深部開采鉆孔校驗中鉆進速度對鉆桿轉速影響的試驗研究*

岳立新,楊全春,郝志勇,周正啟

(遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

近年來，隨著礦井高強度的回采作業及開采深度的逐漸增加，高應力作用下采場煤巖動力破壞現象頻度急劇增大[1-3]。同淺部回采相比，危險性和破壞性更大，其對深部煤層高效安全回采構成極大威脅。

針對動力災害突出的區域，不同的學者在提出一系列敏感性指標對其危險性進行直接或間接預警的同時[4-8]，深刻研究了影響預測指標的各種因素，以減小預測誤差，實現高效、精確預警。李忠華等[9]在基于鉆屑溫度預測沖擊地壓的理論上，研究了鉆進速度對鉆屑溫度的影響，提高了利用鉆屑溫度法預測的準確性；唐巨鵬等[10]通過研究不同煤體力學參數對鉆屑量的影響，提出利用新鉆屑量公式對沖擊地壓危險性進行準確預測；朱麗媛等[11]依據對鉆桿扭矩影響條件的分析，指出了鉆進速度對鉆桿扭矩的影響，完善了鉆桿扭矩法預測沖擊地壓的理論體系。因此,針對不同的預測指標，分析對其產生影響的因素，完善預測理論，具有重要的實踐指導意義。

本文在自主研制的鉆孔多參量采集設備的基礎上，驗證了利用鉆桿轉速法測定煤體應力大小的可行性。并通過分析在不同鉆進速度下鉆孔時鉆桿轉速的變化規律，得出二者之間的對應變化關系，這對減小轉速對沖擊地壓等動力災害的預測誤差及深部煤炭高效安全回采具有重要意義

1　鉆進速度與鉆桿轉速理論分析

1.1　鉆頭破煤機理分析

鉆頭作為鉆孔過程中切削破煤的關鍵零件，其性能的好壞直接影響著鉆削設備所測定的不同參量的準確性。而切削刃作為鉆頭破巖的主要部分，對其工作機理的研究可以深刻了解鉆頭破煤巖時的受力規律。

目前，大部分學者普遍認為鉆頭在鉆進煤巖體時以剪切破碎、切削破碎為主，擠壓破碎為鋪，當煤巖體硬度較低時，鉆頭切削刃通過吃入煤巖體層使煤巖體在切向力的作用下不斷產生塑性流動，以實現切削破碎。當煤巖體硬度較大時，切削刃在不同大小扭力作用下接觸并破碎煤巖體，使煤巖體呈現不同程度的剪切破壞。即隨著扭力的增大，鉆頭刀片逐漸向前推進使煤巖體剪切破壞程度逐漸增大，直到產生大剪切破壞，之后扭力又突然減小，刀具切削刃又使煤巖體開始進行從小剪切到大剪切的變化過程，此過程的反復進行是確保鉆頭實現高性能的基礎。若只考慮在切向力和軸向力作用下煤巖體剪切破壞過程，則整個煤巖體剪切破壞的簡化受力分析圖示[12]如圖1所示。

圖1　煤巖體剪切破壞簡化受力分析Fig. 1　Simplified stress analysis diagram for shearfailure of coal and rock mass

對于刀具而言，由水平、豎直方向保持平衡可得：

Q=F+f1cosγ=F+μFN1cosγ

(1)

U=F1+f=F1+μF

(2)

式中：U，Q為鉆頭刀具作用給煤巖體的軸向力和切向力，N；μ為鉆頭與煤巖體的摩擦系數；F為煤巖剪切破碎時，切屑作用在刀具上的水平方向的力，N；F1為煤巖對其的抗切入阻力，N；FN1為F1分解為垂直工作面OA的力，N；f1為FN1在OA面上產生的摩擦力，N；f為豎直方向由F引起的摩擦力，N；γ為切削刀具后角。

同時由幾何關系可得：

FN1=F1cosγ

(3)

聯立式(1)，(3)可得：

Q=F+μF1cos2γ

(4)

由煤巖體剪切過程受力平衡可得：

(5)

式中：T2，FN2分別為煤巖體沿剪切面OB破碎時，鉆頭刀具作用在煤巖體上的合力F2分解到平行和垂直剪切面的力，N；β1為切削面與剪切破壞面的夾角。且力FN2在剪切面上產生的附加阻力f2為：

f2=μ1FN2

(6)

