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    基于鉆桿推力法結(jié)合鉆桿位移預(yù)測圍巖應(yīng)力的研究*

    2017-04-16 02:23:54王春華陳奕帆
    關(guān)鍵詞:鉆屑煤巖煤體

    王春華,王 超,陳奕帆

    (1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110000; 3.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210000)

    0 引言

    沖擊地壓一般指巖爆,是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放,導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象[1]。隨著時間的推移,對能量的需求大大增加,導(dǎo)致開采強度的不斷增大。深部開采工程中產(chǎn)生的巖石力學(xué)問題是目前國內(nèi)外采礦及煤巖力學(xué)界研究的焦點,國內(nèi)外學(xué)者通過理論研究、室內(nèi)及現(xiàn)場實驗研究取得了大量的成果[2]。

    在鉆削開采過程中,實質(zhì)是對煤巖進行卸載內(nèi)部應(yīng)力的過程,一旦煤巖表面受到破壞,內(nèi)部的彈性變形勢能失去平衡,發(fā)生沖擊地壓的可能性大大增加[1-6]。因此針對不同煤體應(yīng)力條件下,了解開采時鉆桿受到的推力及鉆桿位移的變化規(guī)律反演煤體應(yīng)力,從而達到預(yù)測沖擊地壓的效果。

    目前對于沖擊地壓的研究還在進行中,潘一山[3]通過理論分析和試驗研究相結(jié)合,總結(jié)了鉆孔過程中鉆屑溫度變化規(guī)律與煤體應(yīng)力及鉆屑量具有較好的一致性。李忠華[4]等針對煤體法向應(yīng)力測試問題,基于煤體法向應(yīng)力的變化引起鉆屑溫度改變的實際,通過實驗室實驗,研究了鉆屑溫度與煤體法向應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系。徐連滿等[5]通過鉆桿扭矩法以恒定的速度推進單位長度鉆孔,測試鉆孔過程中鉆機對鉆桿輸出扭矩大小及變化規(guī)律,來反映煤體應(yīng)力的大小及該區(qū)域沖擊危險性。但由于煤巖自身的不均勻性,往往會使得實驗結(jié)果誤差較大。

    煤巖內(nèi)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,整體結(jié)構(gòu)的不均勻性也導(dǎo)致了相關(guān)研究結(jié)果的適用性[6],因此針對不同的煤巖,應(yīng)設(shè)置多個參數(shù)指標(biāo)來確保預(yù)測沖擊地壓的準(zhǔn)確性,包括:鉆具參數(shù)、鉆機工況參數(shù)、煤巖性質(zhì)、瓦斯應(yīng)力等等。

    在目前的相關(guān)研究中,對煤體應(yīng)力衡量要素大多比較單一[7],很少的研究中會出現(xiàn)多種因素的研究方式,通過耦合使其聯(lián)系起來得出一個較為有說服力的結(jié)果。本文將鉆桿推力法、鉆桿位移二者相互結(jié)合,建立力學(xué)模型,理論結(jié)合試驗,對沖擊地壓的預(yù)測做進一步研究。

    1 鉆桿推力法與鉆桿位移理論基礎(chǔ)

    鉆桿推力法是向鉆桿有規(guī)律的施加推力,通過分析隨著推力變化而發(fā)生變化的鉆屑量、鉆屑溫度與發(fā)生變化的鉆桿扭矩對煤體應(yīng)力、煤體強度進行推算,以實現(xiàn)預(yù)測沖擊地壓的功能。

    在使用鉆削裝置進行工作時,鉆機提供鉆桿推力,并推進鉆桿前進,煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同的深度有著不同的特性,由于這種不穩(wěn)定性,導(dǎo)致鉆屑設(shè)備受到的反作用力持續(xù)變化。

    以下是鉆桿力學(xué)模型建立:

