沖擊載荷侵入軟巖特征分析

王四一

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

空氣潛孔錘沖擊回轉鉆進技術以壓縮空氣作為動力、通過“動載沖擊+回轉切削”聯合方式碎巖鉆進，原理上這種工藝更適合鉆進完整的、中硬和中硬以上的彈-脆性巖石，即硬巖地層[1]。在煤礦區沉積巖地層中開展應急救援生命保障孔鉆進施工，往往鉆遇的地層類型較多—泥巖、頁巖、砂巖、灰巖等。針對不同可鉆性、不同性質的地層采取不同鉆進工藝方法是可靠成孔的首選方案，然而，對于煤礦區應急救援生命保障孔而言，快速成孔客觀上要求盡可能采取單一工藝方法成孔，一方面減少配套鉆具種類、數量及輔助工程量，縮短準備時間；另一方面減少更換工藝所需的起下鉆及系統轉換的工作量，縮短輔助時間。

空氣潛孔錘沖擊回轉鉆進工藝在煤礦區地面應急救援生命保障孔施工中要發揮更大作用必須進一步提升地層適應能力，為一趟鉆成孔創造條件。而要改進、提升沖擊回轉鉆進工藝對不同地層的適應能力，首先需要對沖擊動載對不同巖性的巖石的碎巖機理進行深入研究[2]。國內外學者針對沖擊破巖機理研究開展了大量的工作。楊甘生[3]通過理論分析的方法研究了回轉沖擊作用下巖石裂紋的擴展規律及破碎坑的形成過程；祝效華等[4-5]通過有限元法分析了旋沖作用下巖石裂紋擴展、損傷演化等特征，認為旋沖鉆井技術適合于易發生脆性破壞的硬巖層，而不適合軟地層；劉偉吉等[6]建立了復合沖擊切削模型，通過數值模擬的方法對比分析了扭轉沖擊切削和復合沖擊切削的破巖方式和破巖效率，認為在硬巖層破巖過程中存在最優的沖擊幅值和頻率，然而不能提高軟巖破巖效率。由于現場鉆取軟巖難度較大，可重復性差，目前針對軟巖沖擊破巖機理研究主要采用理論分析和數值模擬的方法，相似材料模型實驗具有制作成本低、展示形象、可重復性等優點，已成為巖體力學、鉆探工程等室內研究的重要手段[7-9]。劉德軍等[10]采用精鐵粉、石英砂和重晶石粉等原材料研制了具有流變特性的鹽巖相似材料；儲昭飛等[11]采用鐵粉、重晶石粉、松香酒精和液壓油等原材料研制出軟巖相似材料，很好的模擬了軟巖的強流變性；姚國強等[12]基于正交實驗設計方法制作了巖體相似材料，其物理力學參數具有較大的取值范圍。

目前針對沖擊載荷下軟巖的侵入特征及破碎特征研究較少，為此，利用動態仿真分析手段，揭示沖擊載荷對軟巖的作用機理，并通過選型合適的原材料，設計原材料配比方案，研制符合軟巖力學特性的相似材料，在沖擊破巖實驗臺上進行沖擊實驗，探討不同沖擊功作用下球齒在軟巖表面的侵入特征，為軟巖鉆進提速和鉆具優化提供理論指導。

1 軟巖相似材料制備

1.1 材料選擇

將單軸抗壓強度＜25 MPa 的巖石定義為軟巖，為制備出符合軟巖巖體力學特征的試樣，相似材料的選擇需要著重考慮沖擊荷載作用下軟巖的變形及破碎特征，還需考慮材料的經濟性、穩定性和環保性，骨料應級配均勻、性能穩定，膠結材料應保證骨料顆粒之間充分黏合，同時，改變相似材料配比方案，所制備的試樣的力學強度能產生較大的變化。

