.2000:445 [8]Teale R.The concept of specific energy in rock drilling.Int J 旋转钻进能量可以用动能进行估计，这与冲击凿碎 Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1965.2(1):57 比功的消耗取决于轴压力及钻具转速的结果一 [9]Ersoy A.Automatic drilling control based on minimum drilling 致12]. specific energy using PDC and WC bits.Trans Inst Min Metall (2)动能及钻进总能量与岩石的风化程度具有 A,2003,112(2):A86 较好的响应特征；但动能及钻进总能量不能完全反 [10]Tan Z Y.Yue Z Q.Cai M F.Analysis of energy for rotary 映地层的细微变化，而且与钻进方式有关，轴力功 drilling in weathered granite formation.Chin J Rock Mech Eng. 2007,26(3):478 则随岩石风化程度的增高而增大，黏滞能随风化程 (谭卓英，岳中琦，蔡美蜂，风化花岗岩地层旋转钻进中的能 度的减弱而降低；但它们与动能一样，受钻进方式影 量分析.岩石力学与工程学报，2007,26(3)：478) 响，这说明动能、轴力功及黏滞能耗作为地层特性 [11]Xu X H.Yu J.Fragmentation Theory of Rock.Beijing:Coal 的判别指标存在非常严格的可比条件，不具普适性· Industry Press,1984:52 (3)金刚石钻进比功随岩石风化程度的增高而 (徐小荷，余静.岩石破碎学.北京：煤炭工业出版社，1984： 52) 减少，且分区明显，能反映系统钻进总能量与岩石强 [12]Pathak K.Mazumda B K.Effect of operating parameters and 度、硬度、穿孔速率与破碎体积之间的关系.根据金 rock formation type on rotary blast-hole drill performances. 刚石钻进比功可期实现岩石可钻性实时分级与地层 Mines Met Fuels.1989.37(9):373
从表2可知在充填土及全风化花岗岩中钻进 比功的值低于0∙0500kJ·cm －3在微风化花岗岩地 层中钻进比功达到1∙2230kJ·cm －3．当风化程度 由Ⅴ级转变为Ⅴ／Ⅳ级时钻进比功的消耗提高了 6∙90倍；当由Ⅴ／Ⅳ级转变为Ⅳ级时钻进比功增长 了0∙09倍；同样当由Ⅳ级转变为Ⅳ／Ⅲ级、Ⅳ／Ⅲ级 转变为岩脉以及由岩脉转变为Ⅱ级风化花岗岩时 钻进比功分别提高了1∙35倍、0∙24倍和2∙72倍． 显然风化程度对钻进比功的影响很大钻进比功值 在不同风化程度的地层中具有显著差异． 随着风化程度的减弱金刚石钻进比功明显增 大．在充填土及全风化岩中金刚石钻进比功分别 为0∙0215kJ·cm －3及0∙0131kJ·cm －3 ；在微风化花 岗岩中金刚石钻进比功达到1∙2230kJ·cm －3．按 照冲击凿碎比功的分级［11］极软类松散岩石如页 岩、煤 及 凝 灰 岩 中 的 凿 碎 比 功 的 上 限 为 0∙1862kJ·cm －3在极坚硬的岩浆岩及石英岩中为 0∙9800kJ·cm －3．显然在软的充填土及全风化岩 中金刚石钻进比功明显低于凿碎比功在微风化岩 中金刚石钻进比功则明显高于冲击凿碎比功这与 普通风化花岗岩地层中的研究结果相吻合［10］． 值得指出的是在此地层中金刚石钻进比功值 低于普通风化花岗岩地层中的金刚石钻进比功 值［10］．在Ⅳ／Ⅲ级风化地层中钻进比功比普通风 化花岗岩中降低了43∙83％；在Ⅱ级微风化花岗岩中 降低了15∙27％．究其原因可能与地质构造本身的 复杂性以及根据风化程度分级存在定性误差有关． 3 结论 （1） 在金刚石旋转钻进中轴力功和黏滞能耗 在钻进能量中所占比重很低．进一步证明金刚石 旋转钻进能量可以用动能进行估计．这与冲击凿碎 比功的消耗取决于轴压力及钻具转速的结果一 致［12］． （2） 动能及钻进总能量与岩石的风化程度具有 较好的响应特征；但动能及钻进总能量不能完全反 映地层的细微变化而且与钻进方式有关．轴力功 则随岩石风化程度的增高而增大黏滞能随风化程 度的减弱而降低；但它们与动能一样受钻进方式影 响．这说明动能、轴力功及黏滞能耗作为地层特性 的判别指标存在非常严格的可比条件不具普适性． （3） 金刚石钻进比功随岩石风化程度的增高而 减少且分区明显能反映系统钻进总能量与岩石强 度、硬度、穿孔速率与破碎体积之间的关系．根据金 刚石钻进比功可期实现岩石可钻性实时分级与地层 的实时判层． （4） 进一步证明基于冲击破碎的凿碎比功不 再适用于旋转钻进中的岩石分级．