鉆屑溫度測試煤體法向應力的試驗研究

李忠華，朱麗媛，徐連滿，于文鑫

（遼寧工程技術(shù)大學力學與工程學院，遼寧阜新 1 23000）

0 引言

含瓦斯煤巖是一個復雜的系統(tǒng)，煤體法向應力的變化是引起其他一系列變化的主導因素，測試煤體法向應力的大小對沖擊礦壓等煤巖動力災害的防治具有重要意義［1-2］。目前，鉆屑法是一種常用的測試煤體法向應力的方法，該方法相對比較準確可靠且實施簡單經(jīng)濟［3］，但其缺點也是很明顯的，例如對于軟弱煤層，以及煤體法向應力超過強度破碎后，鉆孔過程中將產(chǎn)生鉆屑量超過極限值的現(xiàn)象，無法判斷煤體法向應力。

研究表明，使用煤電鉆向煤體中打孔，鉆頭切削煤體，與孔底、孔壁相互作用，使鉆頭、孔底、孔壁、鉆粉的溫度發(fā)生變化［4-10］。鉆孔周圍的煤體將產(chǎn)生應力集中，當?shù)貞^大時，鉆孔周圍煤體所受應力將超過煤體極限強度，發(fā)生塑性損傷，煤體將會破碎，擠壓鉆桿，鉆屑溫度（包括鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度）增高。因此可通過測試鉆屑溫度來判斷煤體法向應力大小，進而建立鉆屑溫度與煤體法向應力之間的定量關(guān)系，以便由鉆屑溫度計算該處的應力值，可克服鉆屑法的不足。

1 實驗設(shè)備及方案

1.1 實驗設(shè)備

鉆頭溫度測試裝置（煤電鉆、Φ42 mm空心麻花鉆桿、鉆頭、測溫探頭、旋轉(zhuǎn)滑環(huán)）、手持式紅外測溫儀、電子秤、塑料袋、200 t萬能實驗機、秒表、溫度記錄儀、電腦。實驗裝置如圖1所示。

1.2 實驗步驟

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experiment device

用厚度30mm的鑄鐵板制作內(nèi)部尺寸為310mm×310mm×310mm的鐵箱。將現(xiàn)場采集的煤塊置于鐵箱中，周圍用水泥沙漿填充。用吊車將立方體試件放置在實驗機的下平臺上，在試件上表面放一塊300mm×300mm×15mm的鋼板，在鋼板上放置墊塊，使鋼板均勻受力。實驗機上頂板降下，直至接觸試件。將熱電偶置于鉆頭內(nèi)部，導線穿過鉆桿與導電滑環(huán)連接，導電滑環(huán)與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器與電腦連接。將紅外測溫儀使用支架固定好，將測溫探頭對準鉆孔處。開啟實驗機加載到指定壓力。打開測溫儀電源開關(guān)，調(diào)節(jié)測溫儀。

測溫儀開始采集數(shù)據(jù)20s后，開啟煤電鉆按指定推進速度進行鉆孔。鉆進過程中，測溫儀每隔2s記錄一次鉆頭溫度，紅外測溫儀每隔5s記錄一次煤屑溫度。鉆孔深度達到300mm時停鉆。停鉆后10s內(nèi)將鉆頭撤出，同時用紅外測溫儀測試鉆孔溫度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

在推進速度為0.22m/min的條件下，分別對試件加載800kN、1000kN、1200kN，相應的煤體法向應力分別為8.9MPa、11.1MPa、13.3MPa。鉆進時間為80s，鉆孔深度為293mm。

根據(jù)記錄的溫度數(shù)據(jù)，將開鉆前鉆頭溫度作為零值，以時間為橫坐標，溫度為縱坐標，得到鉆孔過程中的鉆頭溫度變化曲線如圖2所示。鉆孔結(jié)束后，立即測試孔壁煤體的溫度，得到鉆孔溫度值如表1所示。自開鉆起，每5s測試一次孔口處排出的鉆粉溫度，得到鉆孔過程中鉆粉溫度數(shù)據(jù)如表2所示。鉆孔結(jié)束后，將排出的鉆屑收集、稱量，得到鉆屑量值如表3所示。

圖2 鉆頭溫度時程曲線圖Fig.2 Time-history curve of drillings temperature

表1 鉆孔溫度記錄表Table 1 Record of borehole temperature

表2 鉆粉溫度記錄表Table 2 Record of coal bit temperature

表3 鉆屑量記錄表Table 3 Record of drilling cuttingsweight

2.2 試驗結(jié)果分析

在推進速度為0.22m/min的條件下，煤體法向應力為8.9MPa，鉆進時間為80s時鉆頭上升溫度為11.13℃；煤體法向應力為11.1MPa，鉆進時間為80s時鉆頭上升溫度為22.39℃；煤體法向應力為13.3MPa，鉆進時間為80s時鉆頭上升溫度為30.53℃。從圖2可以看出，煤體法向應力對鉆頭溫度的升高有顯著影響。在鉆進速度相同的條件下，煤體法向應力越大，鉆頭溫度升高越快，鉆頭溫度的最大值隨煤體應力的增大而增大，鉆頭溫度的最大值與煤體法向應力的關(guān)系如圖3所示，其近似呈線性關(guān)系，擬合曲線為