式中：μ1為沿剪切面的煤巖體內摩擦系數。

由于在剪切煤巖體過程中沿剪切面的受力保持平衡可得：

μ1FN2+S1τ=T2

(7)

聯立式(5)，(7)可得：

(8)

假設：

(9)

則可得：

F=kLτ

(10)

又因鉆頭刀具的切削厚度b與切削產生的斷裂面積成比例，則：

F=k1bτ

(11)

式中：k1為煤巖體切削斷裂面積與切削厚度的比例系數。分別將式(1)，(2)與(11)聯立可得：

(12)

其中：

(13)

式中：P0為煤巖體抗壓強度，MPa；S為煤巖體與鉆頭的接觸面積,m2；la，lb為鉆頭刀具刀片長度,m；h為鉆頭每轉進給量,mm/r；β3為刀具后面與前刀面的夾角。且在實際鉆削時，γ值較小，cosγ近似為1，則聯立式(12)，(13)可得：

(14)

同時可得鉆頭刀具作用在煤巖體上的合力F2為：

(15)

其中，

(16)

通過上述分析可得，鉆頭在切削破煤過程中，刀具作用給煤巖體的軸向力U和切向力Q以及作用在煤巖體上的合力的大小F2都與鉆頭刀具參數及煤巖體力學性質有關。在鉆機、鉆桿及鉆頭參數一致的條件下，以恒定速度進行鉆孔，刀具對煤巖體的各作用力的大小主要取決于煤巖體的力學性質。

1.2　鉆桿轉速理論分析

在鉆孔過程中，鉆機的加壓及回轉機構通過鉆桿向鉆頭施加作用力。鉆頭在軸壓和回轉扭矩的作用下不斷切削破煤[13-17]，且在切削過程中產生的阻力使鉆桿具有一個阻力拒，即鉆桿扭矩M0，其計算方法如下：

(17)

式中：R為鉆頭半徑,m；r為刀具切削刃的任意半徑,m；Fm為總阻力，N。

Fm=F3+μF4

(18)

式中：F3為單位刀刃上所受的切削阻力，N；F4為作用在單位刀刃上的平均軸壓，MPa。

根據鉆頭刀具的破煤機理可得，在鉆孔過程中作用在單位刀刃上的切削阻力與煤巖體剪切破壞時刀具作用在其上的力相對應，則可得：

(19)

同時作用在單位刀刃上的平均軸壓F4也可以表示為：

(20)

式中：G為切削刀具自重，N。

聯立式(17)～(20)可得：

(21)

聯立式(17)，(21)可得鉆孔過程中的鉆桿扭矩M0為：

(22)

假設鉆機正常工作時的額定功率為P。則有鉆桿的轉速表示為：

(23)

則聯立式(22)，(23)可得：

(24)

由式(16)，(24)可得，鉆孔過程中鉆桿轉速與煤巖體參數、刀具參數、鉆頭翼數有關，利用同一鉆孔設備向相同煤體中鉆孔時，除了鉆頭每轉進給量h隨著鉆進速度變化外，其余各參量均保持不變，鉆進速度越大，h越大，鉆桿轉速越小，由此可得鉆機正常工作時的鉆進速度對鉆桿轉速有較大影響。

2　試驗研究2.1試驗系統簡介

試驗系統主要由鉆進裝置、測試裝置和加載裝置組成。鉆進裝置主要采用風動鉆機、麻花鉆桿和直徑為42 mm的兩翼鉆頭，鉆孔時，將風動鉆機固定在配套的水平橫梁上，同時通過在橫梁下部合理安設刻度尺并配合計時器來控制鉆進速度的大??；測試裝置通過將自主研制的YD23(A)-C多參量鉆孔采集儀安設在鉆機輸出軸端來對鉆桿轉速進行實時測定，并利用串行口將采集的轉速數據上傳到計算機中進行顯示和分析；加載裝置采用如圖2中所示的YAM-500t微型控制電液伺服壓力機及空氣壓力試驗機分別對制備試件加載不同大小的軸壓和圍壓，以使試件具備不同大小的應力及強度特性。整個試驗系統的實物如圖3所示。

