應力狀態對煤巷頂板錨固孔鉆進速度的影響

劉少偉,劉棟梁,馮友良,李鑫濤,尚鵬翔

(河南理工大學能源科學與工程學院,河南焦作 454003)

應力狀態對煤巷頂板錨固孔鉆進速度的影響

劉少偉,劉棟梁,馮友良,李鑫濤,尚鵬翔

(河南理工大學能源科學與工程學院,河南焦作 454003)

采用有限元數值軟件對煤巷頂板常見巖石在不同應力狀態下模擬鉆進,發現應力狀態對煤巷頂板巖石錨固孔的鉆進速度影響不明顯。從鉆進位移和實時鉆進速度兩方面對煤巷頂板不同類型巖石鉆進結果進行分析討論,認為平均鉆進速度可作為衡量巖石類型的一個較好指標。通過各類巖石瞬時鉆進速度的分析,鉆頭的回彈是不同巖石力學特性的反應,可通過對回彈次數、正面積和負面積等參數對不同巖層進行識別。

煤巷頂板錨固孔;鉆進速度;應力狀態

自20世紀90年代以來,錨桿支護以其顯著的技術和經濟優越性在煤巷圍巖控制中獲得了廣泛應用,是巷道支護技術的一場革命[1－2]。煤巷頂板錨固孔鉆進是錨桿支護的一個重要環節,錨固孔鉆進速度不僅影響著錨固孔的成孔的速度和效率,還對煤巷的施工管理和工程進度有著重要的影響。煤巷頂板為沉積層狀巖體,各層的巖性不同,多為砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、砂質頁巖及石灰巖等,其中直接頂主要以粉砂巖、砂頁巖、泥巖為主,基本頂以砂巖、石灰巖及砂礫巖為主[3－4]。頂板錨固孔現場鉆進過程中,常出現時快時慢現象。鉆進速度的變化影響因素較多,包括頂板巖層物理力學結構(頂板組合巖層的尺寸、節理發育程度、巖石類型)及應力狀態等。反之,鉆進速度也能反映頂板的巖層結構及應力狀態。頂板巖層結構及應力狀態是錨桿支護煤巷冒頂的原因,所以通過頂板錨固孔的鉆進速度可間接反映煤巷頂板的穩定性,如圖1所示。本文主要研究應力狀態與頂板錨固孔鉆進速度的關系,為頂板錨固孔鉆進速度的重要影響因素的確定提供理論參考。

圖1 煤巷頂板錨固孔鉆進速度與冒頂的關系Fig.1 Relationship between the drilling velocity of anchorhole in coal roadway roof and roof fall

1 鉆進模型基本假設及建立

1.1 鉆進模型基本假設

煤巷頂板錨固孔的鉆進是一個復雜的過程,主要受頂板巖體力學參數和錨桿鉆機參數的影響。為便于分析,模型做以下基本假設[3,5－7]:

(1)錨固孔鉆進前,巖體未發生塑性變形,處于彈性變化范圍內,即:巷道隨掘隨支。

(2)鉆進過程中,鉆孔軌跡控制良好,鉆頭以垂直于巷道頂板的方式進行鉆進,且不考慮鉆桿與孔壁的摩擦影響。

(3)由于錨桿鉆機的鉆頭相對于巷道頂板巖體具有很高的硬度和強度,因此假設鉆頭為剛體。

(4)巖石單元鉆進失效后,不再考慮其被重復破碎的問題,破碎的巖石單元不再影響后續的鉆進工作。

(5)現場錨桿鉆機常采用氣動式錨桿鉆機,風壓是氣動錨桿鉆機的動力源,給鉆機提供軸向推力和旋轉切削力。利用CAE軟件建立?28 mm的氣動錨桿鉆機鉆頭的三維模型,如圖2所示。鉆頭的邊界條件:推力為6 000 N,轉速220 r/min,給鉆頭施加除軸向的其他方向的約束,即保持鉆孔垂直于巷道頂板。

