沖擊傾向性煤層注水對(duì)鉆進(jìn)中吸鉆卡鉆的影響及試驗(yàn)

郝志勇，李志偉，潘一山

沖擊傾向性煤層注水對(duì)鉆進(jìn)中吸鉆卡鉆的影響及試驗(yàn)

郝志勇1，李志偉2，潘一山3

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧阜新 123000；3. 遼寧大學(xué) 物理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

應(yīng)用螺旋鉆桿局部預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害時(shí)易發(fā)生吸鉆、卡鉆等鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象。為研究具有沖擊傾向性煤層注水對(duì)吸鉆、卡鉆的影響規(guī)律，通過(guò)建立鉆桿力學(xué)模型分析吸鉆、卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理，探明煤體應(yīng)力和鉆屑量是影響吸鉆、卡鉆發(fā)生的重要影響因素，推導(dǎo)了注水煤體的鉆桿推力、鉆桿扭矩等鉆削力學(xué)參數(shù)計(jì)算公式，分析煤層注水后煤體應(yīng)力重分布規(guī)律與鉆屑量變化規(guī)律，并利用鉆孔多參量測(cè)試系統(tǒng)，在井下對(duì)不同含水率煤體進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，從而研究鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量隨煤體含水率的變化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的吸鉆、卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象，深入研究沖擊傾向性煤層注水對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)及吸鉆、卡鉆力學(xué)特性的影響。研究結(jié)果表明：吸鉆時(shí)，鉆桿推力值明顯降低，卡鉆時(shí)，鉆桿扭矩值急劇升高；鉆桿推力、鉆桿扭矩均值增大幅度和鉆屑量均值減小幅度隨煤體含水率增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；吸鉆、卡鉆點(diǎn)隨煤體含水率的增大逐漸向煤壁深部轉(zhuǎn)移；井下鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量的數(shù)據(jù)變化特征與煤體應(yīng)力分布具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果可為沖擊地壓預(yù)測(cè)和井下鉆孔安全作業(yè)提供一定理論借鑒和工程指導(dǎo)。

沖擊地壓；吸鉆、卡鉆；煤層注水；煤體應(yīng)力

沖擊地壓是由采礦活動(dòng)誘發(fā)的巷道周圍煤巖體因應(yīng)力集中而導(dǎo)致突發(fā)失穩(wěn)破壞的動(dòng)力災(zāi)害[1-3]。近年來(lái)，隨著我國(guó)淺部煤炭資源的枯竭和開(kāi)采深度的加大，沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象頻繁發(fā)生，造成人員傷亡和設(shè)備毀壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重，因此，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與防治是煤礦安全生產(chǎn)活動(dòng)中急需解決的重大工程問(wèn)題[4-6]。煤層注水可提高煤體塑性、降低煤體脆性和強(qiáng)度，使煤體應(yīng)力重新分布，從而降低煤體沖擊傾向性，減小沖擊地壓發(fā)生概率。應(yīng)用螺旋鉆桿局部預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害時(shí)易發(fā)生吸鉆、卡鉆等主要由煤體應(yīng)力場(chǎng)變化引起的鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象。通過(guò)研究沖擊傾向性煤層注水的吸鉆、卡鉆發(fā)生機(jī)理及其影響因素，以及注水煤體鉆削力學(xué)特性，不僅可減少注水煤層鉆孔事故，而且可為沖擊地壓預(yù)測(cè)提供評(píng)判依據(jù)。多年來(lái)，參與研究鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象的眾多學(xué)者和從業(yè)人員，對(duì)井下鉆孔事故發(fā)生原因進(jìn)行了積極探索并取得了重要成果。張明杰等[7]通過(guò)分析鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中煤粉運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定了因煤粉大量積壓產(chǎn)生吸鉆、卡鉆現(xiàn)象的力學(xué)機(jī)理；王二鵬等[8]認(rèn)為煤層地質(zhì)構(gòu)造條件、鉆機(jī)設(shè)備性能易造成孔內(nèi)事故頻發(fā)；程建圣[9]認(rèn)為采場(chǎng)應(yīng)力分布、煤層賦存條件是導(dǎo)致鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象的主要因素；彭桂湘等[10]認(rèn)為巖粉的大量沉淀易造成吸鉆、卡鉆事故；黃勇[11]通過(guò)分析吸鉆、卡鉆發(fā)生機(jī)理，確定鉆孔內(nèi)外氣壓差是產(chǎn)生吸鉆、卡鉆的主要原因；張祖海等[12]認(rèn)為煤層裂隙發(fā)育情況及鉆孔孔壁穩(wěn)定性是誘發(fā)吸鉆、卡鉆現(xiàn)象發(fā)生的重要影響因素；張波[13]認(rèn)為在鉆進(jìn)中因瓦斯大量解吸而裹攜煤粉，在短時(shí)間內(nèi)填滿鉆孔，從而引起孔內(nèi)事故發(fā)生；王永龍等[14]通過(guò)建立卡鉆力學(xué)模型，認(rèn)為鉆孔堵塞后，其孔內(nèi)側(cè)向壓力是形成卡鉆的主要因素。綜上所述，前人對(duì)煤層鉆孔施工事故發(fā)生機(jī)理及其影響因素進(jìn)行了大量研究，然而針對(duì)具有沖擊傾向性煤層注水對(duì)吸鉆、卡鉆的影響及試驗(yàn)研究尚未展開(kāi)。因此，筆者在研究吸鉆、卡鉆發(fā)生機(jī)理及其影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析注水煤層鉆削力學(xué)特性，探究煤層注水對(duì)應(yīng)力分布和鉆屑量的影響，并結(jié)合井下現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)研究具有沖擊傾向性煤層注水對(duì)吸鉆、卡鉆的影響規(guī)律，進(jìn)而為井下安全鉆孔作業(yè)和預(yù)測(cè)沖擊地壓發(fā)生提供一定理論和工程指導(dǎo)。

