基于鉆桿推力法結(jié)合鉆桿位移預(yù)測圍巖應(yīng)力的研究*

王春華，王　超，陳奕帆

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000； 3.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0　引言

沖擊地壓一般指巖爆，是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象[1]。隨著時間的推移，對能量的需求大大增加，導(dǎo)致開采強度的不斷增大。深部開采工程中產(chǎn)生的巖石力學(xué)問題是目前國內(nèi)外采礦及煤巖力學(xué)界研究的焦點，國內(nèi)外學(xué)者通過理論研究、室內(nèi)及現(xiàn)場實驗研究取得了大量的成果[2]。

在鉆削開采過程中，實質(zhì)是對煤巖進行卸載內(nèi)部應(yīng)力的過程，一旦煤巖表面受到破壞，內(nèi)部的彈性變形勢能失去平衡，發(fā)生沖擊地壓的可能性大大增加[1-6]。因此針對不同煤體應(yīng)力條件下，了解開采時鉆桿受到的推力及鉆桿位移的變化規(guī)律反演煤體應(yīng)力，從而達到預(yù)測沖擊地壓的效果。

目前對于沖擊地壓的研究還在進行中，潘一山[3]通過理論分析和試驗研究相結(jié)合，總結(jié)了鉆孔過程中鉆屑溫度變化規(guī)律與煤體應(yīng)力及鉆屑量具有較好的一致性。李忠華[4]等針對煤體法向應(yīng)力測試問題,基于煤體法向應(yīng)力的變化引起鉆屑溫度改變的實際,通過實驗室實驗,研究了鉆屑溫度與煤體法向應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系。徐連滿等[5]通過鉆桿扭矩法以恒定的速度推進單位長度鉆孔，測試鉆孔過程中鉆機對鉆桿輸出扭矩大小及變化規(guī)律，來反映煤體應(yīng)力的大小及該區(qū)域沖擊危險性。但由于煤巖自身的不均勻性,往往會使得實驗結(jié)果誤差較大。

煤巖內(nèi)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，整體結(jié)構(gòu)的不均勻性也導(dǎo)致了相關(guān)研究結(jié)果的適用性[6]，因此針對不同的煤巖，應(yīng)設(shè)置多個參數(shù)指標(biāo)來確保預(yù)測沖擊地壓的準(zhǔn)確性，包括：鉆具參數(shù)、鉆機工況參數(shù)、煤巖性質(zhì)、瓦斯應(yīng)力等等。

在目前的相關(guān)研究中，對煤體應(yīng)力衡量要素大多比較單一[7]，很少的研究中會出現(xiàn)多種因素的研究方式，通過耦合使其聯(lián)系起來得出一個較為有說服力的結(jié)果。本文將鉆桿推力法、鉆桿位移二者相互結(jié)合，建立力學(xué)模型，理論結(jié)合試驗，對沖擊地壓的預(yù)測做進一步研究。

1　鉆桿推力法與鉆桿位移理論基礎(chǔ)

鉆桿推力法是向鉆桿有規(guī)律的施加推力，通過分析隨著推力變化而發(fā)生變化的鉆屑量、鉆屑溫度與發(fā)生變化的鉆桿扭矩對煤體應(yīng)力、煤體強度進行推算，以實現(xiàn)預(yù)測沖擊地壓的功能。

在使用鉆削裝置進行工作時，鉆機提供鉆桿推力，并推進鉆桿前進，煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的深度有著不同的特性，由于這種不穩(wěn)定性，導(dǎo)致鉆屑設(shè)備受到的反作用力持續(xù)變化。

以下是鉆桿力學(xué)模型建立：

在使用煤電鉆及麻花鉆桿向煤體中打鉆的過程中，主要受到自身鉆機裝置提供給鉆桿的推進力Ft、扭矩Mn；當(dāng)鉆頭貼近煤巖時，煤巖作用在鉆桿上的力Fm、扭矩Mm；鉆屑作用給鉆桿的排屑力Fp、排屑扭矩Mp。本文中所研究的鉆桿扭矩和鉆屑推力是指煤電鉆作用給鉆桿的扭矩Mn和推力Ft，如圖1所示，接下來僅考慮鉆桿推力及鉆桿位移建立力學(xué)模型。

