应力状态对煤巷顶板锚固孔钻进速度的影响

刘少伟,刘栋梁,冯友良,李鑫涛,尚鹏翔

(河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003)

应力状态对煤巷顶板锚固孔钻进速度的影响

刘少伟,刘栋梁,冯友良,李鑫涛,尚鹏翔

(河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003)

采用有限元数值软件对煤巷顶板常见岩石在不同应力状态下模拟钻进,发现应力状态对煤巷顶板岩石锚固孔的钻进速度影响不明显。从钻进位移和实时钻进速度两方面对煤巷顶板不同类型岩石钻进结果进行分析讨论,认为平均钻进速度可作为衡量岩石类型的一个较好指标。通过各类岩石瞬时钻进速度的分析,钻头的回弹是不同岩石力学特性的反应,可通过对回弹次数、正面积和负面积等参数对不同岩层进行识别。

煤巷顶板锚固孔;钻进速度;应力状态

自20世纪90年代以来,锚杆支护以其显著的技术和经济优越性在煤巷围岩控制中获得了广泛应用,是巷道支护技术的一场革命[1－2]。煤巷顶板锚固孔钻进是锚杆支护的一个重要环节,锚固孔钻进速度不仅影响着锚固孔的成孔的速度和效率,还对煤巷的施工管理和工程进度有着重要的影响。煤巷顶板为沉积层状岩体,各层的岩性不同,多为砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、砂质页岩及石灰岩等,其中直接顶主要以粉砂岩、砂页岩、泥岩为主,基本顶以砂岩、石灰岩及砂砾岩为主[3－4]。顶板锚固孔现场钻进过程中,常出现时快时慢现象。钻进速度的变化影响因素较多,包括顶板岩层物理力学结构(顶板组合岩层的尺寸、节理发育程度、岩石类型)及应力状态等。反之,钻进速度也能反映顶板的岩层结构及应力状态。顶板岩层结构及应力状态是锚杆支护煤巷冒顶的原因,所以通过顶板锚固孔的钻进速度可间接反映煤巷顶板的稳定性,如图1所示。本文主要研究应力状态与顶板锚固孔钻进速度的关系,为顶板锚固孔钻进速度的重要影响因素的确定提供理论参考。

图1 煤巷顶板锚固孔钻进速度与冒顶的关系Fig.1 Relationship between the drilling velocity of anchorhole in coal roadway roof and roof fall

1 钻进模型基本假设及建立

1.1 钻进模型基本假设

煤巷顶板锚固孔的钻进是一个复杂的过程,主要受顶板岩体力学参数和锚杆钻机参数的影响。为便于分析,模型做以下基本假设[3,5－7]:

(1)锚固孔钻进前,岩体未发生塑性变形,处于弹性变化范围内,即:巷道随掘随支。

(2)钻进过程中,钻孔轨迹控制良好,钻头以垂直于巷道顶板的方式进行钻进,且不考虑钻杆与孔壁的摩擦影响。

(3)由于锚杆钻机的钻头相对于巷道顶板岩体具有很高的硬度和强度,因此假设钻头为刚体。

(4)岩石单元钻进失效后,不再考虑其被重复破碎的问题,破碎的岩石单元不再影响后续的钻进工作。

(5)现场锚杆钻机常采用气动式锚杆钻机,风压是气动锚杆钻机的动力源,给钻机提供轴向推力和旋转切削力。利用CAE软件建立ϕ28 mm的气动锚杆钻机钻头的三维模型,如图2所示。钻头的边界条件:推力为6 000 N,转速220 r/min,给钻头施加除轴向的其他方向的约束,即保持钻孔垂直于巷道顶板。

图2 锚杆钻机钻头三维模型Fig.2 3D model of bore bit

(6)研究表明,当巷道埋深H≥20R0(R0为巷道半径)时,可以忽略巷道影响范围(3～5倍R0)内岩石的自重(图3),水平原岩应力可以简化为均布的[3]。因此,为便于对结果的处理,对组成煤巷顶板的各岩层进行单独钻进分析,不同应力状态下对不同岩层的钻进时间统一为2 s。