1 吸鉆、卡鉆發(fā)生機(jī)理及影響因素

1.1 吸鉆發(fā)生機(jī)理及影響因素

鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆屑量的產(chǎn)生與排出是同步進(jìn)行的，正常情況下，鉆桿排屑量大于鉆屑量，使鉆桿整體載荷表現(xiàn)為推力，鉆進(jìn)過(guò)程正常。但在深部煤層鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿在鉆進(jìn)一定深度后，鉆孔周圍煤體應(yīng)力集中程度較高且應(yīng)力值較大，導(dǎo)致煤體脆性度增強(qiáng)、鉆桿鉆屑量增加，當(dāng)鉆屑量大于排屑量時(shí)，會(huì)因鉆屑的持續(xù)積壓而形成壓實(shí)段，在鉆屑?jí)簩?shí)段會(huì)對(duì)鉆桿產(chǎn)生附加的阻力，如圖1所示。

圖1 吸鉆時(shí)鉆桿受力示意

根據(jù)圖1可得：

式中：p為進(jìn)鉆過(guò)程鉆桿推力，kN；n為進(jìn)鉆過(guò)程鉆頭作用在鉆桿的反向作用力，kN；z為進(jìn)鉆排屑過(guò)程鉆屑作用在鉆桿的軸向排屑力，kN；f為進(jìn)鉆過(guò)程煤壁作用在鉆桿的摩擦阻力，kN；yf為進(jìn)鉆過(guò)程壓實(shí)段作用在鉆桿的摩擦阻力，kN；yz為進(jìn)鉆過(guò)程壓實(shí)段作用在鉆桿的軸向排屑力，kN。

分析可知：鉆屑?jí)簩?shí)段形成后，隨鉆屑量的持續(xù)增加，鉆屑?jí)簩?shí)段達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，導(dǎo)致煤體壓實(shí)段鉆桿所受軸向排屑力yz增量大于摩擦阻力yf增量；由式(1)可知，當(dāng)滿足yf