圖2　軸壓、圍壓加載設備Fig.2　Axial compression, confining pressure loading equipment

圖3　試驗測試系統實物Fig.3　Physical test system diagram

2.2　傳感器簡介

本試驗利用自主研發的YD23(A)-C多參量鉆孔采集儀中安設的磁阻傳感器對轉速信號進行識別，即當標準檢測物沿著敏感軸方向經過時，使磁阻傳感器感應出一個正弦信號，用來識別轉速信號。該鉆孔設備通過在鉆臺上安裝標準檢測物，在旋轉過程中，安裝在鉆機旋轉軸上的采集儀中的磁組傳感器感應輸出正弦信號，采集儀內部的轉速通道通過計算信號脈沖數來對轉速進行測定。整個轉速采集儀的實物如圖4所示。

圖4　轉速采集儀實物Fig. 4　Speed acquisition instrument physical map

2.3　試驗試件制作

本次試驗試件模型選用與煤體相似材料制作，依據相似材料強度的配合比表，選取相應抗壓強度的配合比值，將水泥、沙子、水和煤體按比例混合，攪拌均勻后放置在400 mm3的試件制作模具中，標況下養護25 d后進行實驗。本次試驗共制備8個試件，并用1～8號進行標記，將1～4號制備試件用于研究鉆桿轉速與煤體應力關系的試驗，5～8號制備試件用于研究鉆桿轉速與鉆進速度關系的試驗，試件制作模具及所制作試件模型分別如圖5，圖6所示。

圖5　試件制備模具Fig. 5　Specimen making mould

圖6　試件模型 Fig.6　Specimen model

2.4　試驗步驟簡介

本次試驗按照如下步驟進行：

1)將裝有制備試件的鉆屑容器放置到試驗臺中央，連接好鉆機、鉆桿、轉速采集儀以及試驗所用的各種機械和動力裝置；

2)設定轉速采集設備及軸壓、圍壓加載設備的初始性能指標；

3)鉆孔前按照表1所設定的值對#1～4號試件加載不同大小的軸壓、圍壓，同時#5～8號試件加載相同的軸壓和圍壓，大小分別為3 MPa和1.50 MPa；

表1　試件加載記錄

4)開啟鉆機，打開轉速采集儀，實時測定鉆孔時的鉆桿轉速，并利用橫梁下部所安設的刻度尺及秒表對鉆進速度進行控制，鉆孔深度為380 mm;

5)鉆孔結束后，關閉加載設備及轉速采集儀的電源，利用串行口及計算機對采集的轉速數據進行回收和分析。

2.5　試驗結果分析

本試驗通過對試件加載的圍壓和軸壓來模擬井下深部煤層所受水平地應力和垂直地應力，相應試件的有效煤體應力值依據文獻[18]推導為:

(25)

式中：σa為垂直地應力，MPa；σb為水平地應力，MPa；σs為有效煤體應力值，MPa；pm為鉆孔形成后周圍瓦斯壓力，MPa；pn為鉆孔非彈性區瓦斯壓力，MPa，由于本試驗暫不考慮瓦斯含量的影響，則試件有效煤體應力值為：

(26)

依據式(26)可得1～4號試件的有效煤體應力值為1.50，2，2.50，3 MPa；5～8號試件的有效煤體應力值為2 MPa。

在試件煤體強度及鉆孔前鉆桿空轉轉速相同的條件下，先以0.23 m/min的鉆進速度對1～4號試件進行鉆屑試驗，鉆孔時間為100 s，再以0.20，0.25，0.30，0.35 m/min的鉆進速度分別對5～8號試件進行試驗，分別測定鉆進1～8號試件時的鉆桿轉速，并在鉆孔結束后對數據進行回收、分析及處理。

考慮到鉆桿抖動對采集轉速數據的影響，取1～4號試件鉆孔時每10 s采集的轉速數據平均值進行分析，可得不同煤體應力條件下鉆桿轉速時程變化曲線如圖7所示。

圖7　鉆桿轉速時程曲線Fig.7　Drill pipe rotation speed curve

通過圖7可得，由于制備試件尺寸較小，鉆孔過程中所測得的鉆桿轉速值變化不大，且在鉆進速度一致的條件下，煤體應力對鉆桿轉速產生顯著影響。煤體應力越大，鉆桿轉速越小，當煤體應力大小分別為1.50，2，2.50，3 MPa時，相應條件下整個鉆孔過程的鉆桿轉速平均值分別為681.30，634.20，592.50，546.10 rpm，取二者進行分析可得鉆桿轉速和煤體應力大致滿足的線性擬合關系如圖8所示。

圖8　鉆桿轉速與煤體應力關系Fig.8　Drill pipe rotation speed and the coal stress diagram

從圖8可得，鉆桿轉速與煤體應力滿足的擬合關系式為：

y=-89.30x+814.05

(27)