图3 深埋巷道力学特点Fig.3 Mechanical characters of deep roadway

1.2 钻进模型的建立

钻进模型选用沽源煤矿煤巷顶板岩石,通过实验室实验得出煤巷顶板各岩层力学参数(表1)。

表1 岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters

钻进的岩体模型尺寸为300 mm×300 mm× 300 mm,满足钻孔中心距边界大于5倍的钻头直径要求[8]。岩石和钻头模型采用四面体自由网格划分,为了保证结果精度及节省计算时间,对钻头钻进影响较大的区域尽量细化网格,而其他地方适当增加网格尺寸[6,9－10]。岩石的屈服准则较多,对于均质的岩石类型,常采用的是Drucker－Prager准则和Mohr－Coulomb准则[6]。Drucker－Prager准则是在Coulomb准则和Mises准则的基础上扩展和推广而得,且在一定情况下可与Mohr－Coulomb准则相互转化[9],能较好地反映岩石的屈服过程,故选用Drucker－Prager模型,岩石的破坏选用剪切损伤破坏。图4为煤巷顶板岩石钻进试验模型示意,利用该方案对沽源煤矿某煤巷顶板的各类型岩石进行钻进,参数见表1[11],研究应力状态对煤巷顶板锚固孔钻进速度的影响。

图4 煤巷顶板沉积岩体钻进试验方案示意Fig.4 Drilling test plan schematic of sedimentary rock in coal roadway roof

2 钻进方案的确定

有关研究表明[2,12],一般将侧压系数大于1.2的区域为高构造应力区,小于1.2的区域为一般构造应力区。因此,钻进方案主要分两类各3组。

沽源煤矿的巷道埋深约800 m,垂直应力σv约为20 MPa,最小水平主应力约为0.75倍的垂直应力,即15 MPa,通过最大水平主应力变化得出不同应力状态下的钻进方案(表2)。

表2 不同应力状态下钻进方案Table 2 Drilling programs under different stress states

3 模拟结果分析

3.1 锚固孔钻进特征分析

锚固孔的钻进是在气动锚杆钻机的作用下,通过风压来控制气腿的推力和钻头转速完成旋转切削破岩。图5为各类岩石在高构造应力区(λ=1.5)情况下钻进2 s时的钻进深度。泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、灰岩的钻进深度分别为83.8,59.0,41.1,34.9 mm,不同岩石的钻进深度不同。不同岩石类型具有不同的平均钻进速度,不同平均钻进速度也正是不同类型岩石的反映。由此可知,平均钻进速度是评价岩石类型的较好指标,对于煤巷顶板锚固孔钻进过程的岩层类型识别以及预防煤巷冒顶有重要意义。

为具体分析锚固孔钻进过程,对钻进砂质泥岩(钻头完全进入)的瞬时速度进行分析,如图6所示。由图可知,钻头在锚固孔的钻进整体呈“上台阶式”钻进过程,钻头存在回弹的现象,岩石钻进速度不均匀,呈波动性变化。

图6 砂质泥岩的钻进过程示意Fig.6 Illustration of the process of drilling sandy mudstone

3.2 应力状态对锚固孔钻进速度的影响

根据模拟结果得出不同应力状态下各岩石钻进时钻头位移,见表3。

表3 不同应力状态下各岩石钻进时钻头位移Table 3 Drilling bit displacement various types of rock under different stress statesmm

由表3可看出:①相同应力状态下,钻进各类型岩石的钻头位移不同,即其平均钻进速度也是不同的,主要与岩石的力学参数有一定的关系。②钻进各类型岩石钻头的位移随最大水平主应力σH(或侧压系数λ)的增加并没有呈现出明显的变化规律。③在不同应力状态下,钻进泥岩时钻头位移最大为105.0 mm,最小为102.0 mm,相差为3 mm;砂质泥岩时最大位移为80.3 mm,最小为75.6 mm,相差为4.7 mm;粉砂岩时位移最大为62.7 mm,最小为59.8 mm,相差仅1.9 mm;灰岩时位移最大为57.0 mm,最小为53.3 mm,相差为3.7 mm。通过钻进过程数据的实时采集(剔除初始钻头与岩石的距离20 mm,如图6(a)中的钻头未接触岩石区域),可以得出各岩石类型的平均钻进速度:泥岩的平均钻进速度最大为46.4 mm/s,最小为44.7 mm/s,相差仅1.7 mm/s;砂质泥岩的平均钻进速度最大为30.3 mm/s,最小为32.9 mm/s,相差为2.6 mm/s;粉砂岩的平均钻进速度最大为23.3 mm/s,最小为21.7 mm/s,相差仅1.6 mm/s;灰岩的平均钻进速度最大为20.5 mm/s,最小为18.0 mm/s,相差为2.5 mm/s。仅从钻进速度来说,应力状态对各岩石的平均钻进速度均影响不大,但是一定长度锚固孔的钻进是一个时间问题,不同的岩性之间更是有差别。以砂质泥岩为例,若钻进2 400 mm的锚固孔,最短为74.3 s,最长为80.4 s,相差仅6.1 s,而钻进位移却相差达180 mm,可见应力状态虽然对砂质泥岩钻进速度的影响不明显,但如果锚固孔长度较大时,例如长度较大的锚索孔(5～10 m)钻进时间存在较大影响。因此,不论高构造应力区域还是一般构造应力区域的煤巷对顶板锚固孔的钻进时间存在一定的影响,但对钻进速度影响不明显。