    在使用煤電鉆及麻花鉆桿向煤體中打鉆的過程中,主要受到自身鉆機裝置提供給鉆桿的推進力Ft、扭矩Mn;當(dāng)鉆頭貼近煤巖時,煤巖作用在鉆桿上的力Fm、扭矩Mm;鉆屑作用給鉆桿的排屑力Fp、排屑扭矩Mp。本文中所研究的鉆桿扭矩和鉆屑推力是指煤電鉆作用給鉆桿的扭矩Mn和推力Ft,如圖1所示,接下來僅考慮鉆桿推力及鉆桿位移建立力學(xué)模型。

    圖1 鉆桿受力示意Fig.1 Schematic diagram of drill pipe force

    鉆桿的受力平衡方程為:

    Ft=Fm-Fp

    (1)

    Mn=Mp+Mm

    (2)

    根據(jù)朱麗媛等[6]推導(dǎo),有:

    (3)

    式中:c為黏聚力;b為切削刀刃寬;h為切割深度;φ為摩擦角;σk為巖石抗壓強度;S′為切削刀與巖石接觸面積;γ,φ,φ,ψ為與鉆桿幾何參數(shù)有關(guān)。

    設(shè)鉆桿鉆進的深度為χz,則沿鉆桿軸線方向的排屑力可表示為[7]:

    (4)

    將式(3)、式(4)代入式(1),由于得出結(jié)果復(fù)雜,為了便于分析其中各個變量對推力的影響,對其進一步化簡,即可得到鉆機推進力Ft,理論公式:

    (5)

    (6)

    在鉆削過程中設(shè)鉆機鉆桿的轉(zhuǎn)速為n1,鉆進位移為y,鉆桿排屑力為Fp,鉆屑過程中由于煤巖的不均勻性,鉆桿在受到Fp的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個大小為ΔFp的動載切削力。當(dāng)鉆進位移很小時,分析普通鉆削時鉆進位移的運動微分方程:

    (7)

    2μ=ε/mz

    (8)

    令鉆桿推力和煤體應(yīng)力的關(guān)系為[7]:

    Ft=a1σm+a2

    (9)

    式中:Ft為鉆桿扭矩;σm為煤體應(yīng)力;a1,a2為常數(shù)。鉆桿推力和時間的關(guān)系可以表示為:

    (10)

    (11)

    式中:p為電機功率。

    根據(jù)式(6)、式(11)可以看出,其他因素不變時,在鉆削過程中鉆桿推進力的大小與鉆孔處鉆進位移變化量、煤體應(yīng)力及煤體強度相關(guān)。一旦上述因素增大,都將引起鉆桿推進力的增加;當(dāng)鉆進速度減小,鉆桿位移量減小,此時增加鉆屑強度,位移變化量增大,鉆桿推進力將會增大。

    2 試驗系統(tǒng)介紹

    2.1 試驗?zāi)P图霸O(shè)備

    實驗試件準(zhǔn)備,通過模具制作出尺寸為400 mm3的正方體試件2種,原料采用沙子、水泥、煤塊、水。水泥和沙子的比例為1∶4混合,試件4周為水泥包裹,中心部位為煤塊,隨后需要20 d的時間進行水養(yǎng)護,保證試件的強度,證件實物如圖2所示。

    圖2 試件實物圖Fig.2 Specimen physical map

    本次采用新型鉆削裝置,如圖3所示。

    圖3 新型鉆削設(shè)備Fig.3 New drilling equipment

    2.2 傳感器介紹

    本實驗采用推力,位移傳感器,如圖4(a)、(b)所示。在鉆削的過程中傳感器實時的采集數(shù)據(jù),頻率為300 Hz,利用應(yīng)變效應(yīng),在鉆機推進過程中,試件對鉆桿的反作用力使應(yīng)變片發(fā)生變化,精度誤差為1%。

    圖4 推力、位移傳感器實物Fig.4 Thrust and displacement sensor physical diagram

    依照原結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上,設(shè)置傳感器結(jié)構(gòu),經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)定,實際使用時,只需輸入靈敏度即可正常使用。

    2.3 試驗方法

    本次試驗按照以下步驟進行:

    1)準(zhǔn)備試驗試件,2種規(guī)格。

    2)將試件放入鉆屑容器中,向A,B靠攏貼合,在4側(cè)用吊耳連接,如圖5所示,利用天吊將整件試驗塊拉至試驗臺,移動到指定試驗位置。

    圖5 試件容器實物Fig.5 Specimen container physical figure

    3)利用電腦數(shù)控,使壓力機緩慢向下,對試件施加軸壓,直至軸壓符合試驗標(biāo)準(zhǔn)。

    4)將空氣動力機中兩端輸出口與試驗容器A,B進油口連接施加圍壓,如圖6所示。

    圖6 試件容器軸壓圍壓施壓示意Fig.6 Axial compression pressure confining pressure diagram

    5)檢查傳感器系統(tǒng),確認無誤后開機。

    6)打開空氣壓縮機開關(guān),提供2 MPa風(fēng)力,開始鉆削,同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù),鉆桿位移依靠手動前進。

    7)鉆削完畢,回收數(shù)據(jù),整理實驗器材。

    試驗施加軸壓、圍壓的數(shù)據(jù)如表1所示。

    表1 400 mm3試件試驗室軸壓圍壓數(shù)據(jù)Table 1 400 mm3 Specimen pressure test table

    3 試驗測試數(shù)據(jù)分析

    在不同試驗工況下,每次鉆孔時間約為120 s,采樣頻率300 Hz,由于頻率過高,后期對數(shù)據(jù)進行平均值重采樣,分別得到400 mm3試件3種變化曲線,如圖7所示。

    圖7 不同推力、位移-時間變化曲線Fig.7 Torque, thrust under different time curves

    圖7變化曲線可分為3個階段:

    1)鉆機開機階段(0~20 s):鉆削裝置啟動,鉆桿的推力趨于0值上下有微微波動,位移量為0值。

    2)鉆削階段(20~100 s):此時對煤巖進行鉆削,卸載煤體應(yīng)力是該過程的實質(zhì),由曲線可以看出,當(dāng)煤體應(yīng)力增大,推力減小,位移變化量減小;煤體應(yīng)力減小,推力增大,位移變化量增大。

    3)鉆桿退出階段(100~120 s):試件鉆削完畢,鉆桿快速退出,鉆桿推力有明顯的下降趨勢,在退出過程中還會接觸到煤壁、煤渣,所以這個階段波動較大,最后處于空載的穩(wěn)定值。

    經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn),在鉆機其他方面因素不變時,鉆桿推力的變化主要受煤體應(yīng)力的影響,在鉆削時,煤體應(yīng)力不同,卸載的時間也不同,鉆孔的實質(zhì)就是卸載內(nèi)部煤體應(yīng)力,所以鉆桿鉆削過程中,四周對鉆桿的應(yīng)力逐漸減小,孔周圍煤體越來越松軟,鉆桿推力逐漸減小。鉆桿推力、鉆桿位移與煤體應(yīng)力有很好的對應(yīng)關(guān)系,煤體壓力不同時卸壓時間與所需要施加推力也會不同。因此通過鉆桿推力大小變化可反映煤體應(yīng)力大小變化,在工程應(yīng)用中可以作為預(yù)測煤礦動力災(zāi)害的指標(biāo)。選取試件20~100 s時間段內(nèi),鉆桿推力平均與煤體應(yīng)力對比圖,并得到擬合曲線如圖8所示。

    圖8 鉆桿推力平均值-煤體應(yīng)力對比Fig.8 Drill pipe average average thrust, torque and coal stress contrast figure

    4 結(jié)論

    1)建立了數(shù)學(xué)模型,通過理論分析得到了鉆桿推力、位移的理論計算公式,并建立在考慮位移條件下鉆桿動力學(xué)模型,在鉆進時的振動會減緩應(yīng)力集中的效果。

    2)試驗結(jié)果得出了鉆桿推力與煤體應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系,并得出曲線,理論與試驗均表明鉆桿推力可以反演出煤體應(yīng)力的大小。

    3)目前鉆桿推力法和鉆桿位移相結(jié)合的研究還不夠完善,應(yīng)結(jié)合實際工況條件下進行再次驗證,以確保此方法的可信度,保證試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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