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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·