3.3 锚固孔钻进速度的探讨

由于应力状态对锚固孔钻进速度的影响不大,取一般构造应力区(λ=1.1)情况下钻进不同岩石类型时钻头的位移和瞬时钻进速度进行分析(图7,8)。

图7 钻进不同岩石类型时钻头位移Fig.7 Drilling bit displacement of different types of rock

(1)从钻进位移看岩石的平均钻进速度。

图8 钻进不同岩石类型时钻头瞬时钻进速度Fig.8 Instantaneous rock drilling velocity of different types of rock

分析图7可知,不同岩石的位移钻进曲线在一定斜率的直线附近波动,即钻进速度可以通过直线的斜率近似的表示,称为平均钻进速度。4种岩石的平均钻进速度大致有以下关系:泥岩＞砂质泥岩＞粉砂岩＞灰岩,灰岩与粉砂岩的平均钻进速度差别不大,而灰岩与泥岩的差别还是比较明显的。由于煤巷顶板是不同岩性的岩层组合,其厚度不一、岩石力学参数也各不同,在实际煤巷顶板锚固孔钻进过程中,钻进的位移曲线是波动性的前进过程,即使实时监测,当岩层发生变化时,易误认为仍在同一岩层中钻进,尤其是对于岩石的力学参数比较接近的岩层。当岩石钻进速度变化不太明显的情况下,仅从钻进位移看钻进速度具有明显的滞后性,因此,相关学者[13－16]对顶板锚固孔的钻进的研究,采用多因素对顶板岩层结构进行识别,如:钻进速度－转速－推力。

(2)从实时钻进速度看平均钻进速度。

由图8可知,4种岩石的钻进速度均呈波动状,波形各不相同。图中各岩石的回弹次数(即“0”下的振动次数)不尽相同。钻进过程中钻头的回弹是正常现象,根据回弹原理可测定岩石的硬度[17],岩石的硬度对锚固孔的钻进速度有一定的影响,不同的钻进速度在一定程度上可以反映出不同强度的岩石,可见回弹是不同岩石特性的反应,岩石在钻进过程中的回弹也正是不同岩石力学参数的反应。回弹次数越多,回弹的时间就越长,钻进的位移就越小,平均钻进速度也就越小。对于速度曲线的速度线与时间轴所围成的面积,即为路程,在图中面积可分为正面积SZ和负面积SF,正面积为向上钻进路程,负面积向下回弹的路程,那么,平均钻进速度=(SZ－SF)/t。回弹次数越少,正面积越大,负面积越小,岩石的平均钻进速度就越大。图中4种岩石间的钻进回弹次数之间的关系为:泥岩＜砂质泥岩＜粉砂岩,泥岩＜砂质泥岩＜灰岩,粉砂岩(15次)和灰岩(13次)间的回弹次数相近;且负面积间也有明显的关系:泥岩＜砂质泥岩＜粉砂岩＜灰岩;由表3可知,4种岩石的平均钻进速度的关系为:泥岩＞砂质泥岩＞粉砂岩＞灰岩,而粉砂岩和灰岩间的平均钻进速度较为接近。事实上,钻头回弹次数的监测是方便易行的,实时钻进过程中采集钻进速度曲线也是具有可操作性的,故在钻进中,对回弹次数、正面积和负面积进行实时分析,在岩层识别方面有着重要的意义。

4 结 论

(1)应力状态对煤巷顶板岩石锚固孔钻进速度的影响不明显。因此,煤巷顶板锚固孔钻进过程中速度变化时,出现的偶发冒顶现象,应力状态对其影响不大,为实验室钻进模拟模型简化提供了理论基础。

(2)从钻进位移和实时钻进速度两个方面对煤巷顶板不同类型岩石钻进结果分析可知,平均钻进速度是衡量岩石类型的较好指标,为现场快速判别煤巷顶板锚固孔内岩石类型提供依据。

(3)钻头的回弹是不同岩石力学特性的反应,利用回弹次数、正面积和负面积等参数可进行岩石类型的判断,为煤巷顶板锚固孔内岩层特征识别和冒顶的预防具有重要的意义。

参考文献:

[1] 康红普.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[2] 刘少伟.锚杆支护煤巷冒顶危险的应力影响及工程应用[J].采矿与安全工程学报,2007,24(2):239－242.

