[0001] 本发明涉及岩体勘察技术领域，尤其是一种深部岩体强度孔内外随钻联合测试装备以及一种深部岩体强度孔内外随钻联合测试方法。

[0002] 在采矿工程、水利水建、隧道交通和边坡工程等多个领域，以岩石为主要研究对象，原位识别岩石类型、结构特性和岩体质量评价至关重要。这些任务是施工方案选择、结构设计和边坡支护等工作的必要步骤。然而，由于许多工程缺乏充分的地质结构和岩体参数，可能导致工期延误、经济损失，甚至引发岩爆、坍塌等动力灾害安全事故，造成重大损失。因此，寻求安全、经济、高效的岩体特性获取方法一直是岩土工程从业者的追求目标。

[0003] 考虑到各类岩土工程都涉及到钻进工序，一些学者提出了基于随钻测量技术的钻探方法，该方法通过监测、记录和提取钻进过程中的有效信息，对被钻地层结构和岩体性能进行初步判定，有效解决了传统勘察方法取芯困难、时效性差、使用场景有限等问题，因此受到广泛关注。

[0004] 例如公开号为CN116624137A的中国发明专利申请公开了一种深部岩体随钻数据的处理方法及相关设备，该方法包括通过获取钻杆在钻进深部岩体的过程中的扭矩、压力、转速以及钻进速度；并对该扭矩、压力、转速以及钻进速度分别进行中值滤波处理，得到滤波扭矩、滤波压力、滤波转速以及滤波钻进速度；然后根据所述滤波扭矩、所述滤波压力、所述滤波转速以及所述滤波钻进速度确定所述深部岩体的测试岩石强度指数；并根据标准单轴抗压强度、标准岩石强度指数以及所述测试岩石强度指数确定所述深部岩体的单轴抗压强度，从而可以实现通过钻杆在钻进深部岩体的过程中的随钻量测来确定深部岩体的单轴抗压强度。

[0005] 例如公开号为CN117908118A的中国发明专利申请公开了一种基于随钻地震波尾波的岩体不连续面识别方法及相关设备，该方法包括获取钻杆钻进待识别岩体过程中产生的地震波信号，并从所述地震波信号中确定间隔预设震源间距的第一尾波信号和第二尾波信号；基于所述第一尾波信息号和所述第二尾波信号确定随钻地震尾波在所述预设震源间距对应的局部岩体中的传播波速；基于所述传播波速对所述待识别岩体的不连续面进行识别，通过尾波分析可以准确的确定随钻地震尾波在局部岩体中的传播波速，从而可以通过该传播速度精确的识别岩体的不连续面。

[0006] 目前，包括上述专利申请在内的随钻测试岩石强度的研究，所获取的钻进参数多为对钻机油压的监测，缺少对钻进参数的直接量测，且通常无法实现随钻测试，只能测到离散点的岩石强度参数，得到的测试结果只是岩石力学参数，通常无法精准的对岩体力学参数进行勘察，使得对岩体特性的测试结果的可靠性较低。

[0021] 为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

[0022] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0023] 同时，在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义；因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义；若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

[0024] 如图1至图5所示，本发明所公开的深部岩体强度孔内外随钻联合测试装备包括钻机1、孔外钻参数测试单元2、钻杆3、孔内岩石强度测试单元4、孔表地震波检波器5、激光测距仪6、控制处理单元7和外部钻取装置8；孔外钻参数测试单元2的一端与钻机1的动力头连接，另一端与钻杆3的一端连接，以通过钻机1和钻杆3之间的孔外钻参数测试单元2在孔外测量钻进参数。孔内岩石强度测试单元4的一端与钻杆3的另一端连接，另一端连接取芯管或钻头等外部钻取装置8，以通过孔内岩石强度测试单元4在孔内测量岩石强度。孔表地震波检波器5安装在钻进临空面9上，可通过孔表地震波检波器5记录取芯管或钻头破岩时产生的地震波信号，钻进临空面9即钻孔位置与外部外径相接的工作面；孔表地震波检波器5采用高频检波器，孔表地震波检波器5覆盖破岩信号的频段为10Hz～1500Hz。激光测距仪6安装在钻机1的操控台上，可通过激光测距仪6测量当前时间的钻进深度，并与现场主机的时间进行同步，进而得到钻进速度等参数。控制处理单元7与钻机1、孔外钻参数测试单元2、孔内岩石强度测试单元4、孔表地震波检波器5和激光测距仪6通讯连接，控制处理单元7为现场主机。通过控制处理单元7能够控制钻机1、孔外钻参数测试单元2、孔内岩石强度测试单元4、孔表地震波检波器5和激光测距仪6，并对其检测得到的数据进行处理，进而通过孔内、孔外、孔表的随钻测试，分别实现离散的岩石强度、连续的岩石强度以及岩体纵波速度和岩体结构面的识别，并通过岩体结构面和岩石强度信息计算岩体强度参数，可用于随钻测量钻头实际钻入的岩体强度参数，有助于提升深部地下工程勘察的精确程度，为工程灾害风险评估和支护设计施工提供可靠地质资料。