此次制備軟巖相似材料，以石英砂、重晶石粉和鐵精粉作為骨料，3 種骨料級配良好、物理化學性質穩定，石英砂細度規格為40～70 目（212～380 μm），重晶石粉細度規格為400 目（38 μm），鐵精粉細度規格為80 目（180 μm）；以石膏和水泥作為膠結劑，石膏為GRG 增強型石膏粉，水泥為C52.5 硅酸鹽水泥；以甘油為添加劑。

1.2 軟巖相似材料制備

為了設計出合適的軟巖相似材料配比，基于正交實驗設計理論，進行大量的試配工作，充分考慮砂膠質量比、水泥石膏比等因素對軟巖相似材料的影響，設計出5 因素、4 水平正交實驗，相似材料水平正交設計見表1。其中因素A 為重晶石粉、鐵精粉質量之和與骨料總質量比值，因素B 為鐵精粉質量與鐵精粉、重晶石粉質量之和的比值；因素C 為膠結劑與總質量的比值，因素D 為石膏質量與膠結劑質量的比值，因素E 為甘油與試樣總質量的比值。采用標準規格?50 mm×100 mm 的模具，利用澆筑的方式進行軟巖相似材料的制備，標準模具及制備的試樣如圖1。

表1 相似材料水平正交設計Table 1 Similar materials horizontal orthogonal design

圖1 標準模具及制備的試樣Fig.1 The standard mold and sample preparation

在室內對制備的軟巖相似材料進行單軸壓縮實驗，得到的軟巖抗壓強度應力應變曲線如圖2。軟巖內部不同程度地存在微小裂隙或孔隙，在軸向壓力的作用下，起始階段裂隙或孔隙沿試件軸向逐漸被壓密，然后進入彈性階段，此時主應力繼續增加，試件內部裂隙橫向擴展，巖石進入塑性階段，并隨應力的增加裂隙進一步擴展，直至試件破壞。

圖2 軟巖抗壓強度應力應變曲線Fig. 2 Soft rock stress strain curve of compressive strength

單軸壓縮實驗結果表明：隨著水泥和石膏的含量增加，試樣的單軸抗壓強度值增大；隨著重晶石粉含量的增加、膠結劑含量的減少，試樣的單軸抗壓強度值降低。通過改變相似材料的配比方案，可使試樣單軸抗壓強度值在1～20 MPa 范圍內變化，表明相似材料的選型和配比方案可以用來模擬軟巖。

通過對多組配方進行實驗，擬選取3 種配比的相似巖樣進行沖擊實驗，軟巖相似材料配比方案見表2。

表2 軟巖相似材料配比方案Table 2 The schemes of similar materials in soft rock

2 沖擊破巖實驗裝置

2.1 裝置總體結構

開展室內沖擊破巖實驗是揭示軟巖侵入特征及力學行為最直觀的方式，為更好地模擬沖擊載荷軟巖侵入特征，針對性研制了室內沖擊破巖實驗裝置，其主要由沖擊落錘、球齒-砧體、試樣夾具和底座立架等4 部分組成，沖擊破巖實驗裝置如圖3。

圖3 沖擊破巖實驗裝置Fig.3 The impact rock breaking test device

沖擊落錘主要將重力勢能轉換為動能，提供沖擊載荷，通過改變沖錘的質量及提升高度來改變沖擊功的大小；球齒-砧體主要傳遞沖擊落錘的重力勢能，并通過球齒作用于試樣上；試樣夾具部分主要用于夾持試樣，保證沖錘垂直方向作用于試樣，不產生側向移動；底座立架主要為其他部件提供安裝空間和支撐。

2.2 主要部件

主要部件結構圖如圖4。

圖4 主要部件結構圖Fig. 4 Structure diagrams of main components

1）沖擊落錘部分。由沖錘組件、提升組件和導桿組成。沖錘組件采用長柱形結構，通過沖錘的自由落體模擬空氣潛孔錘的“沖錘”對鉆頭尾部的沖擊作用。提升組件以24 V、75 W 的直流電機為動力源，通過鋼絲繩和電磁鐵控制沖錘起落，通電狀態下可控制電磁鐵將沖錘提升至預定高度，斷電狀態下沖錘組件失去磁吸力快速落下；導桿用于控制沖垂組件在豎直方向上提升、落下。