ΔTtmax=5.1136σ-31.251

式中：ΔTtmax——鉆頭溫度最大值；

σ——煤體法向應力。

受試件尺寸限制，鉆孔深度293mm，記錄到的鉆頭溫度最大值為停鉆后的數(shù)據(jù)，只能作為參考數(shù)據(jù)。實際上，鉆頭溫度上升速率反映了鉆進過程中鉆頭溫度變化規(guī)律。

煤體法向應力為8.9MPa時鉆頭溫度上升速率為0.14℃/s；煤體法向應力為11.1MPa時鉆頭溫度上升速率為0.28℃/s；煤體法向應力為13.3MPa時鉆頭溫度上升速率為0.38℃/s。鉆頭溫度上升速率與煤體法向應力的關(guān)系見圖4所示，鉆頭溫度上升速率隨煤體法向應力的增大而增大，近似呈線性關(guān)系，

擬合曲線為：

vtmax=0.0551σ-0.3448

式中：vtmax——鉆頭溫度上升速率；

σ——煤體法向應力。

圖3 鉆頭溫度最大值與煤體法向應力關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between maximum drillings bit temperature and coal stress

圖4 鉆頭溫度上升速率與煤體法向應力關(guān)系曲圖Fig.4 Relationship between drillings bit temperature rising rate and coal stress

根據(jù)表1做出鉆孔溫度與煤體法向應力的關(guān)系圖（圖5），從圖中可以看出煤體法向應力對鉆孔溫度的升高有顯著影響。在鉆進速度相同的條件下，煤體法向應力越大，鉆孔溫度越高。鉆孔溫度隨煤體法向應力的增大而增大，近似呈線性關(guān)系，擬合曲線為：

ΔTp=0.7795σ -2.6163

式中：ΔTp——鉆孔溫度；

σ——煤體法向應力。

圖5 鉆孔溫度與煤體法向應力關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship between borehole temperature and coal stress

根據(jù)表2做出煤屑溫度與煤體法向應力的關(guān)系圖（圖6），從圖6中可以看出，煤體法向應力對鉆粉溫度有一定影響，但不同孔深處鉆粉溫度變化不大。在鉆進速度相同的條件下，煤體法向應力越大，鉆粉溫度越高。在鉆進速度相同、煤體法向應力也相同的條件下，鉆粉溫度隨時間（孔深）的增加近似呈線性關(guān)系，擬合曲線分別為：

圖6 煤屑溫度與鉆進時間關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationship between drillings temperature and drilling time

鉆進時間t=60s（孔深l=147mm）時煤屑溫度與煤體法向應力值如圖7所示，可得到鉆粉溫度與煤體應力的擬合關(guān)系

圖7 鉆粉溫度與煤體法向應力關(guān)系Fig.7 Relationship between drillings temperature and coal stress

鉆屑量隨煤體法向應力的增加呈線性增大的趨勢，對鉆粉溫度與煤體法向應力進行擬合，得到擬合曲線：

G0=0.0784σ+0.2427

式中：G0——鉆屑量；

σ——煤體法向應力。

實踐已證明鉆屑量可以反映煤體法向應力的大小，為了得到鉆頭溫度、鉆孔溫度、鉆粉溫度與煤體法向應力的關(guān)系，將鉆頭溫度、鉆孔溫度、鉆粉溫度的分析結(jié)果與鉆屑量進行對比分析，鉆屑量與鉆頭溫度、鉆孔溫度、鉆粉溫度的關(guān)系如圖8所示。

圖8 鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度與鉆屑量對比圖Fig.8 com parison of drillings bit temperature，borehole temperature，drillings temperature and drilling cuttings weight

從圖8中可以看出，鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度與鉆屑量有很好的對應關(guān)系。隨鉆屑量的增加，鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度均呈上升趨勢。礦井動力災害預測實踐表明，鉆屑量的大小反映了煤體應力的大小，煤體法向應力增加時，沖擊/突出危險性增加，鉆屑量也增加。由于鉆屑溫度與鉆屑量有很好的對應關(guān)系，所以鉆屑溫度可以作為礦井動力災害的預測參考指標。

3 結(jié)論

（1）煤體在不同應力狀態(tài)條件下，鉆屑溫度的大小也不相同；隨著煤體法向應力水平的增大，鉆屑溫度隨之增大；

（2）在一定范圍內(nèi)，鉆頭溫度最大值、鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、煤屑溫度與煤體法向應力水平基本呈線性關(guān)系。

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