数字钻孔过程监测技术与方法的简介

岳中琦

在岩石力学和工程地质工程中，用钻具在岩土地质体中旋转（和冲击）钻出一个小孔是一项最常见、最具历史性和最重要的任务。中国人民在5000年前就发明和使用了钻孔（井）技术。各行业已经设计、制造和使用了各种钻具和钻头，在岩土体中进行了海量钻孔，为勘察、施工、勘探与采矿服务。同时，人们早已认识到向地内钻孔过程是同地质岩土体力学性质密切相关的。钻孔过程本身虽然是一种对岩土体的微创破坏过程，但是在过去不是测量岩石或岩体力学强度试验方法。自1996年以来，香港大学土木工程系研制出了钻孔过程数字监测仪Drilling Process Monitor (DPM），自动地、客观地、连续不断地实时数字记录和监测钻孔或钻探的全部动力和运动过程（下图）。

监测数据的时间序列分析得到了钻头随纯钻进时间的时程曲线，时程曲线的斜率确定了钻进速度，发现了岩土体沿钻进深度具有分段匀速抗钻强度的科学规律，验证了该规律对多种岩土体、钻机和钻头的普适性（下图）。

又进一步确定了基于DPM技术的岩土体抗钻原位试验的四条基本规律和岩土体力学强度质量评价方法，为岩土和地质工程的新一代精细、快速、高效勘探与设计分析提供了理论和技术支撑。20年来，相关技术和方法为隧道掘进机研发、隧道地层随钻监测预报与识别、地质勘探随钻监测地层与界面力学质量、随钻监测岩石力学参数实验室试验、智能与高效钻机研制提供了科学依据，推动了相关领域的进步与发展。DPM技术将为世界岩土工程界第一种，适用于各种软硬岩土体的、通用的、常规的现场力学强度和分布测量方法，同时，可提升许多目前还仅用于工程与生产性钻孔的钻机，为原位测量岩土体强度与分布的探测工具。

2020年8月31日20:45写成于香港大学602办公室