钻锚一体化锚杆随钻测量岩石强度试验研究
作者：
姜鹏飞, 张炜, 陈志良, 王子越, 罗超, 郭吉昌, 刘畅, 孙洋
作者单位：
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摘要
岩石单轴抗压强度是评估岩石力学性质的重要参数, 实时、准确地获取锚杆钻进过程中的岩石单轴抗压强度对于指导巷道顶板支护设计、锚固作业具有重要意义。基于钻锚一体化锚杆和钻臂搭建了钻锚一体化锚杆随钻感知试验系统, 试验系统可实时监测液压系统的液压缸、液压马达及钻箱位移等参数。通过对各参数特性、单一参数及组合参数随岩石强度变化的关系进行分析, 获得钻进单位体积岩石时液压缸、液压马达及系统所做总功与岩石强度的关系, 并对比了各参数的优劣性。研究结果表明: 液压系统单一参数及组合参数与岩石单轴抗压强度有一定的相关性, 部分参数相关性系数较高, 液压缸进油端、回油端拟合函数相关性系数分别为0.8408和0.8497; 钻箱钻进速度随试样单轴抗压强度变化的拟合函数相关性系数最高, 为0.9533; 其次是液压马达做功、系统总功以及液压缸做功, 分别为0.9215、0.8950和0.8552。液压缸回油端压力拟合函数效果最好, 误差率为14.33%, 小于15%; 其次是钻箱钻进速度, 误差率为16.12%, 小于20%; 钻进系统所做总功、液压马达做功、液压缸做功误差率分别为20.73%、21.79%和23.78%, 均小于25%, 预测效果较好。液压马达做功系统做功占主要部分, 平均占比99.22%, 随着岩石强度的增加, 液压马达做功占系统总功逐渐下降。总体来看, 液压缸进油端压力、回油端压力、钻箱钻进速度、液压马达做功、系统总功及液压缸做功随试样单轴抗压强度变化的拟合函数相关性系数较高。研究结果为钻锚一体化快速掘进、巷道围岩稳定性评估、锚杆支护方案优化等提供了依据。
图片
图 1 液压缸和液压马达工作原理示意
图 2 钻锚一体化锚杆
图 3 钻锚一体化锚杆钻机
图 4 控制系统部分部件
图 5 钻锚一体化锚杆随钻感知成套试验系统
图 6 砂浆和岩石试样
图 7 试样尺寸及钻进方向示意
图 8 钻孔后的试样
图 9 试样取芯、打磨
图 10 标准试样
图 11 砂浆试样单轴压缩试验
图 12 试样强度分布箱线图
图 13 钻机各参数随时间变化
图 14 钻箱位移随时间变化及局部放大曲线
图 15 静止状态下钻箱位移随时间变化及局部放大曲线
图 16 液压缸进油端压力和回油端压力曲线及局部放大曲线
图 17 液压缸进油端和回油端压力曲线局部放大对比
图 18 液压马达进油端和回油端压力曲线及局部放大对比
图 19 液压缸进油端流量和回油端流量曲线及局部放大图
图 20 液压马达进油端和回油端流量曲线及局部放大对比
图 21 单一参数随单轴抗压强度变化箱线图
图 22 单一参数随单轴抗压强度变化及拟合曲线
图 23 组合参数随单轴抗压强度变化箱线图
图 24 组合参数随单轴抗压强度变化及拟合曲线
图 25 液压马达做功占比
图 26 各参数预测值与实测值差值
图 27 各参数预测值与实测值的误差率
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本文引用格式
姜鹏飞, 张炜, 陈志良, 等. 钻锚一体化锚杆随钻测量岩石强度试验研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2025, 7(1): 013041. DOI: 10.13532/j.jmsce.cn10-1638/td.2024-1376
JIANG Pengfei, ZHANG Wei, CHEN Zhiliang, et al. Experimental study on rock strength perception of drilling-anchoring-integrated bolts anchors with drilling[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering, 2025, 7(1): 013041. DOI: 10.13532/j.jmsce.cn10-1638/td.2024-1376
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