[0025] 具体的，如图2所示，本发明中所采用的孔内岩石强度测试单元4包括孔内测试短节41、液压探针装置42、距离计数器、压力计数器、第一母头43和第一公头44。孔内测试短节41的结构设置为杆状结构，孔内测试短节41的一端通过第一母头43与钻杆3的另一端形成螺纹连接，孔内测试短节41的另一端通过第一公头44与外部钻取装置8形成螺纹连接。液压探针装置42具有驱动端和探针端，液压探针装置42的驱动端固定在孔内测试短节41的内
部，液压探针装置42的探针端穿过孔内测试短节41的侧壁并伸出至孔内测试短节41的外
部，液压探针装置42的驱动端用于驱动液压探针装置42的探针端沿垂直于孔内测试短节41的中心轴线的方向移动。距离计数器固定在孔内测试短节41上并与液压探针装置42的探针端连接。压力计数器固定在孔内测试短节41上并与液压探针装置42的探针端连接；液压探针装置42、距离计数器以及压力计数器均与控制处理单元7通讯连接。

[0026] 呈杆状结构的孔内测试短节41的一端通过第一母头43与钻杆3的另一端连接，另一端通过第一公头44连接外部钻取装置8，以将孔内测试短节41作为一节小钻杆安装在钻杆3和外部钻取装置8之间。液压探针装置42的驱动端固定在孔内测试短节41的内部，液压探针装置42的探针端穿过孔内测试短节41的侧壁并伸出至孔内测试短节41的外部，以通过液压探针装置42的驱动端来驱动液压探针装置42的探针端沿垂直于孔内测试短节41的中
心轴线的方向移动，使得液压探针装置42的探针端能够压入钻孔壁的岩石内。具体的，液压探针装置42的驱动端可采用具有电机、液压容腔、液压柱塞等部件的液压动力机构；液压探针装置42的探针端为探针，通过液压动力机构带动探针下探。固定在孔内测试短节41上的距离计数器与液压探针装置42的探针端连接，可通过距离计数器来测量液压探针装置42的探针端在压入过程中的位移变化。固定在孔内测试短节41上的压力计数器与液压探针装置
42的探针端连接，可通过压力计数器来测量液压探针装置42的探针端在压入过程中的压力值变化。液压探针装置42、距离计数器以及压力计数器均与控制处理单元7通讯连接，可通过控制处理单元7来控制液压探针装置42，并对距离计数器和压力计数器所检测到的位移、压力值等数据进行处理分析。

[0027] 如图4所示，在一些可能的实施方式中，孔内岩石强度测试单元4还包括单片机、A/D转换电路、信号放大电路，单片机内设置有数据存储模块、电机液压驱动模块和自供电模块，距离计数器通过对应的信号采集电路与信号放大电路连接，压力计数器通过对应的信号采集电路与信号放大电路连接，信号放大电路通过A/D转换电路与单片机连接，单片机与液压探针装置42连接并与控制处理单元7无线通讯连接，以使得液压探针装置42、距离计数器和压力计数器通过单片机与控制处理单元7通讯连接，以将距离计数器和压力计数器检测到的数据通过A/D转换电路记录在单片机中的数据存储模块中并将数据传输至控制处理单元7，通过电机液压驱动模块控制液压探针装置42；通过自供电模块进行供电工作。

[0028] 具体的，如图3所示，本发明中所采用的孔外钻参数测试单元2包括孔外测试短节21、压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器、转速传感器、第二公头22和第二母头
23。孔外测试短节21设置为杆状结构，孔外测试短节21的一端通过第二公头22与钻机1的动力头螺纹连接，孔外测试短节21的另一端通过第二母头23与钻杆3的一端螺纹连接。压力扭矩复合传感器安装在孔外测试短节21的外壁上。加速度传感器安装在孔外测试短节21的外壁上。倾角传感器安装在孔外测试短节21的外壁上。转速传感器安装在孔外测试短节21上。
压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器和转速传感器均与控制处理单元7通讯连接。

