智能检测锚固（IDA）系统在地下工程中的开发与应用

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：The development and application of the intelligent detection anchoring (IDA) system for underground engineering

实时岩体力学参数检测与结构面识别技术研究，通过开发RCT系统和锚杆分析钻头，建立基于钻井参数的岩体抗压强度反演模型（平均误差7.43%），并研发智能锚固检测系统（IDA），在深层煤矿巷道验证其抗压强度检测误差12.21%和结构面识别误差1.69%。

　　

作者：江北|刘广杰|高洪科|王琪|林赤城

中国矿业大学（北京）隧道工程国家重点实验室，北京 100083，中国

摘要

准确检测岩体的力学参数和结构特性对于地下建筑工程和支持设计至关重要。随着深部地下工程活动遇到越来越复杂的地质条件，传统的岩体参数和结构特性测试方法已无法满足实时、精确获取现场地质数据的需求。基于现场钻探设备的数字钻探技术为实时获取原位岩体力学参数和结构特性提供了一种有效方法。在本研究中，采用了一种开发的旋转切割测试（RCT）系统和一种锚杆分析钻头。对不同类型和强度的岩体进行了数字钻探测试，并分析了钻探参数与岩体抗压强度之间的关系。此外，基于钻探参数建立了一个岩体抗压强度反演模型DP-RCS_s，该模型通过验证测试得到的平均误差率为7.43%。在此基础上，开发了一种用于地下工程的智能检测锚固（IDA）系统。在层状岩体上进行了数字钻探模型测试，结果显示使用IDA系统进行岩体抗压强度测量的平均误差率为10.89%，识别结构面位置的平均误差率为1.69%。进一步在深煤矿巷道中对IDA系统进行了现场测试，钻探过程中检测到的抗压强度的平均误差率为12.21%，并通过钻探测试识别出了煤岩界面。本研究为深部地下工程中岩体参数的实时原位检测提供了理论和技术基础。

引言

检测岩体的力学参数和结构特性对于地下建筑工程至关重要。获得这些参数的准确值对于分析围岩稳定性、支持设计和施工规划具有重要意义（Wang等人，2022；Leng等人，2023；Jiang等人，2023；Jiang等人，2024；Kang等人，2025）。通常使用实验室和现场测试来获取围岩参数。实验室测试方法（Ruffolo和Shakoor，2009；Xue等人，2014；Aria等人，2018）包括钻探、取芯和运输样品等步骤，这些步骤耗时较长，且所得样品无法反映实际现场条件下的岩体力学性能和结构特性。现场测试方法更符合实际工程条件。常用的现场测试方法有点荷载测试方法（Heidari等人，2012；Rabat等人，2020）、RQD测试方法（Azimian，2016；Zheng等人，2020）和声波测试方法（Feng等人，2019；Xia等人，2022）。点荷载测试方法通过增加样品的拉伸应力来诱导裂隙破坏来测量岩体的抗压强度。RQD方法可用于评估围岩的完整性。声波测试方法可以原位评估岩体的强度和结构特征。然而，点荷载方法评估深部岩体参数的能力有限，而RQD方法无法提供力学性能数据。此外，声波测试方法在测试前需要钻探等步骤，过程繁琐，且测试结果容易受到周围环境的影响。

在钻探过程中的测试理论研究方面，数字钻探技术利用钻探设备在钻探过程中控制、监测和分析钻探参数，如钻速、压力、扭矩和转速（Wang等人，2019；Gao等人，2024a；Gao等人，2024b；Nogueira和Silva，2021）。许多研究探讨了钻探参数与岩体特性之间的关系。Yarali和Soyer（2013）使用回归分析和统计方法建立了钻速指数与岩体强度参数之间的相关性。Kalantari等人（2018）开发了一种钻头的理论分析模型，证明了利用钻探参数预测岩体强度、内聚力和内摩擦角的有效性。Hoseinie等人（2008）提出了一种用于分析岩体可钻性的分类系统，并推导出了钻探参数与岩体结构面特性之间的关系。这些研究表明，钻探参数与岩体的强度和结构参数之间存在强相关性。数字钻探测试技术为现场实时获取岩体强度参数和结构特性提供了一种创新方法。

