钻屑温度测试煤体法向应力的试验研究

李忠华，朱丽媛，徐连满，于文鑫

（辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 1 23000）

0 引言

含瓦斯煤岩是一个复杂的系统，煤体法向应力的变化是引起其他一系列变化的主导因素，测试煤体法向应力的大小对冲击矿压等煤岩动力灾害的防治具有重要意义［1-2］。目前，钻屑法是一种常用的测试煤体法向应力的方法，该方法相对比较准确可靠且实施简单经济［3］，但其缺点也是很明显的，例如对于软弱煤层，以及煤体法向应力超过强度破碎后，钻孔过程中将产生钻屑量超过极限值的现象，无法判断煤体法向应力。

研究表明，使用煤电钻向煤体中打孔，钻头切削煤体，与孔底、孔壁相互作用，使钻头、孔底、孔壁、钻粉的温度发生变化［4-10］。钻孔周围的煤体将产生应力集中，当地应力较大时，钻孔周围煤体所受应力将超过煤体极限强度，发生塑性损伤，煤体将会破碎，挤压钻杆，钻屑温度（包括钻头温度上升速率、钻孔温度、钻粉温度）增高。因此可通过测试钻屑温度来判断煤体法向应力大小，进而建立钻屑温度与煤体法向应力之间的定量关系，以便由钻屑温度计算该处的应力值，可克服钻屑法的不足。

1 实验设备及方案

1.1 实验设备

钻头温度测试装置（煤电钻、Φ42 mm空心麻花钻杆、钻头、测温探头、旋转滑环）、手持式红外测温仪、电子秤、塑料袋、200 t万能实验机、秒表、温度记录仪、电脑。实验装置如图1所示。

1.2 实验步骤

图1 实验装置图Fig.1 Experiment device

用厚度30mm的铸铁板制作内部尺寸为310mm×310mm×310mm的铁箱。将现场采集的煤块置于铁箱中，周围用水泥沙浆填充。用吊车将立方体试件放置在实验机的下平台上，在试件上表面放一块300mm×300mm×15mm的钢板，在钢板上放置垫块，使钢板均匀受力。实验机上顶板降下，直至接触试件。将热电偶置于钻头内部，导线穿过钻杆与导电滑环连接，导电滑环与数据采集器连接，数据采集器与电脑连接。将红外测温仪使用支架固定好，将测温探头对准钻孔处。开启实验机加载到指定压力。打开测温仪电源开关，调节测温仪。

测温仪开始采集数据20s后，开启煤电钻按指定推进速度进行钻孔。钻进过程中，测温仪每隔2s记录一次钻头温度，红外测温仪每隔5s记录一次煤屑温度。钻孔深度达到300mm时停钻。停钻后10s内将钻头撤出，同时用红外测温仪测试钻孔温度。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

在推进速度为0.22m/min的条件下，分别对试件加载800kN、1000kN、1200kN，相应的煤体法向应力分别为8.9MPa、11.1MPa、13.3MPa。钻进时间为80s，钻孔深度为293mm。

根据记录的温度数据，将开钻前钻头温度作为零值，以时间为横坐标，温度为纵坐标，得到钻孔过程中的钻头温度变化曲线如图2所示。钻孔结束后，立即测试孔壁煤体的温度，得到钻孔温度值如表1所示。自开钻起，每5s测试一次孔口处排出的钻粉温度，得到钻孔过程中钻粉温度数据如表2所示。钻孔结束后，将排出的钻屑收集、称量，得到钻屑量值如表3所示。

图2 钻头温度时程曲线图Fig.2 Time-history curve of drillings temperature

表1 钻孔温度记录表Table 1 Record of borehole temperature

表2 钻粉温度记录表Table 2 Record of coal bit temperature

表3 钻屑量记录表Table 3 Record of drilling cuttingsweight

2.2 试验结果分析

在推进速度为0.22m/min的条件下，煤体法向应力为8.9MPa，钻进时间为80s时钻头上升温度为11.13℃；煤体法向应力为11.1MPa，钻进时间为80s时钻头上升温度为22.39℃；煤体法向应力为13.3MPa，钻进时间为80s时钻头上升温度为30.53℃。从图2可以看出，煤体法向应力对钻头温度的升高有显著影响。在钻进速度相同的条件下，煤体法向应力越大，钻头温度升高越快，钻头温度的最大值随煤体应力的增大而增大，钻头温度的最大值与煤体法向应力的关系如图3所示，其近似呈线性关系，拟合曲线为