在金刚石旋转钻 进中土层及全风化岩中的钻进比功低于凿碎比功 在微风化岩中钻进比功则高于凿碎比功． 参 考 文 献 ［1］ Zacas MKavadas MMihalis I．The use of recording drilling parameters in rock mass classification∥ Proceedings of the 8th ISRM Congress．Tokyo1995：1121 ［2］ Tan Z YCai M FYue Z Qet al．Interface identification of intricate weathered granite ground investigation in Hong Kong using drilling parameters．Chin J Rock Mech Eng200625（Suppl1）： 2839 （谭卓英蔡美峰岳中琦等．钻进参数用于香港复杂风化花 岗岩地层的界面识别．岩石力学与工程学报200625（增刊 1）：2839） ［3］ Tan Z YCai M FYue Z Qet al．Application and reliability analysis of DPM system in site investigation of HK weathered granite．J Unvi Sci Technol Beijing200512（6）：481 ［4］ Paulo C．On the use of drilling parameters in rock foundations∥ Proceedings of the First International Conference on Site Characteriz ation— ISCʾ98．Atlanta1998：347 ［5］ Gui M WSoga KBolton M Det al．Instrumented borehole drilling for subsurface investigation．J Geotech Geoenviron Eng 2002128（4）：283 ［6］ Tan Z YCai M FYue Z Qet al．Interface identification in weathered granite strata based on a instrumented drilling system． J Univ Sci Technol Beijing200729（7）：665 （谭卓英蔡美峰岳中琦等．基于仪器钻进系统的风化花岗 岩地层界面识别．北京科技大学学报200729（7）：665） ［7］ Labelle DBares JNourbakhsh I．Material classification by drilling∥ Proceedings of the 17th IA ARC／CIB／IEEE／IFR International Symposium on A utomation and Robotics in Construction．Taipei2000：445 ［8］ Teale R．The concept of specific energy in rock drilling．Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr19652（1）：57 ［9］ Ersoy A．Automatic drilling control based on minimum drilling specific energy using PDC and WC bits．T rans Inst Min Metall A2003112（2）：A86 ［10］ Tan Z YYue Z QCai M F．Analysis of energy for rotary drilling in weathered granite formation．Chin J Rock Mech Eng 200726（3）：478 （谭卓英岳中琦蔡美峰．风化花岗岩地层旋转钻进中的能 量分析．岩石力学与工程学报200726（3）：478） ［11］ Xu X HYu J．Fragmentation Theory of Rock．Beijing：Coal Industry Press1984：52 （徐小荷余静．岩石破碎学．北京：煤炭工业出版社1984： 52） ［12］ Pathak KMazumda B K．Effect of operating parameters and rock formation type on rotary blast-hole drill performances． J Mines Met Fuels198937（9）：373 第4期 谭卓英等： 金刚石钻进能量与花岗岩地层风化程度的关系 ·343·