煤礦井下硬巖氣動沖擊回轉鉆進效率研究

鐘 鋒，唐勝利*，王 力，邵 祎

（1.西安科技大學地質與環(huán)境學院，陜西西安 710054；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077）

淮南礦區(qū)作為我國主要煤炭生產(chǎn)基地，目前主要采用穿層鉆孔解決瓦斯或水害問題，在實際生產(chǎn)過程中，鉆孔需要穿越多層巖層，尤其遇到堅硬巖層，采用PDC 鉆頭回轉鉆進的方法，鉆進速度低，鉆頭磨損嚴重，施工周期長，影響煤礦井下安全高效生產(chǎn)［1-2］。對于煤礦井下巖石硬度大于10 的硬巖和極硬巖，需要考慮在回轉鉆進基礎上施加沖擊載荷，形成沖擊回轉鉆進方法［3-4］。目前有關學者針對沖擊破巖進行了如下研究：李瑋等在振動學理論基礎上分析了巖石在高頻沖擊下各參數(shù)的振動關系［5］。何霞等分析了不同巖性巖石對鉆頭侵入深度的影響，認為巖石破碎的過程分為4 個階段［6］。祝效華等建立了破巖仿真模型，分析了后傾角、側傾角、切削深度、圍壓等因素對破巖能效的影響［7］。祝效華等分析了沖擊功、沖擊末速度、鉆壓、沖擊頻率、轉速、井深及巖性對破巖能效的影響［8］。卜長根等應用ANSYS/LS-DYNA 分析了球齒鑿入不同孔隙率巖石的沖擊特性，認為巖石孔隙率越大，球齒鑿入的沖擊力越?。?］。

由于進行現(xiàn)場試驗難度大、成本高，一般對于沖擊破巖的研究僅采用數(shù)值仿真分析或室內實驗的方法，研究手段單一，針對不同鉆進工藝參數(shù)對機械鉆速的影響關系研究較少。因此，本文針對淮南礦區(qū)鉆進硬巖所遇到的問題，采用中風壓氣動沖擊回轉鉆進方法，運用Workbench/LS-DYNA 顯示動力學仿真軟件進行不同氣體壓力和不同鉆機轉速對機械鉆速的影響規(guī)律研究，并進行現(xiàn)場試驗，優(yōu)選出適合硬巖鉆進的最優(yōu)參數(shù)組合。研究結果對其他煤礦井下硬巖用氣動沖擊回轉鉆進方法具有一定參考意義。

1 建立仿真模型

1.1 模型假設

氣動沖擊回轉鉆進是在一般回轉鉆進鉆具的基礎上加一個氣動沖擊器，沖擊器將壓縮空氣的能量經(jīng)過內部活塞反復作用傳遞給鉆頭，鉆頭在沖擊載荷和回轉切削作用下進行碎巖［10］。在鉆進過程中直接影響機械鉆速的因素有沖擊頻率、氣體壓力、給進壓力、鉆機轉速等參數(shù)，參數(shù)之間合理搭配才能發(fā)揮沖擊器最大工作效率［11］。為了更好的用仿真軟件分析鉆頭破巖過程，對鉆頭和巖體進行如下假設［12-14］：

1）將鉆頭視為一剛性體，只考慮鉆頭軸向方向上的位移情況，不考慮鉆頭變形、磨損。

2）將氣動沖擊器沖擊鉆頭的沖擊能等效為一個沖擊壓力作用于鉆頭尾部端面。

3）破碎的巖屑能夠及時離開鉆孔，即破碎失效的巖體單元被即刻刪除。

4）巖石為均勻、連續(xù)的各向同性材料。

1.2 模型材料及網(wǎng)格

采用Design-Modeler 三維建模軟件進行建模，鉆頭直徑為100mm，巖體為120mm×120mm×30mm 的方塊體，然后導入LS-DYNA 中進行前處理。對鉆頭整體采用自由網(wǎng)格劃分，整體采用2mm，切削齒進行1mm 加密處理，對巖體采用六面體網(wǎng)格劃分方法，并定義為2mm，建模及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

圖1 鉆頭和巖體網(wǎng)格劃分模型Figure 1 Mesh generation model of drill bit and rock mass

本次模擬巖體材料基于淮南礦區(qū)實際鉆進過程中所遇到的硬質砂巖，密度為2.7g/cm3，抗壓強度為110MPa，巖體本構模型為Mohr-Coulomb 模型，采用線彈性材料，并定義塑性應變失效，鉆頭采用等效密度［15］。

1.3 邊界條件、載荷和接觸設置

在Workbench/LS-DYNA 仿真設置中，將鉆頭與巖體之間面和體的接觸設置為侵蝕接觸，鉆頭切削齒設置為目標面，巖體設置為接觸面，動摩擦系數(shù)為0.3，剛度控制均設置為1［16］，采用Lagrange 算法。將巖體底面和四個側面設置為無限無反射邊界，用以模擬巖體無限區(qū)域的情況，同時設置巖體底面為固定面［17］。仿真分析時間為0.08s，將活塞沖擊鉆頭的作用力等效轉換為三角形沖擊載荷，在0.04s時達到最大，并分別施加不同的沖擊壓力，用以模擬不同氣體壓力工況下的鉆進效果；并搭配不同鉆機轉速，用以模擬不同轉速工況下的鉆進效果；同時對巖體施加10MPa圍壓，模擬其初始地應力。