2）球齒-砧體部分。主要由沖擊砧體和加壓組件組成。沖錘與沖擊砧體發生直接碰撞進行能量的交換傳遞，根據沖擊鉆具的實際結構特征，將沖擊砧體設計為柱-錐結構，砧體中間設計為通孔結構，以便更換不同規格類型的球齒進行沖擊破巖實驗；加壓組件主要是給砧體施加垂直方向的預緊力，確保沖錘與砧體發生碰撞后不產生反彈。

3）試樣夾具。為保證室內沖擊破巖實驗過程中試樣的固定，設計了邊長100 mm 的正方體試樣夾具，由端板和側板組成，通過螺栓固定，也可通過在端板和側板施加預應力，模擬軟巖試樣受水平方向地應力環境。

沖擊破巖實驗裝置工作原理：提升組件將沖錘提升至實驗設計的高度，電磁鐵的通斷控制沖錘下落時間，加壓組件施加軸向壓力，壓緊巖樣，試樣夾具夾緊巖樣，并且通過斜面的配合模擬圍巖壓力。各組件的配合還原了沖擊器碎巖的過程，沖錘質量、沖擊高度可根據所選擇沖擊器的型號進行相應調整。

3 沖擊模擬實驗

3.1 總體實驗方案

室內沖擊模擬實驗選確定沖錘質量為5 kg，選取沖擊功、沖擊次數、球齒類型等因素分析沖擊載荷作用軟巖的侵入特征。

1）沖錘距離試樣表面高度分別為50、70 cm，模擬沖擊功25、35 J。2）選用硬質合金沖擊球齒，?12 mm 和?16 mm。3）選取配比編號1、2、3 號相似巖樣進行實驗。

3.2 實驗步驟

1）固定軟巖試樣。將軟巖試樣置于夾具組件內，利用端板和側板夾緊軟巖試樣并進行固定，利用扶正塊使夾持組件及軟巖試樣保持豎直，保證軟巖試樣在垂直方向受力。

2）安裝預壓力機構。將預緊彈簧組件固定到位，根據實驗需要給軟巖試樣施加壓力，保證在沖錘與軟巖試樣作用不產生明顯回彈，從而改善沖擊載荷的傳遞條件。

3）設置預定的沖擊功。根據實驗方案，選擇預定質量的沖錘，控制提升系統，將沖錘組件提升至預定高度，以得到預定大小的沖擊功。

4）完成單次沖擊。通過斷電使得電磁鐵突然消磁，沖錘失去磁吸力自然下落作用于沖擊砧體，球齒完成對軟巖試樣的瞬時沖擊。

5）數據記錄。記錄球齒侵入到軟巖試樣中的深度，取出夾具及試樣，記錄沖擊坑的形貌特征。

6）考察多次沖擊作用下軟巖試樣的侵入及破碎特征時，標記好沖擊高度，重復實驗步驟3）～步驟5）。

3.3 實驗結果

1）25 J 沖擊功?16 mm 球齒作用于軟巖試樣時，最大侵入深度3.32 mm；35 J 沖擊功作用于軟巖試樣時，球齒最大侵入深度4.94 mm，說明隨著沖擊功的增大，球齒的侵入深度增大。此外，沖擊載荷作用下軟巖破碎特征呈現出與硬巖脆性破碎不同的特征，當沖擊功較小時，在軟巖試樣表面形成的沖擊坑形貌比較規整，試樣的損傷不明顯；當增大沖擊功后，球齒與試樣表面接觸位置被急劇壓縮，形成的沖擊坑的體積有所增大，在其邊緣位置可見明顯的巖屑出現。因此，大沖擊功鉆具對軟巖鉆進更為有效。