1.2 卡鉆發(fā)生機(jī)理及影響因素

卡鉆與吸鉆不同，吸鉆時(shí)鉆機(jī)尚能進(jìn)行鉆進(jìn)工作，只是鉆桿推力值等發(fā)生異常。而卡鉆屬于鉆進(jìn)工作無(wú)法正常進(jìn)行，鉆桿既無(wú)法前進(jìn)也無(wú)法后退，導(dǎo)致鉆桿報(bào)廢。鉆桿在深部煤層鉆進(jìn)時(shí)，煤體應(yīng)力較大，鉆屑量較多，當(dāng)鉆屑量大于排屑量的差量累積到一定程度時(shí)，將導(dǎo)致鉆孔發(fā)生堵塞。此外，由于深部煤層在鉆進(jìn)過(guò)程中孔壁失穩(wěn)嚴(yán)重，極易發(fā)生噴孔、塌孔等孔內(nèi)事故，帶出大量鉆屑瞬間填滿排屑空間，更易造成鉆孔堵塞，在鉆屑堵塞段會(huì)對(duì)鉆桿產(chǎn)生附加的扭矩，當(dāng)鉆桿繼續(xù)進(jìn)鉆時(shí)，作用在鉆桿上的扭矩如圖2所示。

圖2 卡鉆進(jìn)鉆時(shí)鉆桿扭矩示意

根據(jù)圖2可得：

當(dāng)鉆桿退鉆時(shí)，鉆桿受力如圖3所示。

根據(jù)圖3可得：

2 注水煤層鉆削力學(xué)特性

煤層注水后，水會(huì)以多種運(yùn)動(dòng)方式滲入到煤體的孔隙和裂隙中，在其表面形成一層水膜，這些水膜通過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)作用使煤體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)改變。因此，在注水煤層中進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)時(shí)，鉆桿的整體受力情況也會(huì)隨之發(fā)生變化，其受力如圖4所示。

圖4 注水煤層鉆桿受力示意

由圖4得鉆桿受力平衡方程為：

由此可計(jì)算當(dāng)鉆桿鉆進(jìn)深度為時(shí)：

根據(jù)文獻(xiàn)[15]計(jì)算可得：

由此，根據(jù)文獻(xiàn)[16]計(jì)算可得：

式中：為鉆頭導(dǎo)熱系數(shù)；為刀具前切削面與剪切面夾角，(o)；為刀具與界面摩擦力，kN。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，計(jì)算推導(dǎo)可得：

將上述公式代入式(4)中可推得鉆桿推力與鉆桿扭矩。

由上述公式可知，煤層注水后，煤體摩擦因數(shù)明顯降低，導(dǎo)致鉆孔過(guò)程中的鉆桿力學(xué)參數(shù)隨之減小，從而對(duì)吸鉆、卡鉆的發(fā)生機(jī)制產(chǎn)生顯著影響。

3 煤層注水對(duì)吸鉆卡鉆的影響

深部煤體開(kāi)采前，煤體處于三向應(yīng)力穩(wěn)定平衡狀態(tài)。當(dāng)井下進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，工作面前方煤體力學(xué)平衡態(tài)被打破，使煤體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，依次形成卸壓區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[17]。當(dāng)煤層注水后，由于煤體的多孔屬性，導(dǎo)致其應(yīng)力分布也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。隨煤體含水率增大，不但軟煤被完全濕潤(rùn)，部分硬煤也被水濕潤(rùn)軟化，塑性增加，彈性降低，形成卸壓且應(yīng)力降低，從而使煤層中卸壓區(qū)厚度增大，塑性區(qū)、彈性區(qū)相應(yīng)前移，進(jìn)而使煤體高應(yīng)力集中區(qū)域向煤壁深部轉(zhuǎn)移。同時(shí)，注水后煤體應(yīng)力集中程度也會(huì)下降[18]，如圖5所示。