[0029] 呈杆状结构的孔外测试短节21的一端通过第二公头22与钻机1连接，另一端通过第二母头23与钻杆3的一端连接，以将孔外测试短节21作为一节小钻杆安装在钻杆3和钻机
1之间。压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器安装在孔外测试短节21的外壁上，转速传感器安装在孔外测试短节21上，以通过压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器和转速传感器来测量扭矩、压力、转速、倾角等钻进参数；压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器和转速传感器均与控制处理单元7通讯连接，以通过控制处理单元7获取和处理压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器和转速传感器所检测到的数据。

[0030] 如图5所示，在一些可能的实施方式中，孔外钻参数测试单元2还包括单片机、A/D转换电路、信号放大电路，单片机内设置有数据存储模块、无线发射模块和自供电模块，压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器和转速传感器分别通过对应的信号采集电路与信号放大电路连接，信号放大电路通过A/D转换电路与单片机连接，单片机与控制处理单元7无线通讯连接，以使得压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器和转速传感器通过单片机与控制处理单元7通讯连接，以将压力扭矩复合传感器、加速度传感器、倾角传感器和转速传感器检测到的数据通过A/D转换电路记录在单片机中的数据存储模块中，并通过无线发射模块与位于钻机控制台内的控制处理单元7无线连接，实时将数据在控制处理单元7上显示；通过自供电模块进行供电工作。

[0031] 如图6所示，本发明所公开的深部岩体强度孔内外随钻联合测试方法采用上述内容所述的深部岩体强度孔内外随钻联合测试装备，并进行以下步骤：
S1、对深部岩体强度孔内外随钻联合测试装备进行安装，通过热熔胶将孔表地震
波检波器5固定在钻进临空面9上，在钻进临空面9上设置预开钻孔，且孔表地震波检波器5与钻进临空面9上的预开钻孔之间在钻孔径向方向上存在1m间距，安装好后开启钻机1在钻进临空面9处进行钻进；
S2、通过激光测距仪6实时测量钻孔的钻进深度，激光测距仪6通过测量钻机1的动
力头的前后移动来计算钻进深度，配合现场主机记录的时间来得到时间‑钻进深度曲线；
S3、通过孔内岩石强度测试单元4测量得到孔内离散点的岩石强度信息；
S4、通过孔外钻参数测试单元2实时测量得到孔外钻参数信息，配合步骤S2中所得
时间‑钻进深度曲线将岩石强度信息和孔内离散点中的每个单点对应的钻进深度所对应的孔外钻参数信息组成训练集，依据训练集通过B‑P神经网络构建岩石力学参数的随钻智能反演模型，并对随钻智能反演模型进行训练得到训练模型，依据训练模型在岩石强度信息的标定下连续反演岩石强度，得到连续的岩石抗压强度；
S5、通过孔表地震波检波器5实时记录钻进破岩时产生的地震波信号，依据地震波
信号识别岩体结构面；
S6、依据步骤S4中所得的岩石抗压强度与步骤S5中所得的岩石结构面计算得到岩
体抗压强度。

[0032] 具体的，本发明所公开的深部岩体强度孔内外随钻联合测试方法，其整体构思是通过激光测距仪6实时测量当前钻孔的钻进深度，也即当前测试深度；通过孔内岩石强度测试单元4测试钻孔壁压力‑变形位移曲线，从而计算沿着钻孔方向孔内离散点中的若干个单点的岩石强度信息，包括岩石静弹性模量和岩石抗压极限强度等信息；如图9至图12所示，通过孔外钻参数测试单元2实时测量得到孔外钻参数信息，包括扭矩、压力、转速、倾角等信息，配合时间‑钻进深度曲线，通过已知的孔内离散点的测试得到的岩石强度信息作为已知信息，以及对应点上孔外得到的扭矩、压力、转速、倾角等孔外钻参数信息作为训练集，依据训练集通过B‑P神经网络构建岩石力学参数的随钻智能反演模型，并对随钻智能反演模型进行训练，训练包括对随钻智能反演模型的预测效果进行评估并对随钻智能反演模型进行筛选，以对岩石强度进行优化校准，得到的训练模型可以实现从扭矩、压力、转速和倾角信息作为输入得到岩石抗压强度信息，由于孔外钻参数信息的采集是沿着钻孔连续的，所以可以得到连续的岩石抗压强度；再通过孔表地震波检波器5实时记录钻进破岩时产生的地震波信号，依据地震波信号识别岩体结构面；依据岩石抗压强度和岩体结构面计算得到岩体抗压强度，从而实现利用孔外、孔表、孔内的随钻量测信息，快速、准确、连续的反演岩体强度参数。