ΔTtmax=5.1136σ-31.251

式中：ΔTtmax——钻头温度最大值；

σ——煤体法向应力。

受试件尺寸限制，钻孔深度293mm，记录到的钻头温度最大值为停钻后的数据，只能作为参考数据。实际上，钻头温度上升速率反映了钻进过程中钻头温度变化规律。

煤体法向应力为8.9MPa时钻头温度上升速率为0.14℃/s；煤体法向应力为11.1MPa时钻头温度上升速率为0.28℃/s；煤体法向应力为13.3MPa时钻头温度上升速率为0.38℃/s。钻头温度上升速率与煤体法向应力的关系见图4所示，钻头温度上升速率随煤体法向应力的增大而增大，近似呈线性关系，

拟合曲线为：

vtmax=0.0551σ-0.3448

式中：vtmax——钻头温度上升速率；

σ——煤体法向应力。

图3 钻头温度最大值与煤体法向应力关系曲线图Fig.3 Relationship between maximum drillings bit temperature and coal stress

图4 钻头温度上升速率与煤体法向应力关系曲图Fig.4 Relationship between drillings bit temperature rising rate and coal stress

根据表1做出钻孔温度与煤体法向应力的关系图（图5），从图中可以看出煤体法向应力对钻孔温度的升高有显著影响。在钻进速度相同的条件下，煤体法向应力越大，钻孔温度越高。钻孔温度随煤体法向应力的增大而增大，近似呈线性关系，拟合曲线为：

ΔTp=0.7795σ -2.6163

式中：ΔTp——钻孔温度；

σ——煤体法向应力。

图5 钻孔温度与煤体法向应力关系曲线图Fig.5 Relationship between borehole temperature and coal stress

根据表2做出煤屑温度与煤体法向应力的关系图（图6），从图6中可以看出，煤体法向应力对钻粉温度有一定影响，但不同孔深处钻粉温度变化不大。在钻进速度相同的条件下，煤体法向应力越大，钻粉温度越高。在钻进速度相同、煤体法向应力也相同的条件下，钻粉温度随时间（孔深）的增加近似呈线性关系，拟合曲线分别为：

图6 煤屑温度与钻进时间关系曲线图Fig.6 Relationship between drillings temperature and drilling time

钻进时间t=60s（孔深l=147mm）时煤屑温度与煤体法向应力值如图7所示，可得到钻粉温度与煤体应力的拟合关系

图7 钻粉温度与煤体法向应力关系Fig.7 Relationship between drillings temperature and coal stress

钻屑量随煤体法向应力的增加呈线性增大的趋势，对钻粉温度与煤体法向应力进行拟合，得到拟合曲线：

G0=0.0784σ+0.2427

式中：G0——钻屑量；

σ——煤体法向应力。

实践已证明钻屑量可以反映煤体法向应力的大小，为了得到钻头温度、钻孔温度、钻粉温度与煤体法向应力的关系，将钻头温度、钻孔温度、钻粉温度的分析结果与钻屑量进行对比分析，钻屑量与钻头温度、钻孔温度、钻粉温度的关系如图8所示。

图8 钻头温度上升速率、钻孔温度、钻粉温度与钻屑量对比图Fig.8 com parison of drillings bit temperature，borehole temperature，drillings temperature and drilling cuttings weight

从图8中可以看出，钻头温度上升速率、钻孔温度、钻粉温度与钻屑量有很好的对应关系。随钻屑量的增加，钻头温度上升速率、钻孔温度、钻粉温度均呈上升趋势。矿井动力灾害预测实践表明，钻屑量的大小反映了煤体应力的大小，煤体法向应力增加时，冲击/突出危险性增加，钻屑量也增加。由于钻屑温度与钻屑量有很好的对应关系，所以钻屑温度可以作为矿井动力灾害的预测参考指标。

3 结论

（1）煤体在不同应力状态条件下，钻屑温度的大小也不相同；随着煤体法向应力水平的增大，钻屑温度随之增大；

（2）在一定范围内，钻头温度最大值、钻头温度上升速率、钻孔温度、煤屑温度与煤体法向应力水平基本呈线性关系。

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