機(jī)械擴(kuò)孔煤體增透應(yīng)力變化規(guī)律研究

王海春 ，雷東記 ，代振華 ，覃 杰

（1.國家能源集團(tuán) 煤炭運(yùn)輸部，北京 100011；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077；；4.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013）

我國作為一個(gè)少油、缺氣、富煤的國家，煤炭資源儲(chǔ)存豐富，但煤層賦存條件差異性巨大，含瓦斯煤層較多，且大部分煤層透氣性較差[1-2]。目前，我國用于低透氣性煤層強(qiáng)化增透的方法主要有深孔預(yù)裂爆破、井下水力壓裂、水力割縫、液態(tài)二氧化碳相變致裂等[3-7]，這些方法在我國已得到不同程度的推廣應(yīng)用，但它們有各自的適用條件。而機(jī)械變徑擴(kuò)孔增透技術(shù)是利用鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和水壓兩者合力推動(dòng)鉆具刀臂張開，實(shí)現(xiàn)鉆頭變徑效果，在煤體中形成1 個(gè)變直徑的卸壓區(qū)，增加煤層的透氣性。宋建民等[8]、楊騰龍[9]采用數(shù)值模擬方法模擬機(jī)械擴(kuò)孔后的增透效果，結(jié)果表明：與普通鉆孔方式相比，機(jī)械擴(kuò)孔后煤層透氣性顯著增加；鄧書軍等[10]、王義民[11]、柴錫軍等[12]研究了不同軟硬煤層卸壓增透后煤層透氣性及瓦斯抽采效果，結(jié)果表明：機(jī)械造穴卸壓增透技術(shù)在不同硬度煤層都能起到明顯的增透、提抽作用；牟全斌等[13]為了提高瓦斯低透氣性煤層瓦斯抽采效果，利用四連桿機(jī)構(gòu)原理研制成功了一套針對(duì)井下抽采鉆孔的專用機(jī)械造穴設(shè)備；高曉亮等[14]為了解決隨鉆式掏穴技術(shù)鉆進(jìn)中切換鉆進(jìn)、掏穴狀態(tài)，控制效果不甚理想等問題，開發(fā)了無泵式雙通道機(jī)械掏穴鉆頭，提高了刀翼開合的控制精度，并在淮北朱仙莊煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)證明：設(shè)計(jì)的雙通道機(jī)械掏穴鉆頭，能夠滿足無泵式機(jī)械掏穴的需求，大大提高了施工效率。

綜上所述，前人對(duì)機(jī)械擴(kuò)孔增透技術(shù)的研究著重于鉆具設(shè)計(jì)優(yōu)化以及現(xiàn)場抽采效果的分析，對(duì)機(jī)械擴(kuò)孔應(yīng)力演化規(guī)律研究較少。為此，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)煤體應(yīng)力分布特征進(jìn)行探究，為機(jī)械擴(kuò)孔技術(shù)優(yōu)化提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 機(jī)械擴(kuò)孔設(shè)備及工藝流程

1.1 機(jī)械變徑擴(kuò)孔鉆桿

機(jī)械鉆具示意圖如圖1。

圖1 機(jī)械鉆具示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical drilling tools

機(jī)械變徑擴(kuò)孔鉆桿[15]兩邊刀臂完全張開后，最大直徑達(dá)到500 mm，通過改變清水泵水壓和鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)機(jī)械刀臂的開合實(shí)現(xiàn)鉆孔造穴作業(yè)，操作簡便，效率高。主體主要由中空腔體推動(dòng)裝置、鉆桿體外殼、刀臂等3 大主體部分組成。推動(dòng)裝置包含調(diào)節(jié)桿、復(fù)位彈簧、過渡桿、齒條活塞，其中，調(diào)節(jié)桿可以自由調(diào)節(jié)復(fù)位彈簧的松緊程度，水壓可以推動(dòng)齒條活塞、過渡桿向前移動(dòng)壓縮復(fù)位彈簧；刀臂部分包括用于切削煤巖體的刀塊，末端的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，其中，齒條活塞向前移動(dòng)時(shí)，齒條活塞上的齒條和刀臂后端齒輪嚙合傳動(dòng)，鉆桿體兩邊的刀臂就會(huì)張開；鉆桿體外殼部分包括了鉆頭接頭，刀臂槽，鉆機(jī)接頭，在現(xiàn)場使用時(shí)，鉆頭機(jī)頭跟鉆頭螺紋相接，鉆機(jī)接頭與鉆桿螺紋相接。

