基于钻杆推力法结合钻杆位移预测围岩应力的研究*

王春华，王　超，陈奕帆

(1.辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000；2.沈阳航空航天大学 机电工程学院，辽宁 沈阳 110000； 3.南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210000)

0　引言

冲击地压一般指岩爆，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象[1]。随着时间的推移，对能量的需求大大增加，导致开采强度的不断增大。深部开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内外采矿及煤岩力学界研究的焦点，国内外学者通过理论研究、室内及现场实验研究取得了大量的成果[2]。

在钻削开采过程中，实质是对煤岩进行卸载内部应力的过程，一旦煤岩表面受到破坏，内部的弹性变形势能失去平衡，发生冲击地压的可能性大大增加[1-6]。因此针对不同煤体应力条件下，了解开采时钻杆受到的推力及钻杆位移的变化规律反演煤体应力，从而达到预测冲击地压的效果。

目前对于冲击地压的研究还在进行中，潘一山[3]通过理论分析和试验研究相结合，总结了钻孔过程中钻屑温度变化规律与煤体应力及钻屑量具有较好的一致性。李忠华[4]等针对煤体法向应力测试问题,基于煤体法向应力的变化引起钻屑温度改变的实际,通过实验室实验,研究了钻屑温度与煤体法向应力的对应关系。徐连满等[5]通过钻杆扭矩法以恒定的速度推进单位长度钻孔，测试钻孔过程中钻机对钻杆输出扭矩大小及变化规律，来反映煤体应力的大小及该区域冲击危险性。但由于煤岩自身的不均匀性,往往会使得实验结果误差较大。

煤岩内自身结构复杂多变，整体结构的不均匀性也导致了相关研究结果的适用性[6]，因此针对不同的煤岩，应设置多个参数指标来确保预测冲击地压的准确性，包括：钻具参数、钻机工况参数、煤岩性质、瓦斯应力等等。

在目前的相关研究中，对煤体应力衡量要素大多比较单一[7]，很少的研究中会出现多种因素的研究方式，通过耦合使其联系起来得出一个较为有说服力的结果。本文将钻杆推力法、钻杆位移二者相互结合，建立力学模型，理论结合试验，对冲击地压的预测做进一步研究。

1　钻杆推力法与钻杆位移理论基础

钻杆推力法是向钻杆有规律的施加推力，通过分析随着推力变化而发生变化的钻屑量、钻屑温度与发生变化的钻杆扭矩对煤体应力、煤体强度进行推算，以实现预测冲击地压的功能。

在使用钻削装置进行工作时，钻机提供钻杆推力，并推进钻杆前进，煤岩内部结构复杂，不同的深度有着不同的特性，由于这种不稳定性，导致钻屑设备受到的反作用力持续变化。

以下是钻杆力学模型建立：

在使用煤电钻及麻花钻杆向煤体中打钻的过程中，主要受到自身钻机装置提供给钻杆的推进力Ft、扭矩Mn；当钻头贴近煤岩时，煤岩作用在钻杆上的力Fm、扭矩Mm；钻屑作用给钻杆的排屑力Fp、排屑扭矩Mp。本文中所研究的钻杆扭矩和钻屑推力是指煤电钻作用给钻杆的扭矩Mn和推力Ft，如图1所示，接下来仅考虑钻杆推力及钻杆位移建立力学模型。

图1　钻杆受力示意Fig.1　Schematic diagram of drill pipe force

钻杆的受力平衡方程为：

Ft=Fm-Fp

(1)

Mn=Mp+Mm

(2)

根据朱丽媛等[6]推导，有：

(3)

式中：c为黏聚力；b为切削刀刃宽；h为切割深度；φ为摩擦角；σk为岩石抗压强度；S′为切削刀与岩石接触面积；γ，φ，φ，ψ为与钻杆几何参数有关。

设钻杆钻进的深度为χz，则沿钻杆轴线方向的排屑力可表示为[7]：

(4)

将式(3)、式(4)代入式(1)，由于得出结果复杂，为了便于分析其中各个变量对推力的影响，对其进一步化简，即可得到钻机推进力Ft，理论公式：

(5)

(6)

在钻削过程中设钻机钻杆的转速为n1,钻进位移为y，钻杆排屑力为Fp，钻屑过程中由于煤岩的不均匀性，钻杆在受到Fp的基础上产生一个大小为ΔFp的动载切削力。当钻进位移很小时，分析普通钻削时钻进位移的运动微分方程：

(7)

2μ=ε/mz

(8)

令钻杆推力和煤体应力的关系为[7]：

Ft=a1σm+a2

(9)

式中：Ft为钻杆扭矩；σm为煤体应力；a1，a2为常数。钻杆推力和时间的关系可以表示为：

(10)

(11)