圖2 錨桿鉆機鉆頭三維模型Fig.2 3D model of bore bit

(6)研究表明,當巷道埋深H≥20R0(R0為巷道半徑)時,可以忽略巷道影響范圍(3～5倍R0)內巖石的自重(圖3),水平原巖應力可以簡化為均布的[3]。因此,為便于對結果的處理,對組成煤巷頂板的各巖層進行單獨鉆進分析,不同應力狀態下對不同巖層的鉆進時間統一為2 s。

圖3 深埋巷道力學特點Fig.3 Mechanical characters of deep roadway

1.2 鉆進模型的建立

鉆進模型選用沽源煤礦煤巷頂板巖石,通過實驗室實驗得出煤巷頂板各巖層力學參數(表1)。

表1 巖石力學參數Table 1 Rock mechanics parameters

鉆進的巖體模型尺寸為300 mm×300 mm× 300 mm,滿足鉆孔中心距邊界大于5倍的鉆頭直徑要求[8]。巖石和鉆頭模型采用四面體自由網格劃分,為了保證結果精度及節省計算時間,對鉆頭鉆進影響較大的區域盡量細化網格,而其他地方適當增加網格尺寸[6,9－10]。巖石的屈服準則較多,對于均質的巖石類型,常采用的是Drucker－Prager準則和Mohr－Coulomb準則[6]。Drucker－Prager準則是在Coulomb準則和Mises準則的基礎上擴展和推廣而得,且在一定情況下可與Mohr－Coulomb準則相互轉化[9],能較好地反映巖石的屈服過程,故選用Drucker－Prager模型,巖石的破壞選用剪切損傷破壞。圖4為煤巷頂板巖石鉆進試驗模型示意,利用該方案對沽源煤礦某煤巷頂板的各類型巖石進行鉆進,參數見表1[11],研究應力狀態對煤巷頂板錨固孔鉆進速度的影響。

圖4 煤巷頂板沉積巖體鉆進試驗方案示意Fig.4 Drilling test plan schematic of sedimentary rock in coal roadway roof

2 鉆進方案的確定

有關研究表明[2,12],一般將側壓系數大于1.2的區域為高構造應力區,小于1.2的區域為一般構造應力區。因此,鉆進方案主要分兩類各3組。

沽源煤礦的巷道埋深約800 m,垂直應力σv約為20 MPa,最小水平主應力約為0.75倍的垂直應力,即15 MPa,通過最大水平主應力變化得出不同應力狀態下的鉆進方案(表2)。

表2 不同應力狀態下鉆進方案Table 2 Drilling programs under different stress states

3 模擬結果分析

3.1 錨固孔鉆進特征分析

錨固孔的鉆進是在氣動錨桿鉆機的作用下,通過風壓來控制氣腿的推力和鉆頭轉速完成旋轉切削破巖。圖5為各類巖石在高構造應力區(λ=1.5)情況下鉆進2 s時的鉆進深度。泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、灰巖的鉆進深度分別為83.8,59.0,41.1,34.9 mm,不同巖石的鉆進深度不同。不同巖石類型具有不同的平均鉆進速度,不同平均鉆進速度也正是不同類型巖石的反映。由此可知,平均鉆進速度是評價巖石類型的較好指標,對于煤巷頂板錨固孔鉆進過程的巖層類型識別以及預防煤巷冒頂有重要意義。

為具體分析錨固孔鉆進過程,對鉆進砂質泥巖(鉆頭完全進入)的瞬時速度進行分析,如圖6所示。由圖可知,鉆頭在錨固孔的鉆進整體呈“上臺階式”鉆進過程,鉆頭存在回彈的現象,巖石鉆進速度不均勻,呈波動性變化。

圖6 砂質泥巖的鉆進過程示意Fig.6 Illustration of the process of drilling sandy mudstone

3.2 應力狀態對錨固孔鉆進速度的影響

根據模擬結果得出不同應力狀態下各巖石鉆進時鉆頭位移,見表3。

表3 不同應力狀態下各巖石鉆進時鉆頭位移Table 3 Drilling bit displacement various types of rock under different stress statesmm