1.2 工藝流程

機(jī)械變徑擴(kuò)孔增透技術(shù)有特定的施工流程，具體如下：①鉆機(jī)停靠在鉆孔位置處，安裝機(jī)械擴(kuò)孔鉆具、鉆頭，連接高壓水泵，進(jìn)行擴(kuò)孔前的設(shè)備調(diào)試；②鉆機(jī)按照操作程序開始打鉆，初始轉(zhuǎn)速設(shè)置為最低轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)清水泵，水壓速度設(shè)為最低，開始緩慢鉆進(jìn)，整個(gè)過程機(jī)械擴(kuò)孔鉆桿兩邊刀臂未打開；③當(dāng)機(jī)械擴(kuò)孔鉆桿穿過煤層0.5 m 左右時(shí)，要保證鉆具兩邊刀臂打開，此時(shí)將鉆具轉(zhuǎn)速提高到最大并逐步升高水壓，在水壓和轉(zhuǎn)速共同作用下，刀臂逐漸打開，開始進(jìn)行機(jī)械擴(kuò)孔造穴；④當(dāng)擴(kuò)孔達(dá)到了預(yù)定的深度時(shí)，就要緩慢降低泵壓和鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，刀臂在彈簧拉力下收縮閉合，再退出鉆桿，施工結(jié)束。

2 機(jī)械擴(kuò)孔適用性

近些年來，我國很多的科研工作者采取了多種措施用于強(qiáng)化低透氣性煤層開采，其中以物理方法水力化措施居多，包括有水力沖孔、水力割縫、水力壓裂等技術(shù)。但水力化措施有各自使用的局限性，如水力沖孔技術(shù)適用于中軟性煤層，對(duì)于硬質(zhì)煤層，增透效果不理想；水力壓裂增透技術(shù)受到井下作業(yè)空間限制，裝備成本大；水力割縫增透技術(shù)對(duì)煤層作用效果明顯，但所需水壓太高，需要達(dá)到95-100 MPa，成本太高，且存在安全隱患。

機(jī)械擴(kuò)孔作為一種新型煤層卸壓增透技術(shù)，它在施工煤層抽采鉆孔時(shí)，依靠鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和清水泵提供水壓，將鉆具兩邊刀臂打開，形成1 個(gè)大直徑的圓柱形孔洞，促進(jìn)孔洞周圍煤體卸壓，達(dá)到煤層增透的目的。另外，機(jī)械變徑擴(kuò)孔增透技術(shù)采用機(jī)械切割煤體的方式，它既適用于松軟煤層，也適用于偏硬煤層，對(duì)本煤層順層孔、底抽巷穿層鉆孔和頂板巖巷下行孔擴(kuò)孔造穴，都具有適用性，工藝流程簡單。并且，機(jī)械擴(kuò)孔鉆桿能進(jìn)行反復(fù)使用，不需要花費(fèi)大量金錢和時(shí)間去維護(hù)，所需成本低，能產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)效益。

3 機(jī)械擴(kuò)孔應(yīng)力分布特征

機(jī)械擴(kuò)孔過程中，機(jī)械刀臂對(duì)煤體進(jìn)行切削，導(dǎo)致鉆孔周圍煤體大量的破碎，在煤層中留下了近似規(guī)則的圓柱形孔洞，受地應(yīng)力的影響，鉆孔周圍煤體應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，煤體由內(nèi)向外呈圓環(huán)狀分布，依次為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。煤體應(yīng)力分布圖如圖2。

圖2 煤體應(yīng)力分布圖Fig.2 Stress distribution diagram of coal body

機(jī)械擴(kuò)孔后煤體自身強(qiáng)度無法抵抗機(jī)械切削載荷，形成了1 圈破碎區(qū)域，此區(qū)域煤體應(yīng)力大量得到釋放，成為卸壓區(qū)，產(chǎn)生的裂隙和裂縫充分發(fā)育；沿鉆孔向煤層深部擴(kuò)展時(shí)，機(jī)械切削對(duì)煤層作用減弱，鉆孔周圍應(yīng)力向煤層深部增加，在應(yīng)力集中區(qū)域形成了塑性區(qū)和彈性區(qū)，其中塑性區(qū)域煤巖體的屈服強(qiáng)度低于應(yīng)力作用而產(chǎn)生破碎和位移，形成了不可逆的破壞；破碎區(qū)和塑性區(qū)煤體破壞程度比較嚴(yán)重，孔隙和裂隙充分發(fā)育、貫通，煤層透氣性大幅度提高，瓦斯抽采效果明顯；在煤體彈性區(qū)域內(nèi)，煤巖體的屈服強(qiáng)度大于應(yīng)力作用，煤體由塑性變形轉(zhuǎn)化為彈性變形，該區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變遵守胡克定律，煤體沒有受到破壞，卸載了應(yīng)力之后煤體能恢復(fù)原形，其在高應(yīng)力作用下，導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮，使得原有煤體孔隙減小，增大瓦斯流動(dòng)阻力，煤層的透氣性變低；在應(yīng)力集中區(qū)外，由于煤體受到機(jī)械擴(kuò)孔作業(yè)擾動(dòng)程度非常小，該處的應(yīng)力值向外擴(kuò)展近似等于原始應(yīng)力值，可認(rèn)為此處為原始應(yīng)力區(qū)。