圖1　鉆桿受力示意Fig.1　Schematic diagram of drill pipe force

鉆桿的受力平衡方程為：

Ft=Fm-Fp

(1)

Mn=Mp+Mm

(2)

根據(jù)朱麗媛等[6]推導(dǎo)，有：

(3)

式中：c為黏聚力；b為切削刀刃寬；h為切割深度；φ為摩擦角；σk為巖石抗壓強度；S′為切削刀與巖石接觸面積；γ，φ，φ，ψ為與鉆桿幾何參數(shù)有關(guān)。

設(shè)鉆桿鉆進的深度為χz，則沿鉆桿軸線方向的排屑力可表示為[7]：

(4)

將式(3)、式(4)代入式(1)，由于得出結(jié)果復(fù)雜，為了便于分析其中各個變量對推力的影響，對其進一步化簡，即可得到鉆機推進力Ft，理論公式：

(5)

(6)

在鉆削過程中設(shè)鉆機鉆桿的轉(zhuǎn)速為n1,鉆進位移為y，鉆桿排屑力為Fp，鉆屑過程中由于煤巖的不均勻性，鉆桿在受到Fp的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個大小為ΔFp的動載切削力。當(dāng)鉆進位移很小時，分析普通鉆削時鉆進位移的運動微分方程：

(7)

2μ=ε/mz

(8)

令鉆桿推力和煤體應(yīng)力的關(guān)系為[7]：

Ft=a1σm+a2

(9)

式中：Ft為鉆桿扭矩；σm為煤體應(yīng)力；a1，a2為常數(shù)。鉆桿推力和時間的關(guān)系可以表示為：

(10)

(11)

式中：p為電機功率。

根據(jù)式(6)、式(11)可以看出，其他因素不變時，在鉆削過程中鉆桿推進力的大小與鉆孔處鉆進位移變化量、煤體應(yīng)力及煤體強度相關(guān)。一旦上述因素增大，都將引起鉆桿推進力的增加；當(dāng)鉆進速度減小，鉆桿位移量減小，此時增加鉆屑強度，位移變化量增大，鉆桿推進力將會增大。

2　試驗系統(tǒng)介紹

2.1　試驗?zāi)Ｐ图霸O(shè)備

實驗試件準(zhǔn)備，通過模具制作出尺寸為400 mm3的正方體試件2種，原料采用沙子、水泥、煤塊、水。水泥和沙子的比例為1∶4混合，試件4周為水泥包裹，中心部位為煤塊，隨后需要20 d的時間進行水養(yǎng)護，保證試件的強度，證件實物如圖2所示。

圖2　試件實物圖Fig.2　Specimen physical map

本次采用新型鉆削裝置，如圖3所示。

圖3　新型鉆削設(shè)備Fig.3　New drilling equipment

2.2　傳感器介紹

本實驗采用推力，位移傳感器，如圖4(a)、(b)所示。在鉆削的過程中傳感器實時的采集數(shù)據(jù)，頻率為300 Hz，利用應(yīng)變效應(yīng)，在鉆機推進過程中，試件對鉆桿的反作用力使應(yīng)變片發(fā)生變化，精度誤差為1%。

圖4　推力、位移傳感器實物Fig.4　Thrust and displacement sensor physical diagram

依照原結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，設(shè)置傳感器結(jié)構(gòu)，經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)定，實際使用時，只需輸入靈敏度即可正常使用。