2）采用25 J 沖擊功?16mm 球齒對試樣進行多次沖擊，探究沖擊次數對軟巖侵入特征的影響，當第1 次沖擊完成后，球齒侵入深度只有3.32 mm，隨著沖擊次數的增加，侵入深度不斷增大，但增大速率逐漸減緩，當沖擊8 次后，球齒侵入深度達到最大5.72 mm，再次沖擊侵入深度增加不明顯，表明沖擊載荷在軟巖侵入過程中存在1 個極限侵入值，單純增加沖擊次數并不能提高軟巖試樣的侵入深度，軟巖試樣多次沖擊后產生的累計損傷不足以支撐裂紋的持續擴展，大部分沖擊功轉換為軟巖的塑性應變能[13-15]。因此，增加鉆具沖擊頻率對提高碎巖效率作用較小。

3）選用直徑為?12 mm 和?16 mm 的2 種規格直徑球齒，在相同條件下，?12 mm 規格球齒侵入深度更大，但沖擊坑形貌比較規整，產生的巖屑體積也不如?16 mm 球齒大。即，相同條件下，球齒規格越小，侵入深度越大，形成的巖屑體積反而越小。因此，采用大直徑球齒鉆頭更有利于軟巖鉆進。

4）對比3 種配比軟巖侵入深度、沖擊坑形貌特征，相同沖擊作用下，試樣越軟，沖擊深度越深，沖擊坑越規整，產生的巖屑越少。因此，針對強度超低的軟巖層，采用柱-片復合鉆頭（帶柱齒和PDC 片具有回轉切削功能）代替球齒鉆頭，利用沖擊作用使PDC 片吃入巖層，配合回轉切削碎巖可以大幅提高鉆進效率。

4 沖擊破巖仿真模擬

4.1 多體動力學仿真

根據沖擊實驗臺實際安裝情況，僅導正板、沖錘、砧體、球齒夾具、球齒為運動零件，其余零件固定安裝。導正板導向孔與導桿同心約束，導正板與沖錘同心約束，端面重合約束，沖錘與導正板起始位置半懸于空中。動力學仿真簡化為沖錘與導正板作自由落體運動，向砧體尾部沖擊，球齒沖擊巖樣。通過仿真可以計算出山沖錘與砧體沖擊接觸力曲線。該仿真如實反應了空氣潛孔錘活塞沖擊鉆頭尾部，沖擊力使鉆頭齒侵入巖層的過程，得出的沖擊力曲線圖較為可靠。

沖錘與導正板質量之和為5 kg，沖錘與砧體距離分別設置為50、70 cm，然后將距離約束壓縮，模擬沖錘自由落體撞擊砧體，根據重力勢能計算公式可知，50 cm 沖擊功為25 J，70 cm 時為35 J。

運行仿真后得到的動力學仿真載荷曲線圖如圖5。50 cm 高度沖擊得到的瞬時沖擊力為1 753 N，70 cm 高度瞬時沖擊力為2 372 N。沖擊力曲線圖充分展現了沖擊碎巖的優點，沖擊作用時間極短，沖擊力遠大于沖錘本身質量（5 kg）產生的重力49 N，仿真結果是符合動量守恒定律的。

圖5 動力學仿真載荷曲線圖Fig.5 Dynamic simulation load curves

4.2 瞬態動力學有限元仿真

將動力學仿真結果得到的受力曲線圖加載于砧體尾部，進行瞬態動力學有限元仿真，可得到沖擊產生的位移云圖，應力云圖，觀察球齒侵入軟巖試樣的深度以及沖擊瞬間產生的最大應力，并通過實驗進行對比驗證。