由表3可看出:①相同應力狀態下,鉆進各類型巖石的鉆頭位移不同,即其平均鉆進速度也是不同的,主要與巖石的力學參數有一定的關系。②鉆進各類型巖石鉆頭的位移隨最大水平主應力σH(或側壓系數λ)的增加并沒有呈現出明顯的變化規律。③在不同應力狀態下,鉆進泥巖時鉆頭位移最大為105.0 mm,最小為102.0 mm,相差為3 mm;砂質泥巖時最大位移為80.3 mm,最小為75.6 mm,相差為4.7 mm;粉砂巖時位移最大為62.7 mm,最小為59.8 mm,相差僅1.9 mm;灰巖時位移最大為57.0 mm,最小為53.3 mm,相差為3.7 mm。通過鉆進過程數據的實時采集(剔除初始鉆頭與巖石的距離20 mm,如圖6(a)中的鉆頭未接觸巖石區域),可以得出各巖石類型的平均鉆進速度:泥巖的平均鉆進速度最大為46.4 mm/s,最小為44.7 mm/s,相差僅1.7 mm/s;砂質泥巖的平均鉆進速度最大為30.3 mm/s,最小為32.9 mm/s,相差為2.6 mm/s;粉砂巖的平均鉆進速度最大為23.3 mm/s,最小為21.7 mm/s,相差僅1.6 mm/s;灰巖的平均鉆進速度最大為20.5 mm/s,最小為18.0 mm/s,相差為2.5 mm/s。僅從鉆進速度來說,應力狀態對各巖石的平均鉆進速度均影響不大,但是一定長度錨固孔的鉆進是一個時間問題,不同的巖性之間更是有差別。以砂質泥巖為例,若鉆進2 400 mm的錨固孔,最短為74.3 s,最長為80.4 s,相差僅6.1 s,而鉆進位移卻相差達180 mm,可見應力狀態雖然對砂質泥巖鉆進速度的影響不明顯,但如果錨固孔長度較大時,例如長度較大的錨索孔(5～10 m)鉆進時間存在較大影響。因此,不論高構造應力區域還是一般構造應力區域的煤巷對頂板錨固孔的鉆進時間存在一定的影響,但對鉆進速度影響不明顯。

3.3 錨固孔鉆進速度的探討

由于應力狀態對錨固孔鉆進速度的影響不大,取一般構造應力區(λ=1.1)情況下鉆進不同巖石類型時鉆頭的位移和瞬時鉆進速度進行分析(圖7,8)。

圖7 鉆進不同巖石類型時鉆頭位移Fig.7 Drilling bit displacement of different types of rock

(1)從鉆進位移看巖石的平均鉆進速度。

圖8 鉆進不同巖石類型時鉆頭瞬時鉆進速度Fig.8 Instantaneous rock drilling velocity of different types of rock

分析圖7可知,不同巖石的位移鉆進曲線在一定斜率的直線附近波動,即鉆進速度可以通過直線的斜率近似的表示,稱為平均鉆進速度。4種巖石的平均鉆進速度大致有以下關系:泥巖＞砂質泥巖＞粉砂巖＞灰巖,灰巖與粉砂巖的平均鉆進速度差別不大,而灰巖與泥巖的差別還是比較明顯的。由于煤巷頂板是不同巖性的巖層組合,其厚度不一、巖石力學參數也各不同,在實際煤巷頂板錨固孔鉆進過程中,鉆進的位移曲線是波動性的前進過程,即使實時監測,當巖層發生變化時,易誤認為仍在同一巖層中鉆進,尤其是對于巖石的力學參數比較接近的巖層。當巖石鉆進速度變化不太明顯的情況下,僅從鉆進位移看鉆進速度具有明顯的滯后性,因此,相關學者[13－16]對頂板錨固孔的鉆進的研究,采用多因素對頂板巖層結構進行識別,如:鉆進速度－轉速－推力。