2.3　試驗方法

本次試驗按照以下步驟進行：

1)準(zhǔn)備試驗試件，2種規(guī)格。

2)將試件放入鉆屑容器中，向A，B靠攏貼合，在4側(cè)用吊耳連接，如圖5所示，利用天吊將整件試驗塊拉至試驗臺，移動到指定試驗位置。

圖5　試件容器實物Fig.5　Specimen container physical figure

3)利用電腦數(shù)控，使壓力機緩慢向下，對試件施加軸壓，直至軸壓符合試驗標(biāo)準(zhǔn)。

4)將空氣動力機中兩端輸出口與試驗容器A,B進油口連接施加圍壓，如圖6所示。

圖6　試件容器軸壓圍壓施壓示意Fig.6　Axial compression pressure confining pressure diagram

5)檢查傳感器系統(tǒng)，確認無誤后開機。

6)打開空氣壓縮機開關(guān)，提供2 MPa風(fēng)力，開始鉆削，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，鉆桿位移依靠手動前進。

7)鉆削完畢，回收數(shù)據(jù)，整理實驗器材。

試驗施加軸壓、圍壓的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　400 mm3試件試驗室軸壓圍壓數(shù)據(jù)Table 1　400 mm3 Specimen pressure test table

3　試驗測試數(shù)據(jù)分析

在不同試驗工況下，每次鉆孔時間約為120 s，采樣頻率300 Hz，由于頻率過高，后期對數(shù)據(jù)進行平均值重采樣，分別得到400 mm3試件3種變化曲線，如圖7所示。

圖7　不同推力、位移-時間變化曲線Fig.7　Torque, thrust under different time curves

圖7變化曲線可分為3個階段：

1)鉆機開機階段(0～20 s)：鉆削裝置啟動，鉆桿的推力趨于0值上下有微微波動，位移量為0值。

2)鉆削階段(20～100 s)：此時對煤巖進行鉆削，卸載煤體應(yīng)力是該過程的實質(zhì)，由曲線可以看出，當(dāng)煤體應(yīng)力增大，推力減小，位移變化量減小；煤體應(yīng)力減小，推力增大，位移變化量增大。

3)鉆桿退出階段(100～120 s)：試件鉆削完畢，鉆桿快速退出，鉆桿推力有明顯的下降趨勢，在退出過程中還會接觸到煤壁、煤渣，所以這個階段波動較大，最后處于空載的穩(wěn)定值。

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，在鉆機其他方面因素不變時，鉆桿推力的變化主要受煤體應(yīng)力的影響，在鉆削時，煤體應(yīng)力不同，卸載的時間也不同，鉆孔的實質(zhì)就是卸載內(nèi)部煤體應(yīng)力，所以鉆桿鉆削過程中，四周對鉆桿的應(yīng)力逐漸減小，孔周圍煤體越來越松軟，鉆桿推力逐漸減小。鉆桿推力、鉆桿位移與煤體應(yīng)力有很好的對應(yīng)關(guān)系，煤體壓力不同時卸壓時間與所需要施加推力也會不同。因此通過鉆桿推力大小變化可反映煤體應(yīng)力大小變化，在工程應(yīng)用中可以作為預(yù)測煤礦動力災(zāi)害的指標(biāo)。選取試件20～100 s時間段內(nèi)，鉆桿推力平均與煤體應(yīng)力對比圖，并得到擬合曲線如圖8所示。

圖8　鉆桿推力平均值-煤體應(yīng)力對比Fig.8　Drill pipe average average thrust, torque and coal stress contrast figure

4　結(jié)論

1)建立了數(shù)學(xué)模型，通過理論分析得到了鉆桿推力、位移的理論計算公式，并建立在考慮位移條件下鉆桿動力學(xué)模型，在鉆進時的振動會減緩應(yīng)力集中的效果。

2)試驗結(jié)果得出了鉆桿推力與煤體應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，并得出曲線，理論與試驗均表明鉆桿推力可以反演出煤體應(yīng)力的大小。

3)目前鉆桿推力法和鉆桿位移相結(jié)合的研究還不夠完善，應(yīng)結(jié)合實際工況條件下進行再次驗證，以確保此方法的可信度，保證試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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