4 機(jī)械擴(kuò)孔過程煤體應(yīng)力演化模擬分析

機(jī)械擴(kuò)孔過程中，煤層內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙和孔隙擴(kuò)展可作為影響機(jī)械擴(kuò)孔煤層增透效果的主要影響因素之一，而機(jī)械擴(kuò)孔過程中鉆孔周圍煤層應(yīng)力的傳遞可直接影響煤層裂隙的發(fā)育，此可指導(dǎo)鉆孔的封孔長度和布設(shè)角度；同時(shí)掌握應(yīng)力的演化特征有利于后期刀臂力學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和擴(kuò)孔范圍的增大（刀臂長度增加）。因此，通過研究機(jī)械擴(kuò)孔過程中孔洞周圍煤層內(nèi)部應(yīng)力演化規(guī)律能夠優(yōu)化機(jī)械擴(kuò)孔增透技術(shù)以及合理高效的抽采瓦斯煤層。

使用ABAQUS 有限元模擬軟件對(duì)機(jī)械擴(kuò)孔鉆桿鉆進(jìn)、擴(kuò)孔造穴過程進(jìn)行仿真模擬，探究破煤過程中煤體的應(yīng)力變化規(guī)律。機(jī)械擴(kuò)孔鉆具模型使用建模工具UG 按鉆具實(shí)際尺寸建立模型，建立好后的文件以Stp 格式導(dǎo)入，鉆具兩邊刀臂完全打開后的直徑達(dá)500 mm，鉆具前端鉆頭外徑為110 mm；煤體工件模型是1 個(gè)直徑和高度為800 mm 的圓柱形。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，鉆具網(wǎng)格劃分兩邊刀臂和鉆頭處密，其他地方疏，煤體劃分為中間密四周疏。對(duì)機(jī)械擴(kuò)孔鉆具及煤體工件分別建模完成后，將兩者進(jìn)行裝配。

煤體本構(gòu)模型采用基于Drucker-Prager 準(zhǔn)則的巖石彈塑性損傷本構(gòu)模型。設(shè)置煤體斷裂應(yīng)變?yōu)?.025，破壞位移為0.5 mm，質(zhì)量密度為1 300 kg/m3，流應(yīng)力比為0.5，屈服應(yīng)力為10 MPa。

將機(jī)械擴(kuò)孔鉆進(jìn)和造穴過程設(shè)置為2 個(gè)分析步，時(shí)間長度都設(shè)置為0.1 s。鉆進(jìn)過程煤體應(yīng)力分布圖如圖3，造穴過程煤體應(yīng)力分布圖如圖4。

圖3 鉆進(jìn)過程煤體應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress distribution diagrams of coal during drilling

圖4 造穴過程煤體應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress distribution diagrams of coal body during hole-making process

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)：煤體內(nèi)部應(yīng)力變化影響范圍比較小，且應(yīng)力主要集中在鉆頭破碎煤體的正下方，沿鉆進(jìn)方向上隨著煤體深度的增大，應(yīng)力逐漸減小，影響范圍顯著增大。

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)：機(jī)械刀臂和煤體剛接觸的瞬間，整個(gè)機(jī)械鉆具主體結(jié)構(gòu)與孔壁產(chǎn)生擠壓，煤體的應(yīng)力值出現(xiàn)最大值，這主要因?yàn)闄C(jī)械鉆具與煤體剛接觸，會(huì)在煤體表面產(chǎn)生滑動(dòng)，出現(xiàn)刀具晃動(dòng)的現(xiàn)象。而隨著刀具切割深度增大，表面煤體都被切削破碎，刀具與煤體擠壓切割產(chǎn)生的晃動(dòng)現(xiàn)象會(huì)明顯減弱，此時(shí)應(yīng)力分布范圍主要在刀具下方以及鉆孔周圍。

在造穴階段初期，由于機(jī)械刀具破煤不穩(wěn)定，產(chǎn)生晃動(dòng)，就會(huì)消耗很多的能量，但隨著切削深度的增加，刀具在鉆孔內(nèi)晃動(dòng)減弱，消耗能量就會(huì)變得穩(wěn)定，通過提取觀察點(diǎn)應(yīng)力變化曲線，可以對(duì)破煤過程中煤體內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行定量分析。

