鐘小宇

（鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責任公司，遼寧 鞍山 114051）

露天礦牙輪鉆鉆進礦巖是露天開采中破碎巖石的重要環(huán)節(jié)，鉆進效率與巖石的性質(zhì)密不可分，為了研究效率與巖石性質(zhì)之間的關聯(lián)，國內(nèi)外學者利用鉆進參數(shù)反饋巖石性質(zhì)進行大量研究，并以三大理論學說為基礎，展開理論研究，建立鉆進參數(shù)與巖體特征關聯(lián)參數(shù)，在礦山鉆進工作中得到了驗證。

鉆進智能化是采礦工程技術的研究基礎，鉆進效率往往通過鉆進時間來衡量，但如何減少鉆進時間成為了鉆山鉆孔方向亟待解決的問題，人工智能、5G等新興智能化手段的興起，逐漸被應用在工程上，通過不斷的技術創(chuàng)新，實現(xiàn)了實時信號傳輸、工作參數(shù)獲取以及巖性識別等，從技術手段大大縮短作業(yè)時間，進一步提高鉆進效率。

1 三大破碎學說

1.1 新表面學說

巖石破碎是從整塊巖體破碎成不同粒徑的巖塊，巖石受到外力破碎后新生表面積增加，1867年德國學者Rittinger根據(jù)這一現(xiàn)象提出了新表面學說，并解釋破碎比功與破碎后巖石新生表面積成正比，即破碎功越大，巖石新生表面積越多，巖石破碎塊度越小。

1.2 體積學說

1885年Kick提出體積學說，考慮克服巖石內(nèi)聚力所做的功，巖石在受到外部載荷作用下發(fā)生變形，達到巖石變形極限的時候發(fā)生破碎，巖石由外力產(chǎn)生的變形所消耗的功與巖石體積成正比，體積越大的巖石存在變形能越大。

1.3 裂紋學說

F.C.Bond在1952年提出了裂紋學說，該學說結合前兩者的新表面說和體積學說，解釋了巖石破碎從變形到新生表面，中間巖石會出現(xiàn)裂隙，巖石破碎過程中產(chǎn)生裂隙所做的功即為裂紋說的破碎比功，破碎比功與裂縫成正比，裂縫與破碎后巖石粒子的大?。ㄖ睆交蜻呴L）的平方根成正比。

破碎比功三大學說是研究巖石破碎的重要理論依據(jù)，基于此進行試驗、工程應用等，進一步研究巖石破碎學相關的影響參數(shù)，以及巖石可鉆性和鉆進效率之間的必要聯(lián)系。

2 巖石可鉆性研究現(xiàn)狀

2.1 鉆進參數(shù)與巖石可鉆性

牙輪鉆機作業(yè)時，鉆進參數(shù)與巖體質(zhì)量匹配問題不可忽視。鄧嶸等[1]基于D-P準則和數(shù)值模擬軟件，建立了單牙輪鉆鉆頭鉆進的動力學模型，分析表明模擬出的單牙輪鉆鉆頭的傳動比和轉(zhuǎn)速與實際相符合，巖石硬度與鉆速成反比，鉆壓與鉆速成正比。為了獲取合理牙輪鉆機鉆進參數(shù)，曾俊強等[2]通過對花崗巖的力學試驗，基于DPM系統(tǒng)進行鉆孔試驗，提出鉆進比能的概念，驗證試驗結果與巖石強度參數(shù)相接近，能夠通過鉆進參數(shù)快速獲得巖體的質(zhì)量。李哲等[3]基于能量守恒定律提出鉆進功速比的概念，根據(jù)巖石的可鉆性理論進行現(xiàn)場試驗，得到功速比與圍巖性質(zhì)、結構面的映射關系，基于此實現(xiàn)功速比識別和劃分圍巖軟硬度，驗證了鉆進功速比的概念可應用于隧道超前預報。劉垚鑫等[4]采用鉆孔窺視對覆巖關鍵層進行試驗，結合巖石力學試驗分析鉆桿振動能量與巖石強度關系，建立巖體結構識別模型，得到巖石的彈性模量和抗壓強度隨鉆桿振動能量的增大而增大，實現(xiàn)對關鍵層頂板覆巖的精準識別。劉志強等[5]整理了千米級深豎井鉆進關鍵技術和裝備，并明確指出研究鉆進技術與巖石類型相匹配、鉆進的推進方式、精準鉆進智能控制技術等是我國千米級豎井掘進的重要攻克難題。

