Page 21 - 2023年第54卷第1期

（３）利用单位体积钻进耗能评价岩石耐磨性。根据钻进过程中钻头的受力特征（图 ６（ａ）），建立了
）的计算公式：
单位体积钻进耗能（ η ｅ
２ π ＲＮ μ Ｆｔｖ
２
Ｅ ＝ ２ π ＮＭｔ ＋ ＦＶｔ － π Ｎ μ ＦＲｔ －
ｃ
１ － ｖ
（４）
Ｅ ２ ＮＭ Ｆ Ｎ μ Ｆ ２ Ｎ μ Ｆｖ
＝ ｃ ＝ ＋ － －
η ｅ ２ ２ ２
Ｖｔ π Ｒ ＶＲ π Ｒ Ｖ ＲＶ（１ － ｖ）
式中：Ｅ为钻进耗能，ｋＪ；Ｍ为钻进扭矩，Ｎ·ｍ；ｖ为泊松比；Ｒ为钻头半径，ｍｍ；μ为钻头与岩石
ｃ
摩擦系数；ｔ为钻进时间，ｓ。
基于大量试验数据，建立了单位体积钻进耗能与岩石耐磨性指标（ＣＡＩ）之间的定量关系（图 ６（ｂ））：
ＣＡＩ ＝ ０ ．８０７ｅ （５）
０．０１３７ η ｅ
图 ６（ｃ）为按式（５）计算得到的 ＣＡＩ与试验实测结果的对比情况，可以看出两者吻合较好。本文方
法为利用随钻检测信息快速获取岩石耐磨性指标提供了新的途径。

图 ６ 岩体耐磨性指标确定方法

２．２ 孔内岩体力学原位试验设备和方法 研制的
孔内岩体力学原位 试验设 备由 控制 平台、辅 助装
置和钻孔剪切弹模测头三部分组成（图 ７）。该设备
能够在狭窄的勘探钻孔中进行岩体变形和抗剪原
位试 验， 方 便 快 捷 地 获 得 岩 体 变 形 和 强 度 特 性
参数 ［１５ － １７］ 。
（１）钻孔弹模试验原理及方法。岩体钻孔弹模
试验的工作原理与工程中常用的旁压试验原理相
同，其理论基础为厚壁圆筒理论，利用圆 筒 内部
压力和径向变形的关系来获取筒壁材料的变形模
量，如图 ８（ａ）所示。在实际测试中，将岩体钻孔
剪切弹模仪放置在 岩体钻 孔中 的预 定位置，利用
上下盘刀之间的耐高压橡胶囊（加载腔）向孔壁岩
体施加压力（Ｐ），根据橡胶囊油量变化确定孔壁岩
体径向变形（ δ ），通过反复加卸载获得相应的 Ｐ － δ
图 ７ 孔内岩体力学原位试验设备
过程曲线，如图 ８（ｂ）（ｃ）所示。
钻孔弹模试验并不能直接得到岩体的弹性模量（ Ｅ），需要进行一定的转化计算，国内外已给出了
某些特定条件下的经验公式 ［７］ ，这些经验公式在实际应用中存在较大的局限性。针对这一问题，本文
进一步提出了一种基于优化算法，根据钻孔弹模试验结果直接反演计算考虑岩体结构和尺寸效应等复
杂因素的岩体综合弹模（ Ｅ）的方法，如式（６）所示。该方法以优化模型为核心，通过优化驱动岩体弹
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