圖5 注水前后煤體應(yīng)力分布示意

吸鉆、卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象多發(fā)生于煤體高應(yīng)力集中區(qū)域且伴有鉆屑量明顯增多的現(xiàn)象。煤層注水后，煤體應(yīng)力隨之改變，導(dǎo)致鉆桿發(fā)生吸鉆、卡鉆時(shí)與之相對(duì)應(yīng)的鉆孔特征值及鉆屑量發(fā)生明顯變化，從而對(duì)吸鉆、卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生產(chǎn)生顯著影響。隨煤體含水率增大，鉆屑黏聚力逐漸增大，抗剪強(qiáng)度增加，導(dǎo)致鉆孔過(guò)程中鉆桿推力和鉆桿扭矩增加，同時(shí)因注水后煤體應(yīng)力降低、高應(yīng)力集中區(qū)域深移且孔壁穩(wěn)定性增強(qiáng)等特征變化，使得鉆孔過(guò)程中鉆屑量明顯降低且最大鉆屑量出現(xiàn)位置明顯滯后，從而導(dǎo)致吸鉆、卡鉆發(fā)生時(shí)的孔深加大。由于井下煤層構(gòu)造及埋藏深度不同，導(dǎo)致不同區(qū)域煤層含水率各異，因此，需在不同煤體含水率情況下，通過(guò)試驗(yàn)深入探究吸鉆、卡鉆力學(xué)特性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由注水設(shè)備(注水泵、水箱、高壓管路、封孔器等組成)、鉆孔設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)處理終端設(shè)備、液壓恒阻力推進(jìn)系統(tǒng)等組成，本試驗(yàn)利用推力–扭矩傳感器和稱重傳感器對(duì)鉆孔過(guò)程中的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用智能數(shù)字采集儀和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量的采集和顯示。

4.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定注水煤層在不同含水率時(shí)發(fā)生吸鉆、卡鉆孔的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量數(shù)值，研究煤體不同含水率時(shí)測(cè)定值的變化規(guī)律，獲得沖擊傾向性煤層注水對(duì)吸鉆、卡鉆發(fā)生的影響規(guī)律。

4.3 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南某礦井下深度1 200 m丁戊組原煤處，該處煤層具有一定沖擊傾向性，工作面可采性指數(shù)0.98，平均走向長(zhǎng)度67 m，平均傾斜長(zhǎng)度56 m，面積3 752 m2，煤層厚度約為56 m，煤層傾角約為8°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該處煤質(zhì)及構(gòu)造進(jìn)行勘驗(yàn)分析，最終選定注水壓力為8 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)該處煤體進(jìn)行了濕潤(rùn)半徑的考察[19-20]，確定在8 MPa注水壓力作用下煤體濕潤(rùn)半徑為4 m左右。注水前，在回采面中下部利用42 mm螺旋鉆桿依次施工2個(gè)孔徑為42 mm、孔深10 m和孔間距9 m的注水孔，然后將注水孔用封孔器封孔后，利用注水系統(tǒng)對(duì)兩孔同時(shí)進(jìn)行注水，兩天后在每個(gè)注水孔濕潤(rùn)半徑影響范圍內(nèi)及未注水煤體處保持鉆機(jī)以0.21 m/min的給進(jìn)速度、614 r/min的回轉(zhuǎn)速度每隔1 m施工一個(gè)試驗(yàn)鉆孔，每個(gè)鉆孔鉆進(jìn)深度為8.5 m，從而消除回轉(zhuǎn)速度、給進(jìn)速度等鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，而固定的給進(jìn)速度可通過(guò)鉆機(jī)配套的液壓恒阻力推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用鉆孔多參量測(cè)試系統(tǒng)對(duì)各個(gè)試驗(yàn)鉆孔的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量進(jìn)行測(cè)試。為敘述、對(duì)比及數(shù)據(jù)整理方便，同時(shí)為簡(jiǎn)化試驗(yàn)孔分布示意圖，挑選了在兩個(gè)注水孔附近均出現(xiàn)吸鉆、卡鉆的鉆孔，一方面便于對(duì)比分析注水范圍半徑內(nèi)，含水率對(duì)各鉆孔鉆進(jìn)參數(shù)的影響，另一方面也便于結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的吸鉆、卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象，其中1號(hào)—2號(hào)孔為未注水鉆孔，3號(hào)—10號(hào)孔為注水鉆孔，鉆孔位置布置如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)孔分布示意

由圖6觀察可知，發(fā)生吸鉆與卡鉆孔的鉆進(jìn)深度不同，且在卡鉆孔中隨煤體含水率不同，卡鉆孔的最大鉆進(jìn)深度也不盡相同。

應(yīng)用刻槽法對(duì)煤體鉆進(jìn)取樣測(cè)得各試驗(yàn)孔含水率(表1)。

表1 試驗(yàn)孔含水率

由表1可知，該區(qū)域煤體原始平均含水率較低，且在注水濕潤(rùn)半徑影響范圍內(nèi)，由近及遠(yuǎn)煤體平均含水率依次降低，試驗(yàn)結(jié)束后，將上述各試驗(yàn)孔的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集回收并分析處理。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.4.1 吸鉆、卡鉆孔試驗(yàn)分析