牙輪鉆機主要工作參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等，鉆進效率衡量標準是獲取鉆機的最優(yōu)時間，為此研究工作參數(shù)與鉆進的巖石力學性質(zhì)匹配關系就格外重要，圍繞鉆進獲取的參數(shù)與破巖效率，閆鐵等[6]基于分形維數(shù)理論提出了破巖效率不僅與鉆進參數(shù)有關，還與巖石破碎體的粒度和尺寸有關，通過碎巖能量分形模型，獲得隨鉆碎巖能量參數(shù)，進而提高鉆進效率。祝效華等[7]通過對巖石的靜力學實驗和沖擊載荷試驗數(shù)據(jù)，建立空氣沖旋鉆井與巖石特性的互交模型，研究臨界沖擊功、鉆壓和巖石性質(zhì)對破巖效率的影響，并建立最佳鉆進參數(shù)匹配組合。2014年，祝效華等[8]又考慮到破巖鉆進過程中鉆具的橫向振動特征對鉆進效率的影響，建立了動力學方程，對鉆壓、鉆速進行分析，研究表明鉆具的橫向振動根據(jù)鉆壓和鉆速的增大而增大，加劇了振動頻率，不利于鉆具的有效鉆進。

針對鉆進參數(shù)學者們建立了與巖石力學性質(zhì)匹配關系模型，能夠通過鉆機反饋的工作參數(shù)能夠?qū)︺@進巖石進行初探，但是對現(xiàn)場鉆進作業(yè)進行研究有一定的局限性，不能夠快速實現(xiàn)不同工況條件下破巖效率的變化情況，因此，數(shù)值模擬手段成為科研人員除室內(nèi)試驗的不二選擇，并對假設條件進行驗證。

3 數(shù)值模擬與鉆進效率研究

隨著數(shù)字化的發(fā)展，應用模擬軟件分析問題相對更加方便，朱海燕[9]等于2012年研究沖旋鉆井的鉆頭主要破巖機理，利用有限元軟件建立單齒破巖以及沖擊動態(tài)破巖模型，通過單齒室內(nèi)試驗驗證有限元的可行性，將沖擊旋鉆破巖分為5個階段，對五種巖石侵入深度進行對比研究。2015年吳玉厚等[10]基于ABAQUS研究巖石不同節(jié)理特征對滾刀破巖效率的影響，研究表明巖石破碎效率與節(jié)理間距成反比，相同節(jié)理條件下節(jié)理傾角為60°時的破碎效率最高，90°時破碎效率最低。同年，祝效華等[11]又對鉆進破碎效率進行深一步研究，利用有限元模擬軟件對PDC鉆頭動態(tài)切削建模，研究側傾角、圍壓對破碎比功的影響，結果表明側傾角小于25°時的破碎比功影響較小，破碎比功隨圍壓的增大而增大，切削深度為2mm時的PDC鉆頭破碎比功達到最佳。2019年，張幼震等[12]利用半物理仿真技術對鉆探巖石進行模擬試驗，通過互交、建模等手段，獲得鉆探系統(tǒng)的動態(tài)反饋參數(shù)，從而對不同情況下的破巖效率進行反饋和優(yōu)化。管志川等[13]認為破巖效率跟鉆頭滑動摩擦系數(shù)有關，在鉆進不同硬度巖層時，應選擇不同強度的鉆進參數(shù)，才能夠使鉆速-鉆壓-能量利用率達到最優(yōu)化，因此提高破巖效率。2020年，周波等[14]研究了溫度和壓力對巖石可鉆性和破巖效率的影響，研究表明壓力比溫度對可鉆性的影響較大，隨溫度增加而減小，隨壓力的增加而增加，破巖效率對溫度敏感性較低，且隨圍壓的增加而降低。蔡之源等[15]為了研究潛孔錘破巖的特性對破巖效率的影響，建立不同狀態(tài)的動力學方程，結果發(fā)現(xiàn)破巖系統(tǒng)成周期變化，-1周期為最優(yōu)狀態(tài)，破巖效率隨推力增大而增加，激振頻率的增加會降低破巖效率。

數(shù)值模擬對現(xiàn)場鉆進作業(yè)進行仿真，突破實驗室的功能限制，實現(xiàn)了多種條件下的研究，為了驗證數(shù)值模擬的準確性，利用室內(nèi)試驗或工程數(shù)據(jù)對模擬進行標定，通過模擬可以分析不同傾角、圍壓等參數(shù)對破巖比功的影響，考慮了溫度、壓力對破巖效率的影響，為研究破巖效率增加一有力判據(jù)。