式中：y為鉆桿轉速，rpm；x為煤體應力，MPa。

通過實驗室試驗分析及式(27)可得，在鉆進速度、煤體強度、鉆桿推力及鉆頭參數一致的條件下，鉆桿轉速與煤體應力之間近似呈負相關關系，即鉆桿轉速隨著煤體應力的增加而減小。鉆孔時，煤體應力增大，鉆頭、鉆桿與孔壁摩擦增大，鉆削阻力增大，鉆桿排屑扭矩增加，在恒率下鉆孔時轉速減小，相反，當煤體應力減小時，阻力減小，鉆桿轉速增大。由此可得，鉆桿轉速和煤體應力之間有著很好的對應關系，可以通過測定鉆孔時的鉆桿轉速來反映煤體應力的大小，鉆桿轉速可以作為煤礦沖擊動力災害的預測指標。

為了減小通過鉆桿轉速值測定煤體應力大小的誤差，選取5～8號試件進行試驗分析，記錄在不同鉆進速度條件下鉆桿轉速隨時間的變化情況，依據同樣的處理方法，取每10 s的轉速平均值進行分析，可得鉆桿轉速平均值與鉆進時間的變化關系曲線如圖9所示。

圖9　不同鉆進速度下鉆桿轉速平均值曲線Fig. 9　Average speed curve of drill pipe under different drilling speeds

分析圖9可得，不同鉆進速度下，5～8號試件整個鉆孔過程鉆桿轉速的平均值如表2所示。

表2　不同鉆進速度下鉆桿轉速平均值統計

由表2可得，在煤體應力相同的條件下，鉆進速度影響著鉆桿轉速的變化，鉆進速度越大，鉆桿轉速越小。為了進一步分析鉆進速度對鉆桿轉速的影響，依據所記錄的鉆進不同試件的鉆桿轉速—時間數據，分別選取鉆進深度為50，150，250，350 mm的轉速數據平均值進行分析，可得不同孔深的鉆進速度與鉆桿轉速的關系曲線圖如圖10所示。

圖10　不同孔深鉆進速度與鉆桿轉速曲線Fig. 10　Drilling speed of different hole depth and speed curve of drill pipe

通過分析圖10可得，鉆進相同的孔深，鉆進速度越小，鉆桿轉速越大，鉆進速度越大，鉆桿轉速越小，鉆桿轉速與鉆進速度大致呈現負指數分布的函數關系。同時由理論分析可得，鉆孔過程中的鉆桿轉速與鉆進速度、煤巖體力學性質、刀具參數、鉆頭翼數有關，因此在鉆頭、鉆桿及煤巖體參數一定時，鉆孔時的鉆桿轉速主要取決于鉆進速度大小。

基于利用鉆桿轉速法反映煤體應力大小，進而預測沖擊動力災害發生危險性的可行性，研究鉆進速度對鉆桿轉速的影響，可以減少預測指標的誤差，這對煤礦高效安全生產具有重要的理論指導意義。

3　結論

1)基于對鉆桿轉速的理論分析，找到影響鉆孔時鉆桿轉速變化的因素，從理論上證實了鉆進速度對鉆桿轉速的影響規律。

2)通過對實驗室試驗時所測轉速數據的分析處理可得，在鉆進速度、煤體強度及鉆頭參數一致的條件下，鉆桿轉速與煤體應力呈現負相關，且鉆桿轉速與煤體應力之間有很好的對應性，證實了依據鉆桿轉速測定煤體應力大小，進而預測沖擊地壓等動力災害發生可能性的可行性。

3)為了減少依據轉速指標對沖擊地壓等動力災害預測的誤差，進行了鉆進速度對鉆桿轉速的影響試驗，通過試驗可得，在鉆頭、鉆桿及煤巖體參數一定時，鉆孔時的鉆桿轉速與鉆進速度大致呈現負指數的函數關系，鉆進速度越大，鉆桿轉速越小，相反，鉆桿轉速隨著鉆進速度的增大而減小。因此，在利用鉆桿轉速預測沖擊地壓發生危險性時，必須對鉆桿鉆進速度加以考慮，達到高效、精確預警。

4)考慮到實驗室條件的局限性，為了充分說明鉆進速度對鉆桿轉速的影響規律，需要下一步通過大量的現場實驗來進一步證實。

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