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煤炭是我国的支柱能源，具有能源安全的“压舱石”作用。煤炭生产矿井的动脉是巷道，巷道的稳定性制约着煤矿安全高效生产，围岩的有效支护是巷道安全稳定控制的重要保障，其前提是现场围岩力学参数与结构特征的实时测试和定量评价。传统室内岩体测试方法过程繁琐、周期长，难以测试现场真实环境下的围岩性质，尤其对于需要加强支护的破碎围岩，难以有效取芯进行测试。同时巷道围岩力学参数与结构特征原位测试困难，且对控制破碎围岩常用锚注支护的效果评价多以定性评价为主，使得深部破碎围岩支护设计缺乏定量指标支撑，带有较大的经验性，支护设计优化滞后，是巷道破碎围岩安全事故频发的根本原因之一。如何实现巷道围岩力学参数与结构特征的原位实时测试与定量评价是矿山巷道安全控制面临的理论与技术难题。
数字钻进测试技术是利用数字钻进装备对岩体钻进参数进行控制、监测和分析的技术。研究表明利用该技术进行岩体钻进得到的随钻参数与岩体强度参数及岩体结构特征具有相关性。该技术为巷道围岩的原位实时测试与定量评价提供了新的途径。岩体随钻反演模型与方法的建立以及配套测试装备的研发是实现巷道围岩参数随钻实时获取与支护效果定量评价的核心，也是关键的科学与工程问题。以往基于数字钻进测试技术的研究处于初期阶段，多以统计和经验分析方法研究单类复杂形式钻头随钻参数与岩石参数的关系为主，未见基于数字钻进的矿山巷道围岩原位测试与评价方法的研究。
基于此，本文采用理论分析、室内试验、设备研发、现场试验相结合的方法，开展了矿山巷道围岩数字钻进原位测试理论与评价方法研究，证明了基于数字钻进实现巷道围岩力学参数原位测定、岩层界面识别、破碎范围探测及锚注效果定量评价的有效性，为巷道围岩安全控制与支护设计基础参数的随钻实时获取提供了理论与技术支撑。主要研究工作与研究结果如下:
(1)岩石力学参数随钻反演模型研究
设计研发了数字钻进解析钻头，利用解析钻头切削破碎岩体能量分析与上限法分析，得到了基于解析钻头的岩石切削能量与岩石切削强度理论解，建立了综合四类随钻参数的岩石UCS随钻反演模型(CDP-UCS模型)和岩石c-φ随钻反演模型(CDP-cφ模型)，与基于实心解析钻头推导得到的DP-UCS模型、DP-cφ模型进行了对比，明确了随钻参数间及其对岩石力学参数的理论响应机制，表明了利用数字钻进解析钻头随钻参数有效反演岩石力学参数的理论可行性。
(2)岩体数字钻进室内试验研究
利用多功能岩体数字钻进试验系统(室内TRD系统)开展了完整岩石、分层岩体和注浆岩体的数字钻进试验，分析了数字钻进解析钻头随钻参数对岩石力学参数及岩层界面、破碎范围等岩体结构特征的响应规律，得到了不同水灰比与岩体破碎程度条件下随钻参数、切削能量和切削强度变化规律。岩石钻进扭矩、切削能量、切削强度均呈现随着岩石强度的增大而增加的趋势，与随钻参数对岩石力学参数的理论响应规律一致，验证了岩石力学参数随钻反演模型的正确性，证明了利用解析钻头随钻参数进行岩层界面识别、围岩破碎范围探测和岩体注浆效果定量评价的可行性。
(3)围岩数字钻进原位测试系统研发
研发了矿山巷道围岩数字钻进原位测试系统(现场SDT系统)，由导向钻进子系统、液压伺服子系统、监测控制子系统、测试辅助子系统等结构组成，可实现矿山巷道等地下工程围岩的原位数字钻进测试。该系统采用的数字钻进解析钻头和随钻参数控制范围与室内TRD系统相同，且与岩石力学参数随钻反演模型相匹配，室内TRD系统的研究结论可为现场SDT系统进行工程应用提供有效的理论与数据支撑。在此基础上，建立了巷道围岩力学参数随钻测试与分区方法、巷道围岩结构特征随钻测试方法、巷道围岩锚注效果随钻评价方法。
(4)现场SDT系统室内验证试验研究
利用现场SDT系统开展了完整岩石层、破碎岩体层和注浆岩体层等不同组合分层岩体的室内数字钻进试验，现场SDT系统控制与监测性能良好;随钻参数在岩层界面处响应明显，基于现场SDT系统测试的等效岩石力学参数与室内压缩测试结果的平均差值率均小于15％，现场SDT系统具有识别岩层界面与测试岩体等效力学参数的可行性与有效性;基于现场SDT系统测试的注浆后破碎岩体等效抗压强度为注浆前的3.5倍，比完整岩体低30.3％，现场SDT系统具有定量评价破碎岩体注浆加固效果的可行性与有效性。
(5)深部巷道围岩数字钻进原位测试评价