Liu Shaowei.Effect of stress on roof falling in coal drift supported by bolts and its engineering application[J].Journal of Mining&Safety Engineering,2007,24(2):239－242.

[3] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[4] 车书成,张荣伟.煤矿地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1996.

[5] 陈 勇,万教育,赵子仁,等.PDC钻头破岩的动态数值模拟[J].新疆石油天然气,2009,5(3):69－73.Chen Yong,Wan Jiaoyu,Zhao Ziren,et al.Dynamic numerical simulation of PDC bits rock breaking[J].Xinjiang Oil&Gas,2009,5 (3):69－73.

[6] 林铁军,练章华,孟英峰,等.空气钻井中动态破岩有限元仿真研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(S2):3592－3597.

Lin Tiejun,Lian Zhanghua,Meng Yingfeng,et al.Finite elements method study on dynamic rock breaking in air drilling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27 (S2):3592－3597.

[7] 马凤清,唐 波,冯光通,等.三牙轮钻头与地层相互作用动力学数值模拟[J].石油矿场机械,2012,41(9):5－9.

Ma Fengqing,Tang Bo,Feng Guangtong,et al.Study of dynamical numerical simulation of the interaction between three-cone bit and formation[J].Oil Field Equipment,2012,41(9):5－9.

[8] 徐小荷,余 静.岩石破碎学[M].北京:煤炭工业出版社,1984.

[9] 朱以文,蔡元奇,徐 晗.ABAQUS与岩土工程分析[M].香港:中国图书出版社,2005.

[10] 陈卫忠,伍国军,贾善坡.ABAQUS在隧道及地下工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[11] 河南理工大学岩石力学实验室.沽源金牛能源有限公司巷道围岩物理力学参数试验报告[R].焦作:河南理工大学,2010.

Laboratory of Rock Mechanics,Henan Polytechnic University.Test report of rock mechanical properties of Guyuan Jinniu Energy Co., Ltd[R].Jiaozuo:Henan Polytechnic University,2010.

[12] 蒲文龙,张国华.长沟峪煤矿地应力测量及煤巷稳定性分析与控制[J].煤炭工程,2006(10):68－70.

Pu Wenlong,Zhang Guohua.The ore crustal stress measure of Changgouyu Mine and analyse the stability of country rock and controlled[J].Coal Engineering,2006(10):68－70.

[13] 刘少伟,马念杰,武建栋,等.锚杆支护煤巷冒顶危险区预测及工程应用[M].北京:煤炭工业出版社,2009.

[14] 贾明魁.岩层组合劣化探测技术研究[J].中国矿业大学学报, 2006,35(1):44－48.

Jia Mingkui.Research on detecting technique for inferior strata combination[J].Journal of China University of Minging&Technology,2006,35(1):44－48.

[15] 张汝海,刘少伟.煤巷锚杆支护全线跟踪设计方法[J].中国矿业,2007,16(2):54－56.

Zhang Ruhai,Liu Shaowei.Design method of bolt spport tracking on whole line in roadway[J].China Mining Magazine,2007,16(2): 54－56.

[16] 邓广涛,贾明魁,马念杰.煤巷顶板岩层结构的探测与确定[J].煤炭工程,2006(2):48－50.

Deng Guangtao,Jia Mingkui,Ma Nianjie.Detection and determination of roof rock structure in mine roadway[J].Coal Engineering, 2006(2):48－50.

[17] 赖海辉.机械岩石破碎学[M].长沙:中南工业大学出版社, 1991.

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

刘少伟,刘栋梁,冯友良,等.应力状态对煤巷顶板锚固孔钻进速度的影响[J].煤炭学报,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 责任编辑:常 琛

国家自然科学基金面上基金资助项目(51274087);国家自然科学基金资助项目(51104055);河南省青年骨干教师资助项目(2010GGJS－053)

刘少伟(1977—),男,辽宁锦州人,副教授,硕士生导师,博士。Tel:0391－3987948,E－mail:lswxll@126.com