1、3、5、7、9號(hào)試驗(yàn)孔為吸鉆孔，2、4、6、8、10號(hào)試驗(yàn)孔為卡鉆孔，卡鉆孔與吸鉆孔不同，其鉆進(jìn)深度未能達(dá)到試驗(yàn)前設(shè)想的8.5 m，試驗(yàn)完成后將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集回收，并利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行整理分析，去掉初始段不合理數(shù)據(jù)并加以整合，得到各吸鉆孔鉆桿推力隨鉆進(jìn)深度變化曲線(圖7)，各卡鉆孔鉆桿扭矩隨鉆進(jìn)深度變化曲線(圖8)，為進(jìn)一步驗(yàn)證鉆桿推力、鉆桿扭矩隨孔深的變化規(guī)律，繪制各吸鉆孔鉆屑量隨孔深變化曲線(圖9)，各卡鉆孔鉆屑量隨孔深變化曲線(圖10)，為更加直觀反映各鉆進(jìn)參數(shù)變化幅度，計(jì)算各鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程鉆進(jìn)參數(shù)整體均值，見(jiàn)表2，其隨含水率變化情況如圖11所示。

圖7 吸鉆孔鉆桿推力隨鉆進(jìn)深度變化曲線

Fig.7 Variation of drill pipe thrust of suction hole with drilling depth

圖8 卡鉆孔鉆桿扭矩隨鉆進(jìn)深度變化曲線

由圖7和圖9可知，對(duì)于未注水1號(hào)吸鉆孔的鉆桿推力和鉆屑量有如下特征：①1.0~3.0 m段鉆桿推力和鉆屑量隨鉆進(jìn)深度增加而增大，而鉆屑量增幅較低，說(shuō)明煤體處于卸壓區(qū)，該區(qū)域煤體已屈服并大體破碎，鉆桿推力和鉆屑量隨煤體應(yīng)力增大而增加；②3.0~4.8 m段鉆桿推力逐漸減小，在4.8 m處達(dá)到峰值最低，而鉆屑量逐漸增加，在4.8 m處達(dá)到峰值最高，說(shuō)明煤體處于塑性區(qū)，此區(qū)域煤體應(yīng)力升高，煤體脆性度較大，導(dǎo)致鉆桿鉆屑量遠(yuǎn)大于排屑量而形成一定長(zhǎng)度的鉆屑?jí)簩?shí)段，此時(shí)鉆桿所受排屑阻力增量大于摩擦阻力增量，導(dǎo)致鉆桿推力減小，鉆桿出現(xiàn)被“吸”的趨勢(shì)，吸鉆即發(fā)生；③ 4.8~ 8.0 m段鉆桿推力呈增大狀態(tài)，但鉆屑量持續(xù)降低，說(shuō)明煤體處于彈性區(qū)，此區(qū)域煤體應(yīng)力逐漸降低，鉆屑量隨之減少，此時(shí)鉆桿所受摩擦阻力增量大于排屑阻力增量，使鉆桿推力逐漸增大；④鉆進(jìn)深度大于8 m時(shí)煤體處于原巖應(yīng)力區(qū)，此區(qū)域煤體應(yīng)力趨于穩(wěn)定，因此，鉆桿推力和鉆屑量也達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值。