利用研发的现场SDT系统与建立的巷道围岩数字钻进原位测试与评价方法，以厚冲积层高应力深部矿井—万福煤矿为工程背景，开展了围岩数字钻进测试、钻孔窥视与取芯测试，得到了岩体裂隙、岩层界面与破碎范围等岩体结构特征，硐室围岩依据等效强度可划分为强度劣化区、强度恢复区和原岩强度区。在此基础上，进行了硐室围岩锚注加固方案设计与锚注围岩数字钻进原位评价，硐室围岩破碎区域锚注加固后的平均等效强度提高率为61.6％。巷道围岩数字钻进原位测试与评价方法具有随钻参数快速测试、等效强度连续获取等优势，为围岩强度分区与支护设计优化提供了有效手段。
数字钻进测试技术是利用数字钻进装备对岩体钻进参数进行控制、监测和分析的技术。研究表明利用该技术进行岩体钻进得到的随钻参数与岩体强度参数及岩体结构特征具有相关性。该技术为巷道围岩的原位实时测试与定量评价提供了新的途径。岩体随钻反演模型与方法的建立以及配套测试装备的研发是实现巷道围岩参数随钻实时获取与支护效果定量评价的核心，也是关键的科学与工程问题。以往基于数字钻进测试技术的研究处于初期阶段，多以统计和经验分析方法研究单类复杂形式钻头随钻参数与岩石参数的关系为主，未见基于数字钻进的矿山巷道围岩原位测试与评价方法的研究。
基于此，本文采用理论分析、室内试验、设备研发、现场试验相结合的方法，开展了矿山巷道围岩数字钻进原位测试理论与评价方法研究，证明了基于数字钻进实现巷道围岩力学参数原位测定、岩层界面识别、破碎范围探测及锚注效果定量评价的有效性，为巷道围岩安全控制与支护设计基础参数的随钻实时获取提供了理论与技术支撑。主要研究工作与研究结果如下:
(1)岩石力学参数随钻反演模型研究
设计研发了数字钻进解析钻头，利用解析钻头切削破碎岩体能量分析与上限法分析，得到了基于解析钻头的岩石切削能量与岩石切削强度理论解，建立了综合四类随钻参数的岩石UCS随钻反演模型(CDP-UCS模型)和岩石c-φ随钻反演模型(CDP-cφ模型)，与基于实心解析钻头推导得到的DP-UCS模型、DP-cφ模型进行了对比，明确了随钻参数间及其对岩石力学参数的理论响应机制，表明了利用数字钻进解析钻头随钻参数有效反演岩石力学参数的理论可行性。
(2)岩体数字钻进室内试验研究
利用多功能岩体数字钻进试验系统(室内TRD系统)开展了完整岩石、分层岩体和注浆岩体的数字钻进试验，分析了数字钻进解析钻头随钻参数对岩石力学参数及岩层界面、破碎范围等岩体结构特征的响应规律，得到了不同水灰比与岩体破碎程度条件下随钻参数、切削能量和切削强度变化规律。岩石钻进扭矩、切削能量、切削强度均呈现随着岩石强度的增大而增加的趋势，与随钻参数对岩石力学参数的理论响应规律一致，验证了岩石力学参数随钻反演模型的正确性，证明了利用解析钻头随钻参数进行岩层界面识别、围岩破碎范围探测和岩体注浆效果定量评价的可行性。
(3)围岩数字钻进原位测试系统研发
研发了矿山巷道围岩数字钻进原位测试系统(现场SDT系统)，由导向钻进子系统、液压伺服子系统、监测控制子系统、测试辅助子系统等结构组成，可实现矿山巷道等地下工程围岩的原位数字钻进测试。该系统采用的数字钻进解析钻头和随钻参数控制范围与室内TRD系统相同，且与岩石力学参数随钻反演模型相匹配，室内TRD系统的研究结论可为现场SDT系统进行工程应用提供有效的理论与数据支撑。在此基础上，建立了巷道围岩力学参数随钻测试与分区方法、巷道围岩结构特征随钻测试方法、巷道围岩锚注效果随钻评价方法。
(4)现场SDT系统室内验证试验研究
利用现场SDT系统开展了完整岩石层、破碎岩体层和注浆岩体层等不同组合分层岩体的室内数字钻进试验，现场SDT系统控制与监测性能良好;随钻参数在岩层界面处响应明显，基于现场SDT系统测试的等效岩石力学参数与室内压缩测试结果的平均差值率均小于15％，现场SDT系统具有识别岩层界面与测试岩体等效力学参数的可行性与有效性;基于现场SDT系统测试的注浆后破碎岩体等效抗压强度为注浆前的3.5倍，比完整岩体低30.3％，现场SDT系统具有定量评价破碎岩体注浆加固效果的可行性与有效性。
(5)深部巷道围岩数字钻进原位测试评价
利用研发的现场SDT系统与建立的巷道围岩数字钻进原位测试与评价方法，以厚冲积层高应力深部矿井—万福煤矿为工程背景，开展了围岩数字钻进测试、钻孔窥视与取芯测试，得到了岩体裂隙、岩层界面与破碎范围等岩体结构特征，硐室围岩依据等效强度可划分为强度劣化区、强度恢复区和原岩强度区。在此基础上，进行了硐室围岩锚注加固方案设计与锚注围岩数字钻进原位评价，硐室围岩破碎区域锚注加固后的平均等效强度提高率为61.6％。巷道围岩数字钻进原位测试与评价方法具有随钻参数快速测试、等效强度连续获取等优势，为围岩强度分区与支护设计优化提供了有效手段。