[0033] 本发明中所采用的B‑P神经网络是模仿生物大脑中神经系统的兴奋过程所开创的人工智能算法，该方法允许神经网络学习输入与输出的间的映射规律，再经过误差反向传播，直接构建输入与输出的非线性关系，形成一种前馈式的神经网络，即Backpropagation Neural Network。如图13所示，B‑P神经网络由输入层、输出层与隐藏层三层结构组成，每层包含若干个节点，层与层间节点的连接构成神经元，每个节点可以接收来自其他节点的输入信号，并通过对输入信号进行规则运算产生输出。B‑P神经网络的训练原理为误差反向传播算法，该算法通过将训练样本输入到神经网络中，经过隐藏层与输出层得出初始预测结果，然后计算输出层的误差，并反向传播误差，根据误差大小调整神经网络中每个节点的权重和偏置使得下一次网络的预测结果更加准确。B‑P神经网络的训练过程主要包括以下几个步骤：前向传播阶段、误差计算阶段、反向传播阶段和重复计算阶段。对比其它机器学习方法，B‑P神经网络的反向传播性质将使其在理论上在处理非线性问题、提高计算效率以及泛化能力上更具优势，是一种构建随钻参数与岩石力学参数间的复杂非线性映射关系的可行方法。如图14所示训练完成后的模型可以在已知孔内测试的岩石强度的标定下，连续反演岩石强度。

[0034] 本发明所公开的深部岩体强度孔内外随钻联合测试方法中，通过孔内岩石强度测试单元4测量孔内离散点的岩石强度信息时，按照以下步骤进行：S3‑1、当钻机1的钻进深度增加1～2m时停止钻机1的钻进工作，并通过液压探针装
置42的驱动端驱动液压探针装置42的探针端从孔内测试短节41的侧壁伸出，伸出过程中通过距离计数器测量探针端的位移值、通过压力计数器测量探针端的压力值，依据所述位移值和所述压力值得到如图7所示的单点的测试钻孔壁压力‑变形位移曲线，依据所述测试钻孔壁压力‑变形位移曲线得到单点的弹性模量和孔内岩石抗压强度；
 S3‑2、当所述位移值和所述压力值测量结束后，通过液压探针装置42的驱动端驱
动液压探针装置42的探针端从孔内测试短节41的侧壁伸入孔内测试短节41的内部，并开启钻机1继续钻进，重复步骤S3‑1，以得到多个单点的弹性模量和若干个单点的孔内岩石抗压强度，将多个单点的弹性模量和多个单点的孔内岩石抗压强度组合得到孔内离散点的岩石强度信息。

[0035] 具体的，依据所述测试钻孔壁压力‑变形位移曲线得到单点的弹性模量和孔内岩石抗压强度可按照以下原则进行，也可以根据曲线形态确定，测试钻孔壁压力‑变形位移曲线中小于5MPa的压力段数据处理中不用考虑，5～50MPa应力段的割线模量定义为变形模量E，即弹性模量，50MPa以上应力段视为孔内岩石抗压强度，这是由于50MPa以上应力段岩石发生破坏，位移持续增大但是岩石应力不增长；通过不同深度孔内岩石强度测试，可以得到如图8所示的离散的岩石强度点。

[0036] 本发明所公开的深部岩体强度孔内外随钻联合测试方法中，在依据地震波信号识别岩体结构面时，按照以下步骤进行：S5‑1、对震源移动间距为 的依次相邻的两道地震波信号依次进行干涉分析，取两
道地震波信号中的其中一道地震波信号作为参考道，取两道地震波信号中的另一道地震波信号作为扰动道，依据式 计算得到参考道和扰动道的相关系数 ；
，
式 中， 为参考道中没有扰动的信息， 为扰动道中扰动的信息，
为钻进时间， 和 为参考道中没有扰动的信号和扰动道中扰动的信号所对应的时间窗
口；
S5‑2、依据式 中所得的相关系数 和式 计算得到方差 ；
，
式 中， 为记录波形中的主要均方频率；
S5‑3、依据式 中所得方差 和式 计算得到沿着钻孔深度方向的岩体纵波波
速 ；
；
S5‑4、依据所得岩体纵波波速 识别岩体结构面。