在钻探过程中的测试设备研究方面，数字钻探设备是进行岩体钻探检测的基础。一些学者开发了各种类型的数字钻探测试设备。在实验室测试设备方面，Yue等人（2022）开发了一种室内旋转剪切数字钻探系统，并对多种岩石材料和砂浆试样进行了实验室钻探测试。Vardhan等人（2009）开发了一种气动钻探装置，并研究了利用钻机噪音水平预测岩体性质的可行性。Wang等人（2020）开发了一种多功能真三轴岩体钻探测试系统，能够在不同的围压条件下进行数字钻探测试。在现场钻探测试设备方面，Yue等人（2004）开发了一种与冲击钻机集成的数字检测仪器，用于评估边坡地质参数及相关因素。He等人（2020）开发了SCY-1岩体力学参数旋转剪切探头，用于测试隧道周围岩体的参数。Wang等人（2021）开发了一种用于地下工程周围岩体的数字钻探测试系统，并提出了一种基于数字钻探技术评估灌浆效果的方法。这些研究表明，开发的现场钻探测试设备主要用于边坡和隧道，取得了有希望的测试结果。锚索支护在深矿巷道的围岩控制中得到广泛应用。在钻孔施工过程中会产生大量数据，利用这些信息进行连续和实时的原位地质参数检测非常重要。

基于以上内容，本研究的主要目标和范围如下：

(1) 使用旋转切割测试（RCT）系统对不同类型的岩体进行数字钻探测试，分析了钻探过程中测量的四种参数（即钻压、扭矩、钻速和转速）与岩体抗压强度之间的定量关系。在此基础上，基于切割强度建立了钻探过程中岩体抗压强度的反演模型DP-RCS_s。这项工作通过综合使用钻探过程中测量的多个参数提高了岩体参数的预测精度。

(2) 为深矿巷道中的锚索支护钻探过程，开发了一种集钻探、监测和反演于一体的智能检测锚固（IDA）系统。通过对层状岩体进行数字钻探模型测试，验证了IDA系统在测试岩体强度参数和结构面位置方面的有效性。IDA系统为深巷道中围岩参数的原位获取提供了设备支持。

(3) 在深煤矿巷道中对周围岩体进行现场钻探测试，以验证IDA系统在检测围岩力学参数和岩层界面特性方面的有效性。所提出的钻探测试理论和设备可以为深部围岩的稳定性分析和安全控制提供原位地质参数。

测试设计

测试设计

使用岩体RCT系统（Wang等人，2024b）研究钻探参数与岩体强度参数之间的关系。如图1所示，该系统主要由智能控制子系统、旋转切割钻探子系统和监测分析子系统组成。RCT系统的控制参数范围如下：钻速0–100 mm/min，转速0–120 r/min，钻压0–10 kN，钻扭矩0–200 N·m。

如图所示

IDA系统

基于RCT系统的开发、系统测试和理论分析，开发了一种用于地下工程的智能检测锚固（IDA）系统。该系统主要由连续钻探子系统、监测控制子系统和辅助钻探子系统组成，如图8所示。IDA系统的控制参数范围如下：钻速0–500 mm/min，转速0–500 r/min，钻压0–20 kN，钻扭矩0–20

现场测试设计

为了验证IDA系统及其基于钻探参数的岩体抗压强度反演模型的现场适用性，在山东省巨野煤矿的一个深矿巷道中对周围岩体进行了IDA系统的现场钻探测试。该测试巷道呈梯形截面，高边高度为4.0 m，低边高度为2.7 m，宽度为4.6 m。在低

讨论

准确和实时获取岩体强度参数是控制矿巷道围岩稳定性的前提。目前，主要方法是现场采集围岩样本并将其运输到实验室进行压缩测试。然而，这种方法缺乏时效性，难以在现场条件下连续获取围岩强度参数。目前，主要的原位测试方法

结论

(1) 基于开发的RCT系统，对不同类型的岩体进行了数字钻探测试，分析了不同抗压强度岩体在钻探过程中测量参数的变化模式。使用开发的锚杆分析钻头和抗压强度范围在9.60至139.73 MPa的岩体样本，建立了钻探过程中岩体抗压强度的反演模型DP-RCS_s。验证结果显示

作者贡献声明

江北：撰写——初稿、方法论、概念化。刘广杰：撰写——初稿、验证、调查。高洪科：撰写——审阅与编辑、方法论、调查。王琪：撰写——审阅与编辑、验证、调查。林赤城：可视化、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2907600）、国家自然科学基金（项目编号：42277174）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：2025XJLJ03）的支持