圖9 吸鉆孔鉆屑量隨鉆進(jìn)深度變化曲線

圖10 卡鉆孔鉆屑量隨鉆進(jìn)深度變化曲線

表2 鉆進(jìn)參數(shù)整體均值

由圖8和圖10可知，對(duì)于未注水2號(hào)卡鉆孔的鉆桿扭矩和鉆屑量有如下特征：①1.0~4.4 m段鉆桿扭矩和鉆屑量均隨鉆進(jìn)深度增加而增大，說(shuō)明此區(qū)域煤體應(yīng)力逐漸升高，導(dǎo)致鉆屑量增加，因此，鉆桿所受排屑力矩逐漸增大，使鉆桿扭矩逐漸增大。② 4.4~4.8 m段鉆桿推進(jìn)緩慢且鉆屑量驟減，鉆桿扭矩?cái)?shù)值也陡然增大，說(shuō)明此區(qū)域隨煤體應(yīng)力的持續(xù)增大，鉆屑量不斷累積，此時(shí)鉆桿鉆屑量遠(yuǎn)大于排屑量而形成一定長(zhǎng)度的鉆屑堵塞段，導(dǎo)致鉆屑無(wú)法排出，鉆屑量驟減，鉆桿無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)破煤，此時(shí)鉆桿所受總阻力矩大于鉆機(jī)所能提供的最大扭矩，鉆桿無(wú)法前進(jìn)。當(dāng)鉆桿退鉆時(shí)，因鉆屑堵塞段鉆屑量的累積，使鉆桿所受總阻力大于鉆機(jī)起拔力，鉆桿無(wú)法后退。此時(shí)，鉆桿既無(wú)法前進(jìn)也無(wú)法后退，鉆桿即卡鉆。③由鉆桿扭矩和鉆屑量變化規(guī)律可知，該處工作面煤體應(yīng)力峰值點(diǎn)位于煤體前方4.8 m處，卡鉆點(diǎn)也與其基本吻合。

圖11 鉆進(jìn)參數(shù)均值隨含水率變化曲線

由圖7—圖11可知，對(duì)于注水3、5、7、9號(hào)吸鉆孔及4、6、8、10號(hào)卡鉆孔對(duì)應(yīng)的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量有如下特征：①煤層注水后，隨各吸鉆、卡鉆孔煤體含水率的增大，鉆桿推力、鉆桿扭矩整體均值逐漸增大、鉆屑量整體均值逐漸減小，說(shuō)明注水后煤體應(yīng)力有所降低，導(dǎo)致鉆屑量逐漸減小，而鉆桿推力、鉆桿扭矩值卻并沒(méi)有隨煤體應(yīng)力的降低而減小，原因在于注水后鉆屑的黏聚力增大，抗剪強(qiáng)度增加，因此導(dǎo)致鉆桿推力、鉆桿扭矩逐漸增大；②吸鉆起始點(diǎn)隨相應(yīng)煤體含水率的增大而依次為3.3(3號(hào))、3.7(5號(hào))、3.9(7號(hào))、4 m(9號(hào))，卡鉆終結(jié)點(diǎn)隨相應(yīng)煤體含水率的增大而依次為5.1(4號(hào))、5.5(6號(hào))、5.7(8號(hào))、5.8 m(10號(hào))，說(shuō)明煤體含水率越大，煤體卸壓區(qū)厚度越大，應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移幅度增大，煤層注水后大大延緩了吸鉆、卡鉆發(fā)生的位置；③隨煤體含水率增大，鉆桿推力、鉆桿扭矩整體均值增大幅度和鉆屑量減小幅度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，且煤體含水率為5.84%和6.67%的鉆桿推力、鉆桿扭矩和鉆屑量數(shù)值接近，說(shuō)明煤體含水具有一定的飽和性，其力學(xué)性質(zhì)并不能隨含水率的增大而持續(xù)保持相應(yīng)程度的改變，且含水率為6.67%已接近于該區(qū)域煤體水飽和態(tài)。

4.4.2 鉆削參數(shù)理論與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析

以鉆進(jìn)深度3 m為例，因在相同采深注水煤層附近鉆孔，煤體的物理特性差異性較小，注水煤體物理參數(shù)以礦井實(shí)際測(cè)試和計(jì)算數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，鉆桿和鉆頭各個(gè)參數(shù)由實(shí)際使用型號(hào)確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的工作面情況，測(cè)試點(diǎn)5號(hào)和6號(hào)試驗(yàn)孔的煤體水平地應(yīng)力均約為1.28 MPa，垂直地應(yīng)力分別約為3.26 MPa和3.25 MPa，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆機(jī)參數(shù)值計(jì)算此時(shí)5號(hào)和6號(hào)孔鉆桿推力值和鉆桿扭矩值分別為5.16 kN和30.9 N·m，較之實(shí)測(cè)鉆桿推力值(5.33 kN)和鉆桿扭矩值(32.2 N·m)分別減小了3.11%和3.50%，究其原因可能是受煤體濕潤(rùn)均勻度和地質(zhì)條件等因素的影響，從而導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試值比理論計(jì)算值略大。