2 仿真結果分析

在氣動沖擊回轉鉆進實際作業(yè)中，機械鉆速為在一定鉆進時間內的鉆孔進尺，本次仿真分析用鉆頭沿鉆進方向的位移表示機械鉆速的大小，選擇氣體壓力和鉆機轉速作為研究機械鉆速的主要影響參數(shù)。選用CIR90 型中風壓氣動高效沖擊器，其主要技術參數(shù)見表1。對不同工況下，沖擊頻率均取17HZ、鉆壓均取3MPa。

表1 CIR90氣動沖擊器主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of CIR90 pneumatic impactor

2.1 氣體壓力對機械鉆速的影響

在分析氣體壓力對機械鉆速的影響時，需保證其它參數(shù)不變的條件下（鉆機轉速保持40r/min 不變），分別對0.7、0.9、1.1MPa三種氣體壓力工況下進行仿真計算，將結果數(shù)據(jù)進行整理，得到不同氣體壓力工況下的鉆頭位移曲線圖，如圖2所示。

圖2 不同氣體壓力下鉆頭沿鉆進方向位移Figure 2 Drill bit displacement along the drilling direction under different gas pressures

由圖2 可知，在沖擊載荷未達到最大時（0.04s前），三種工況下鉆頭位移曲線出現(xiàn)大幅波動情況，說明黏滑振動現(xiàn)象明顯，當沖擊載荷達到最大后，黏滑振動現(xiàn)象均有所改善，其中1.1MPa工況下黏滑振動現(xiàn)象得到較大改善。對比三種工況下曲線可知，鉆頭位移隨著氣體壓力的增大而增大，氣壓值分別為0.7、0.9、1.1MPa時所對應的鉆頭最大位移量分別為3.5、3.9、4.2mm，1.1MPa工況下較0.7MPa工況下鉆頭位移量提高了20%。說明當保持轉速40r/min不變，改變氣體壓力條件時，在1.1MPa 氣體壓力作用下鉆頭對巖體的應力值最大，鉆頭鉆進效果最佳，機械鉆速最高。

2.2 鉆機轉速對機械鉆速的影響

在實際施工過程中，影響轉速選擇的主要因素是巖石性質。對于硬巖或強研磨性巖石，轉速過高會使切削刃早期磨損。為了分析鉆機轉速對機械鉆速的影響，在保證其它參數(shù)不變的條件下（氣體壓力保持1.1MPa 不變），分別對30、40、50r/min 三種轉速工況進行仿真計算，將結果數(shù)據(jù)進行整理，得到不同轉速工況下鉆頭沿鉆進方向的位移曲線圖，如圖3所示。

圖3 不同鉆機轉速下鉆頭沿鉆進方向位移Figure 3 Drill bit displacement along drilling direction under different drill rig speed

由圖3可知，轉速達到40r/min后繼續(xù)增加轉速并不能提高鉆頭的機械鉆速，且繼續(xù)增加轉速的同時鉆頭的黏滑振動現(xiàn)象會有所加劇，1.1MPa-50r/min鉆進參數(shù)組合粘滑振動現(xiàn)象最嚴重，30r/min轉速下次之；當轉速為30、40、50r/min條件下鉆頭沿鉆進方向的最大位移分別為3.8、4.2、3.7mm，采用40r/min轉速鉆進時的機械鉆速明顯高于30r/min和50r/min轉速下的機械鉆速，40r/min轉速較50r/min轉速工況下鉆頭位移提高了13.5%，說明當保持氣體壓力1.1MPa條件不變的情況下，鉆機轉速在40r/min左右時，鉆頭鉆進效果最佳，機械鉆速最高。

綜上，將兩種因素對機械鉆速的影響程度進行對比，說明氣體壓力因素是有效提高機械鉆速的最主要因素，采用沖擊氣壓1.1MPa，轉速40r/min時，鉆頭的破巖效果最佳，機械轉速最大，且鉆頭黏滑振動現(xiàn)象得到較大改善。1.1MPa氣體壓力搭配40r/min鉆機轉速的巖體應力及破碎效果如圖4所示。

圖4 巖體最大應力及破碎效果圖Figure 4 Maximum stress and crushing effect diagram of rock mass

由圖4可知，當巖體受到最大應力時，并沒有發(fā)生較大破碎，當沖擊載荷慢慢減小后，應力值變小，巖體發(fā)生較大破碎，說明巖體主要在卸載階段發(fā)生破碎。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗區(qū)概況