[0037] 在上述步骤中，通过孔表地震波检波器5记录的钻进破岩震动，并进行单位钻进深度之间信号的干涉分析计算沿着钻孔深度方向的岩体纵波波速，进而得到岩石动态弹性模量，并通过识别低速区域，判定岩体结构面。例如，令图15中的两道地震波信号中的其中一道作为参考道，即没有扰动的信号 ，另一道作为扰动道，即扰动的信号 ，可以得到扰动的信号和没有扰动的信号的对比，可以发现两道地震波信号整体极为相似，两道地震波信号存在着相位上的差异，可根据式 计算得到参考道和扰动道的相关系数 ；而
震源与接收器的距离以及不一致的相位扰动的方差有关，由于随钻地震波监测中接收器位置不变，相邻道震源移动的间距 也与方差有关，进而与相关系数 ，也即互相关值 的
最大值有关,进而推导出旅行时间扰动的最大互相关值和方差 之间的关系为式 ，依据
式 得到方差 。

[0038] 当震源位移距离为 时，可以根据行进时间扰动的方差来估计震源位移距离 ，见式 ：，
式 中，是介质的P波估计值。由于随钻信号为连续的冲击钻震动，本实施例中
每0.1m取地震波信号进行干涉分析，即 = 0.1m，从而可以通过式 计算纵波波速 。通过每0.1m为一个点的相邻两道地震波信号之间的干涉分析，即可以得到随着深度变化的岩体纵波波速，如图16所示，可得到识别岩体纵波波速，可以认为速度小于背景百分之五十时存在明显的岩体结构面，也即低速区。

[0039] 本发明所公开的深部岩体强度孔内外随钻联合测试方法的步骤S6中，根据岩石抗压强度和岩体结构面通过计算得到岩体抗压强度，依据式 计算得到岩体抗压强度 ；；
上述计算公式的原理如下，根据Hoek‑Brown准则，可将岩石抗压强度转换为岩体
抗压强度，岩石抗压强度 为通过随钻获取的岩石强度，如图14所示。为根据RMR工程岩体评价系统和岩体结构面获取的参数，根据式 计算得到 ：
，
式 中，RMR可根据孔表地震波干涉获取并结合Bieniawski所提出的岩体评分系
统进行测取。本实施例中的RMR工程岩体评价系统是一种确定岩体质量等级的方法，RMR工程岩体评价系统的评价指标包括岩块单轴抗压强度（ ）、岩石质量指标RQD（ ）、岩体结构面间距（ ）、岩体结构面条件（ ）、地下水条件（ ）以及岩体结构面产状与工程走向的关系（ ），一共六个指标作为基本参数，对影响岩体稳定性的各个主要因素进行评分，并以其总和值作为岩体的RMR值，也即，根据式 计算得到RMR值：
，
式 中，岩块单轴抗压强度（ ）、岩石质量指标RQD（ ）、岩体结构面间距（ ）为
定量标准，岩体结构面条件（ ）、地下水条件（ ）以及岩体结构面产状与工程走向的关系（ ）为定性参数。具体的评分表可参考表1至表6，其中 根据孔内、外随钻测试的岩石强度选取，即根据图14进行选取；节理信息 、 和 可以通过孔表地震波干涉计算得到的
低速区识别岩体结构面进而进行识别和统计。

[0040] 表1 完整岩石的单轴抗压强度 评分表

[0041] 表2 岩石质量指标 评分表

[0042] 表3 节理间距 评分表

[0043] 表4 节理特征 评分表

[0044] 表5 地下水条件 评分表

[0045] 表6 节理方向 评分表

[0046] 本发明的有益效果主要表现在：（1）相比传统随钻测试方法，本发明通过孔内随钻测试的岩石强度可以标定孔外钻参数反演的岩石强度，从而得到可靠的、连续的随深度变化的岩石强度曲线；（2）相比传统随钻测试方法，本发明通过孔内岩石强度随钻测试短节实现探针式的岩石强度测试，可以得到原位的弹性模量和单点的岩石强度信息；（3）相比传统随钻测试方法，本发明通过地震波干涉法可以随钻得到沿着钻孔深度方向的岩体纵波速度，从而通过低速区域识别岩体结构面；（4）相比传统随钻岩石强度的识别方法，本发明可以通过对结构面和岩石强度的分析可以计算得到岩体强度信息。

[0047] 最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0048] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改；所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0049] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。