基于鉆桿推力法結合鉆桿位移預測圍巖應力的研究*

王春華，王　超，陳奕帆

(1.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000；2.沈陽航空航天大學 機電工程學院，遼寧 沈陽 110000； 3.南京師范大學 地理科學學院，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，導致巖石爆裂并彈射出來的現象[1]。隨著時間的推移，對能量的需求大大增加，導致開采強度的不斷增大。深部開采工程中產生的巖石力學問題是目前國內外采礦及煤巖力學界研究的焦點，國內外學者通過理論研究、室內及現場實驗研究取得了大量的成果[2]。

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

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合，總結了鉆孔過程中鉆屑溫度變化規律與煤體應力及鉆屑量具有較好的一致性。李忠華[4]等針對煤體法向應力測試問題,基于煤體法向應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力的對應關系。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律，來反映煤體應力的大小及該區域沖擊危險性。但由于煤巖自身的不均勻性,往往會使得實驗結果誤差較大。

煤巖內自身結構復雜多變，整體結構的不均勻性也導致了相關研究結果的適用性[6]，因此針對不同的煤巖，應設置多個參數指標來確保預測沖擊地壓的準確性，包括：鉆具參數、鉆機工況參數、煤巖性質、瓦斯應力等等。

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

1　鉆桿推力法與鉆桿位移理論基礎

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

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，煤巖內部結構復雜，不同的深度有著不同的特性，由于這種不穩定性，導致鉆屑設備受到的反作用力持續變化。

以下是鉆桿力學模型建立：

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)

根據朱麗媛等[6]推導，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為與鉆桿幾何參數有關。

設鉆桿鉆進的深度為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)，由于得出結果復雜，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)

在鉆削過程中設鉆機鉆桿的轉速為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的基礎上產生一個大小為ΔFp的動載切削力。當鉆進位移很小時，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力的關系為[7]：

Ft=a1σm+a2

(9)

式中：Ft為鉆桿扭矩；σm為煤體應力；a1，a2為常數。鉆桿推力和時間的關系可以表示為：

(10)

(11)

式中：p為電機功率。

根據式(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、煤體應力及煤體強度相關。一旦上述因素增大，都將引起鉆桿推進力的增加；當鉆進速度減小，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　試驗系統介紹

2.1　試驗模型及設備

實驗試件準備，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據，頻率為300 Hz，利用應變效應，在鉆機推進過程中，試件對鉆桿的反作用力使應變片發生變化，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

依照原結構不變的基礎上，設置傳感器結構，經過數據標定，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)準備試驗試件，2種規格。

2)將試件放入鉆屑容器中，向A，B靠攏貼合，在4側用吊耳連接，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準。

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，確認無誤后開機。

6)打開空氣壓縮機開關，提供2 MPa風力，開始鉆削，同時數據采集系統開始采集數據，鉆桿位移依靠手動前進。

7)鉆削完畢，回收數據，整理實驗器材。

試驗施加軸壓、圍壓的數據如表1所示。

表1　400 mm3試件試驗室軸壓圍壓數據Table 1　400 mm3 Specimen pressure test table

3　試驗測試數據分析

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，后期對數據進行平均值重采樣，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，卸載煤體應力是該過程的實質，由曲線可以看出，當煤體應力增大，推力減小，位移變化量減小；煤體應力減小，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，最后處于空載的穩定值。

經過試驗發現，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力的影響，在鉆削時，煤體應力不同，卸載的時間也不同，鉆孔的實質就是卸載內部煤體應力，所以鉆桿鉆削過程中，四周對鉆桿的應力逐漸減小，孔周圍煤體越來越松軟，鉆桿推力逐漸減小。鉆桿推力、鉆桿位移與煤體應力有很好的對應關系，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力大小變化，在工程應用中可以作為預測煤礦動力災害的指標。選取試件20～100 s時間段內，鉆桿推力平均與煤體應力對比圖，并得到擬合曲線如圖8所示。

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

4　結論

1)建立了數學模型，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模型，在鉆進時的振動會減緩應力集中的效果。

2)試驗結果得出了鉆桿推力與煤體應力的對應關系，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力的大小。

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

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