4 隨鉆識別研究現(xiàn)狀

隨鉆測量與識別技術也逐漸成熟，國外學者Zhou B等[16]利用導波在鉆探雷達測量中的特性，將其耦合到鉆桿上，作為傳輸和接收天線，鉆進時對采集的數(shù)據(jù)進行成像，根據(jù)試驗驗證該方法的前瞻力在2m～6m。Zhou H[17]根據(jù)鉆孔測量獲得不同深度巖石樣本數(shù)據(jù)，利用高斯模型對輸出的巖石硬度進行分析，對該區(qū)域巖石的類型分布進行識別。Min Qin等[18]研究了鉆進的振動傳感和聲傳感對巖性的識別，發(fā)現(xiàn)振傳和聲傳識別巖性的時域和時頻有所不同，聲信號比振動傳感有更高的信噪比。Park J等[19]基于隨鉆監(jiān)測數(shù)據(jù)技術，對鉆進巖石的穿透率反映出完整巖石的力學性質(zhì)進行研究，建立研磨和破碎效率預測模型，有效預測鉆進過程的碎巖效率和能量消耗。國內(nèi)學者田昊等[20]認為破碎巖石的主要能量來源于鉆機的扭矩和軸向壓力，以破碎單位體積巖石的能耗為判據(jù)，對隧道斷面進行超前探測，通過鉆進能量獲取凝灰?guī)r地層的鉆進參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進一步分析得到能量在0.95 kJ時，鉆進的凝灰?guī)r地層出現(xiàn)節(jié)理或斷層。譚卓英等[20]也在2015年提出了一種地層地質(zhì)界面識別系統(tǒng)，通過實時獲得的鉆進過程位移曲線和穿孔率對巖層進行識別，研究得到了金剛鉆頭在花崗巖層中的鉆進比，并建立巖層結構分類標準。曲思凝[21]基于試驗獲得的機械比能、鉆壓等特征參數(shù)，建立了不同巖石結構的機械比能模型，能夠根據(jù)隨鉆的響應特征對鉆進巖層效率進行定量評價。房昱緯等[22]提出了一種智能識別地層的超前鉆探方法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡對超前鉆探數(shù)據(jù)進行智能分析，實時獲得不同深度的巖體特性，提高地層識別精度和鉆探效率。雷曉榮[23]針對鉆孔軌跡測量設備使用效率低的問題，提出了一種隨鉆軌跡儲存測量裝置，能夠快速獲得鉆孔軌跡信息，自動儲存并計算軌跡偏差，減少了數(shù)據(jù)采集的時間。宋琨等[24]基于數(shù)字鉆孔全景影像技術，對獲得的圖像灰度化和降噪處理，進行鉆進的結構面特征識別，運用該智能化手段提高了結構面識別的速度、精度和效率。

隨鉆識別監(jiān)測技術基于智能算法、精度傳感器、監(jiān)測設備等手段，實現(xiàn)了隨鉆測量深度、鉆桿振幅，識別出巖層結構特征，指導優(yōu)化鉆進參數(shù)，縮短鉆探工作量。隨鉆識別技術在石油打井、礦山鉆探、隧道掘進等工程上得到很好的應用，在傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)的基礎上，解決的探礦的問題，有利于探礦與鉆孔的結合，將未鉆探工程增加堅實的基礎。

5 結論

巖石的破碎會消耗不同程度的能量，基于機械比能研究鉆機破巖機理，隨著科技的進步，智能化手段逐漸應用在礦山鉆孔識別中，通過扭矩、軸壓、轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)，反饋出巖石的強度，利用傳感器等手段，獲取鉆進軌跡，為了提高破巖效率，研究鉆進參數(shù)之間的配合，優(yōu)化鉆進破巖參數(shù)，促進了礦山開采各環(huán)節(jié)的連接與配合，進而提高礦山生產(chǎn)效率。

鉆進巖石發(fā)展過程中，考慮了鉆機工作參數(shù)、鉆頭磨損、溫度、振動等對鉆進效率的影響，因素眾多但無法更全面的將其結合評價，在未來的研究進程中，可以通過能量為切入點，將眾多因素與能量串聯(lián)，研究兩兩之間對應關系，并用于進一步研究與破巖效率的相關性。