式中：p为电机功率。

根据式(6)、式(11)可以看出，其他因素不变时，在钻削过程中钻杆推进力的大小与钻孔处钻进位移变化量、煤体应力及煤体强度相关。一旦上述因素增大，都将引起钻杆推进力的增加；当钻进速度减小，钻杆位移量减小，此时增加钻屑强度，位移变化量增大，钻杆推进力将会增大。

2　试验系统介绍

2.1　试验模型及设备

实验试件准备，通过模具制作出尺寸为400 mm3的正方体试件2种，原料采用沙子、水泥、煤块、水。水泥和沙子的比例为1∶4混合，试件4周为水泥包裹，中心部位为煤块，随后需要20 d的时间进行水养护，保证试件的强度，证件实物如图2所示。

图2　试件实物图Fig.2　Specimen physical map

本次采用新型钻削装置，如图3所示。

图3　新型钻削设备Fig.3　New drilling equipment

2.2　传感器介绍

本实验采用推力，位移传感器，如图4(a)、(b)所示。在钻削的过程中传感器实时的采集数据，频率为300 Hz，利用应变效应，在钻机推进过程中，试件对钻杆的反作用力使应变片发生变化，精度误差为1%。

图4　推力、位移传感器实物Fig.4　Thrust and displacement sensor physical diagram

依照原结构不变的基础上，设置传感器结构，经过数据标定，实际使用时，只需输入灵敏度即可正常使用。

2.3　试验方法

本次试验按照以下步骤进行：

1)准备试验试件，2种规格。

2)将试件放入钻屑容器中，向A，B靠拢贴合，在4侧用吊耳连接，如图5所示，利用天吊将整件试验块拉至试验台，移动到指定试验位置。

图5　试件容器实物Fig.5　Specimen container physical figure

3)利用电脑数控，使压力机缓慢向下，对试件施加轴压，直至轴压符合试验标准。

4)将空气动力机中两端输出口与试验容器A,B进油口连接施加围压，如图6所示。

图6　试件容器轴压围压施压示意Fig.6　Axial compression pressure confining pressure diagram

5)检查传感器系统，确认无误后开机。

6)打开空气压缩机开关，提供2 MPa风力，开始钻削，同时数据采集系统开始采集数据，钻杆位移依靠手动前进。

7)钻削完毕，回收数据，整理实验器材。

试验施加轴压、围压的数据如表1所示。

表1　400 mm3试件试验室轴压围压数据Table 1　400 mm3 Specimen pressure test table

3　试验测试数据分析

在不同试验工况下，每次钻孔时间约为120 s，采样频率300 Hz，由于频率过高，后期对数据进行平均值重采样，分别得到400 mm3试件3种变化曲线，如图7所示。

图7　不同推力、位移-时间变化曲线Fig.7　Torque, thrust under different time curves

图7变化曲线可分为3个阶段：

1)钻机开机阶段(0～20 s)：钻削装置启动，钻杆的推力趋于0值上下有微微波动，位移量为0值。

2)钻削阶段(20～100 s)：此时对煤岩进行钻削，卸载煤体应力是该过程的实质，由曲线可以看出，当煤体应力增大，推力减小，位移变化量减小；煤体应力减小，推力增大，位移变化量增大。

3)钻杆退出阶段(100～120 s)：试件钻削完毕，钻杆快速退出，钻杆推力有明显的下降趋势，在退出过程中还会接触到煤壁、煤渣，所以这个阶段波动较大，最后处于空载的稳定值。

经过试验发现，在钻机其他方面因素不变时，钻杆推力的变化主要受煤体应力的影响，在钻削时，煤体应力不同，卸载的时间也不同，钻孔的实质就是卸载内部煤体应力，所以钻杆钻削过程中，四周对钻杆的应力逐渐减小，孔周围煤体越来越松软，钻杆推力逐渐减小。钻杆推力、钻杆位移与煤体应力有很好的对应关系，煤体压力不同时卸压时间与所需要施加推力也会不同。因此通过钻杆推力大小变化可反映煤体应力大小变化，在工程应用中可以作为预测煤矿动力灾害的指标。选取试件20～100 s时间段内，钻杆推力平均与煤体应力对比图，并得到拟合曲线如图8所示。

图8　钻杆推力平均值-煤体应力对比Fig.8　Drill pipe average average thrust, torque and coal stress contrast figure

4　结论

1)建立了数学模型，通过理论分析得到了钻杆推力、位移的理论计算公式，并建立在考虑位移条件下钻杆动力学模型，在钻进时的振动会减缓应力集中的效果。

2)试验结果得出了钻杆推力与煤体应力的对应关系，并得出曲线，理论与试验均表明钻杆推力可以反演出煤体应力的大小。

3)目前钻杆推力法和钻杆位移相结合的研究还不够完善，应结合实际工况条件下进行再次验证，以确保此方法的可信度，保证试验结果更加准确。

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