(2)從實時鉆進速度看平均鉆進速度。

由圖8可知,4種巖石的鉆進速度均呈波動狀,波形各不相同。圖中各巖石的回彈次數(即“0”下的振動次數)不盡相同。鉆進過程中鉆頭的回彈是正常現象,根據回彈原理可測定巖石的硬度[17],巖石的硬度對錨固孔的鉆進速度有一定的影響,不同的鉆進速度在一定程度上可以反映出不同強度的巖石,可見回彈是不同巖石特性的反應,巖石在鉆進過程中的回彈也正是不同巖石力學參數的反應。回彈次數越多,回彈的時間就越長,鉆進的位移就越小,平均鉆進速度也就越小。對于速度曲線的速度線與時間軸所圍成的面積,即為路程,在圖中面積可分為正面積SZ和負面積SF,正面積為向上鉆進路程,負面積向下回彈的路程,那么,平均鉆進速度=(SZ－SF)/t。回彈次數越少,正面積越大,負面積越小,巖石的平均鉆進速度就越大。圖中4種巖石間的鉆進回彈次數之間的關系為:泥巖＜砂質泥巖＜粉砂巖,泥巖＜砂質泥巖＜灰巖,粉砂巖(15次)和灰巖(13次)間的回彈次數相近;且負面積間也有明顯的關系:泥巖＜砂質泥巖＜粉砂巖＜灰巖;由表3可知,4種巖石的平均鉆進速度的關系為:泥巖＞砂質泥巖＞粉砂巖＞灰巖,而粉砂巖和灰巖間的平均鉆進速度較為接近。事實上,鉆頭回彈次數的監測是方便易行的,實時鉆進過程中采集鉆進速度曲線也是具有可操作性的,故在鉆進中,對回彈次數、正面積和負面積進行實時分析,在巖層識別方面有著重要的意義。

4 結 論

(1)應力狀態對煤巷頂板巖石錨固孔鉆進速度的影響不明顯。因此,煤巷頂板錨固孔鉆進過程中速度變化時,出現的偶發冒頂現象,應力狀態對其影響不大,為實驗室鉆進模擬模型簡化提供了理論基礎。

(2)從鉆進位移和實時鉆進速度兩個方面對煤巷頂板不同類型巖石鉆進結果分析可知,平均鉆進速度是衡量巖石類型的較好指標,為現場快速判別煤巷頂板錨固孔內巖石類型提供依據。

(3)鉆頭的回彈是不同巖石力學特性的反應,利用回彈次數、正面積和負面積等參數可進行巖石類型的判斷,為煤巷頂板錨固孔內巖層特征識別和冒頂的預防具有重要的意義。

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Influence of stress states on drilling velocity of anchorage hole on coal roadway roof

LIU Shao-wei,LIU Dong-liang,FENG You-liang,LI Xin-tao,SHANG Peng-xiang
(School of Energy Science and Engineering,Henan Plytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

The paper used finite element software to simulate drilling of common rocks in coal roadway roof under different stress states,and got different stress states on roadway roof rock have no obvious impact on anchor hole drilling velocity.From two aspects including drilling displacement and real time velocity,drilling results of various rocks in coal roadway roof were analyzed and discussed,meanwhile the conclusion that average drilling velocity can be considered as a good index to measure the type of rock is got.Through analyzing instantaneous drilling velocity of various rocks,it is obtained that the resilience of bore bit may react different rock mechanics characteristics,various rocks can be identified by different parameters such as resilience frequency,positive area,negative area and so on.

anchorage hole on coal roadway roof;drilling velocity;stress states

TD353

A

0253－9993(2014)04－0608－06

劉少偉,劉棟梁,馮友良,等.應力狀態對煤巷頂板錨固孔鉆進速度的影響[J].煤炭學報,2014,39(4):608－613.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1087

Liu Shaowei,Liu Dongliang,Feng Youliang,et al.Influence of stress states on drilling velocity of anchorage hole on coal roadway roof[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):608－613.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1087

2013－07－28 責任編輯:常 琛

國家自然科學基金面上基金資助項目(51274087);國家自然科學基金資助項目(51104055);河南省青年骨干教師資助項目(2010GGJS－053)

劉少偉(1977—),男,遼寧錦州人,副教授,碩士生導師,博士。Tel:0391－3987948,E－mail:lswxll@126.com