在鉆進(jìn)和造穴2 個(gè)階段根據(jù)垂直方向和水平方向由近到遠(yuǎn)各取3 個(gè)應(yīng)力觀察點(diǎn)，其中：鉆進(jìn)和造穴階段垂直方向的應(yīng)力觀察點(diǎn)結(jié)點(diǎn)單元的編號(hào)分別為H1、H2、H3和H4、H5、H6；鉆進(jìn)和造穴階段水平方向應(yīng)力觀察點(diǎn)結(jié)點(diǎn)單元編號(hào)分別為H7、H8、H9和H10、H11、H12。煤體應(yīng)力演化觀察點(diǎn)位置方向如圖5。鉆進(jìn)和造穴階段垂直方向觀察點(diǎn)應(yīng)力變化如圖6，鉆進(jìn)和造穴階段水平方向觀察點(diǎn)應(yīng)力變化如圖7。

圖5 煤體應(yīng)力演化觀察點(diǎn)位置方向Fig.5 Position direction of observation point of coal stress evolution

圖6 鉆進(jìn)和造穴階段垂直方向觀察點(diǎn)應(yīng)力變化Fig.6 Observation point stress change in vertical direction during drilling and hole-making stages

圖7 鉆進(jìn)和造穴階段水平方向觀察點(diǎn)應(yīng)力變化Fig.7 Stress changes at observation points in horizontal direction during drilling and hole-making stages

從圖6 可以發(fā)現(xiàn)：鉆進(jìn)和造穴階段最先受到破壞的是H1和H4單元，應(yīng)力從0 上升到10 MPa以上的時(shí)間非常短，最先受到破壞，在模型中單元被刪除，應(yīng)力值顯示為0；單元H2和H5應(yīng)力變化相差明顯，其中單元H2在被刪除之前應(yīng)力一直維持在3 MPa 左右，最后短時(shí)間應(yīng)力上升到11 MPa 左右達(dá)到極限，而單元H5一開始就處于較高應(yīng)力狀態(tài)，維持在8MPa 左右。鉆具在鉆進(jìn)過程中應(yīng)力集中范圍小，當(dāng)鉆頭接近質(zhì)點(diǎn)單元應(yīng)力值才會(huì)迅速上升，而造穴階段整個(gè)過程的應(yīng)力影響范圍都比較大；對(duì)比H3和H6，造穴階段的應(yīng)力一直維持在4 MPa 左右，而鉆進(jìn)階段的應(yīng)力在前期維持在2 MPa 左右，后期慢慢上升4 MPa 左右。綜上所述，造穴階段垂直方向應(yīng)力的擾動(dòng)范圍和集中程度都要大于鉆進(jìn)階段。

由圖7（a）可以發(fā)現(xiàn)：H7在前期就達(dá)到應(yīng)力極限受到損傷被刪除；H8、H9一直維持在1 MPa 左右，應(yīng)力非常小，說明鉆具鉆進(jìn)過程影響不到這2 個(gè)單元，鉆頭破煤應(yīng)力擾動(dòng)范圍較小。由圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)：H10在前期短時(shí)間就達(dá)到了應(yīng)力極限點(diǎn)，跟觀察點(diǎn)H7類似，處于破壞第1 層，刀具切削就受到破壞。根據(jù)H11、H12應(yīng)力曲線可以看出：這2 個(gè)單元超過了刀具切削范圍，因此沒有遭受切削破壞，整個(gè)造穴過程應(yīng)力維持在2.5 MPa 左右，要遠(yuǎn)大于鉆進(jìn)階段較遠(yuǎn)處單元，這表明刀具切削會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，并且造穴階段的應(yīng)力擾動(dòng)范圍要顯著大于鉆進(jìn)階段。

5 結(jié)語

1）機(jī)械擴(kuò)孔過程利用刀具切削產(chǎn)生大量破碎煤塊，在煤體中形成規(guī)則的圓柱形孔洞，在擴(kuò)孔影響范圍內(nèi)形成裂隙場和卸壓帶，增加煤層透氣性，提高瓦斯預(yù)抽效率。

2）機(jī)械破煤過程模擬結(jié)果表明：造穴階段垂直和水平方向應(yīng)力一直維持在4 MPa 和2.5 MPa，鉆進(jìn)階段垂直方向應(yīng)力前期維持在2 MPa 左右，后期慢慢上升4 MPa 左右，水平方向應(yīng)力一直維持在1 MPa 左右，造穴階段對(duì)煤體的擾動(dòng)范圍和應(yīng)力集中情況遠(yuǎn)大于鉆進(jìn)階段，破煤效率更高。