軟件沖擊載荷曲線錄入如圖6，模擬單次沖擊時，將圖5 的沖擊載荷曲線導入1 次，模擬多次沖擊時可導入多次。材料屬性設置如圖7，瞬態動力學仿真需要設置材料的彈性模量、密度、泊松比、抗剪模量、張力強度（抗拉強度）、壓縮強度（抗壓強度）、屈服強度。仿真分析應力云圖如圖8。

圖6 沖擊載荷曲線錄入Fig. 6 Impact load curve input interface

圖7 材料屬性設置Fig. 7 Material property setting

仿真結果分析：對于侵入深度相關結論，仿真模擬與實驗是一致的，僅對沖擊應力及影響范圍進行對比分析。對比圖8（a）和圖8（b）可知，沖擊齒直徑越大，沖擊力對巖層影響深度越深，從瞬時應力值角度，沖擊齒直徑越小，對巖層形成的瞬時應力越大。由于軟巖強度低，不同直徑球齒瞬時應力均已遠超軟巖屈服強度，因此認為，大直徑沖擊齒更有利于沖擊力的傳播，影響深度更深。

圖8 仿真分析應力云圖Fig. 8 Stress cloud diagrams of simulation analysis

綜上所述，沖擊鉆具在軟巖中鉆進，增加沖擊功和鉆頭齒直徑更為有利。

4.3 實驗結果與模擬仿真對比

1）仿真模擬與實驗部分互為印證，從侵入深度角度：50 cm 沖擊高度（25 J）?16 mm 球齒仿真侵入深度約4.09 mm，實驗數值為3.32 mm；70 cm 沖擊高度（25 J）?16 mm 球齒仿真侵入深度約5.54 mm，實驗數值為4.94 mm。相差不大，并且模擬仿真和實驗在大趨勢上一致

2）仿真模擬也可以作為實驗的補充：通過瞬態動力學有限元分析，可揭示沖擊作用對巖樣的最大作用應力以及沖擊影響范圍，一定程度上替代了檢測儀器。仿真模擬顯示，相同沖擊功作用下，大直徑球齒作用應力小于小直徑球齒，但均遠大于巖層屈服應力，但是大直徑球齒影響范圍遠大于小直徑球齒，因此認為針對軟巖，選擇大直徑球齒更為有利。

5 結 語

1）基于軟巖地質力學特征和正交實驗理論，設計了軟巖相似材料選型及配比方案，確定采用水泥、石膏、重晶石粉、鐵精粉和石英砂作為原材料，利用澆筑的方式制作了軟巖相似材料，其單軸抗壓強度與軟巖接近，并可根據需要在1～20 MPa 調整，可重復性強。

2）設計了室內沖擊破巖實驗裝置，可實現單次或多次沖擊模擬實驗，具有可重復性好、安全可靠等優點。

3）通過軟巖沖擊實驗可知：在沖擊載荷作用下軟巖呈現塑性變形，無明顯壓碎特征；相同條件下，沖擊功越大，軟巖中侵入深度越大，球齒規格越小，侵入深度越大，形成的巖屑體積反而越小；沖擊載荷在軟巖侵入過程中存在1 個極限侵入值，單純增加沖擊次數并不能提高軟巖的侵入深度。因此，大沖擊功鉆具、大直徑球齒或者柱-片混合型鉆頭（帶柱齒和PDC 片具有回轉切削功能）對軟巖鉆進更為有效。

4）通過動力學仿真得出了沖擊載荷曲線圖，曲線圖充分展現了沖擊鉆進的優勢，沖擊作用時間極短，沖擊力較沖錘本身重力放大了數十倍。

5）通過瞬態動力學有限元仿真可知，沖擊鉆具在軟巖中鉆進，增加沖擊功和鉆頭齒直徑更為有利。

6）仿真和實驗結合的方法可以相互印證，并且仿真軟件擁有良好過程監視功能和后處理功能，可對實驗無法看到的現象進行過程描述，更準確地揭示其中的機理。