5 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)沖擊傾向性煤層注水前后的吸鉆、卡鉆現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，吸鉆、卡鉆點(diǎn)隨煤體含水率的增大相應(yīng)向煤壁深部轉(zhuǎn)移。

b.吸鉆、卡鉆現(xiàn)象發(fā)生時(shí)伴有明顯特征：吸鉆時(shí)，鉆桿推力值明顯降低；卡鉆時(shí)，鉆桿扭矩值急劇升高。因此，可根據(jù)鉆桿推力、鉆桿扭矩特征值判斷吸鉆、卡鉆是否發(fā)生。

c. 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水鉆孔試驗(yàn)表明：鉆桿力學(xué)參數(shù)的增幅隨煤體含水率的增大而具有一定界限，說(shuō)明煤體含水具有一定的飽和性，因此，在井下煤層注水防沖試驗(yàn)中應(yīng)選擇合理的注水參數(shù)。

d. 鉆桿推力、鉆桿扭矩和鉆屑量與煤體應(yīng)力分布具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且吸鉆、卡鉆點(diǎn)與煤體應(yīng)力峰值具有較好的一致性。

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Influence of water injection in burst-prone coal seam on suction and sticking during drilling

HAO Zhiyong1, LI Zhiwei2, PAN Yishan3

(1. College of Innovation and Practice, Liaoning University of Engineering and Technology, Fuxin 123000, China; 2. Graduate School, Liaoning University of Engineering and Technology, Fuxin 123000, China; 3. College of Physics, Liaoning University, Shenyang 110136, China)

When the spiral drill pipe is used to predict and evaluate the dynamic disasters such as rock burst, the drilling dynamic phenomena such as suction and sticking are easy to occur. In order to study the influence of water injection in burst-prone coal seam on suction and sticking, the mechanism of dynamic phenomenon of suction and sticking was analyzed by establishing the mechanical model of drill pipe, pointing out that the stress of coal body and the amount of drilling cuttings are the important factors that affect the occurrence of suction and sticking, deriving the calculation formula of drilling mechanical parameters such as drill pipe thrust and drill pipe torque under different water content, and clarifying the calculation formula. After the coal seam had been injected with water, the law of stress redistribution and the law of the change of the amount of cuttings in the coal body were studied. The multi parameter drilling test system was used to drill the coal body with different water content in the underground, so as to study the law of the change of the drill pipe thrust, the drill pipe torque and the amount of cuttings with the water content of the coal body. Combined with the dynamic phenomenon of suction and sticking observed in the field, the influence of water injection in burst-prone coal seam on the mechanical properties of coal body and the mechanical properties of suction and sticking was studied. The results show that: During suction , the thrust value of the drill pipe decreased obviously, and during sticking , the torque value of the drill pipe increased sharply ; The increase range of drill pipe thrust, torque mean and the decrease range of drilling cuttings mean increased first and then decreased with the increase of water content in coal body; The suction and sticking points gradually transfer to the depth of coal wall with the increase of water content in coal body; The data variation characteristics of downhole drill pipe thrust, torque and drilling cuttings amount corresponded well with the stress distribution of coal body. The study can provide some theoretical and engineering guidance for the prediction of rock burst and safe drilling operation.

rock burst; suction and sticking; seam water injection; coal stress

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.033

1001-1986(2020)03-0231-08

2019-06-28；

2020-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金項(xiàng)目(51674133)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0804208)

National Natural Science Foundation of China(51674133)；National Key R&D Program of China(2017YFC0804208)

郝志勇，1979年生，男，山西代縣人，博士，教授，從事機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制、機(jī)械裝備動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別理論與方法研究. E-mail：chinaren_1314@163.com

李志偉，1993年生，男，遼寧阜新人，碩士，從事沖擊地壓災(zāi)害機(jī)理與防治技術(shù)研究工作. E-mail：465247216@qq.com

郝志勇，李志偉，潘一山. 沖擊傾向性煤層注水對(duì)鉆進(jìn)中吸鉆卡鉆的影響及試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：231–238.

HAO Zhiyong，LI Zhiwei，PAN Yishan. Influence of water injection in burst-prone coal seam on suction and sticking during drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：231–238.

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)