淮南某礦構造形態(tài)總體為一單斜構造，地層走向為NWW-SEE，地層傾角為5°～10°，呈淺部陡-深部緩的趨勢。試驗地點位于2121（1）運順（西）瓦斯綜合治理巷，上覆煤層為12 煤和13-1 煤，均厚分別為0.5m 和4.6m，屬于半暗型－半亮型煤。試驗鉆場位于該巷道27 號鉆場，巷道位于均厚為16.2m砂質泥巖底部，向上依次為均厚4.8m 的粉砂巖，23.4m 石英砂巖，8.2m 砂質泥巖、4m 花斑泥巖、1.95m 砂質泥巖，0.5m 的12 煤，12 煤與13-1 煤之間為3.35m 的砂質泥巖。試驗之前，在該巷道7 號鉆場進行全孔采樣，并進行巖石單軸抗壓強度測試，根據(jù)測試上覆石英砂巖平均單軸抗壓強度最大，為111MPa，堅固性系數(shù)f大于11，在最大破壞力點直接壓壞，未出現(xiàn)塑性變形過程，屬于脆性巖石。

3.2 鉆進工藝

根據(jù)硬巖沖擊回轉鉆進工況，在2020 年5 月至8 月進行氣動沖擊回轉鉆進現(xiàn)場工業(yè)性試驗，在27號鉆場施工穿層鉆孔，采用沖擊回轉鉆進方法穿過硬巖層，然后采用PDC 鉆頭回轉鉆進穿煤。先回轉開孔，采用“Φ113mm PDC鉆頭+Φ73mm鉆桿+水便”鉆進0.5m。然后采用“Φ110mm 沖擊釬頭+氣動沖擊器+變徑接手+Φ73mm 鉆桿+水便”進行沖擊回轉鉆進，鉆進至穿過硬巖層。如果采用Φ110mm 沖擊釬頭未鉆穿硬巖層，換用Φ100mm 沖擊釬頭繼續(xù)鉆進至煤層，再換用“Φ94mmPDC 鉆頭+Φ73mm 鉆桿+水便”回轉鉆進至設計孔深。

3.3 試驗結果與分析

為了更好的驗證仿真分析的正確性，本次現(xiàn)場試驗采用全面試驗的方法，共設置9組試驗，選擇27號鉆場內頂板巖層相對穩(wěn)定的鉆孔進行試驗，采集每組試驗方案下鉆孔的機械鉆速，所得試驗結果見表2。在試驗過程中還統(tǒng)計分析了CIR90 型氣動沖擊器的壽命，試驗過程中共使用沖擊器8臺，單個沖擊器可完成2～3個鉆孔的施工，在最優(yōu)參數(shù)組合下，最大進尺量為190m，平均進尺量149.38m，滿足生產(chǎn)需求，增加了沖擊器和鉆頭使用壽命。

表2 現(xiàn)場試驗結果Table 2 Field test results

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析可得，當鉆機轉速保持不變時，機械鉆速隨著氣體壓力的增大而增大；當氣體壓力保持不變，鉆機轉速由30r/min 增加到50r/min 時，機械鉆速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，與仿真分析結果相一致（圖5）。

圖5 影響因素與機械鉆速關系Figure 5 Relationship diagram between influencing factors and penetration rate

由圖5 對比可得，隨著氣體壓力的增大，機械鉆速基本呈現(xiàn)近似線性關系增長；而鉆機轉速在40r/min左右有最大影響，在50r/min時影響降低。在氣體壓力因素下，1.1MPa下的平均機械鉆速較0.7MPa的平均機械鉆速提高了59%，在鉆機轉速因素下，40r/min下的平均機械鉆速較30r/min的平均機械鉆速僅提高了8%，說明氣體壓力對機械鉆速的影響程度更大，氣體壓力是提高機械鉆速的最主要因素。在本次試驗之前，根據(jù)統(tǒng)計顯示淮南礦區(qū)針對硬巖鉆進平均機械鉆速為8.48m/h，本次9組現(xiàn)場試驗，平均機械鉆速為18.6m/h，是之前機械鉆速的2.2倍。

4 結論

1）當保持鉆機轉速不變，改變氣體壓力參數(shù)時，機械鉆速隨著氣體壓力的增大而增大，呈現(xiàn)近線性關系，1.1MPa 時影響最大。當氣體壓力不變，逐漸增大鉆機轉速時，機械鉆速先增大后減小，在40r/min時影響最大。

2）現(xiàn)場試驗結果與仿真分析結果一致，9 組試驗的機械鉆速最高可達25.58m/h，平均機械鉆速為18.6m/h，是之前機械鉆速8.48m/h的2.2倍。

3）根據(jù)試驗分析結果顯示，氣體壓力因素對機械鉆速的影響程度最大，因此在實際施工過程中，沖擊器的工作壓力是有效提高鉆進效率的最主要因素，所得最優(yōu)氣體壓力值為1MPa，鉆機轉速為40r/min，且能夠有效改善鉆頭鉆進時的黏滑振動現(xiàn)象。