李忠華，朱麗媛，徐連滿，于文鑫

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 1 23000）

0 引言

含瓦斯煤巖是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，煤體法向應(yīng)力的變化是引起其他一系列變化的主導(dǎo)因素，測(cè)試煤體法向應(yīng)力的大小對(duì)沖擊礦壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的防治具有重要意義［1-2］。目前，鉆屑法是一種常用的測(cè)試煤體法向應(yīng)力的方法，該方法相對(duì)比較準(zhǔn)確可靠且實(shí)施簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)［3］，但其缺點(diǎn)也是很明顯的，例如對(duì)于軟弱煤層，以及煤體法向應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度破碎后，鉆孔過(guò)程中將產(chǎn)生鉆屑量超過(guò)極限值的現(xiàn)象，無(wú)法判斷煤體法向應(yīng)力。

研究表明，使用煤電鉆向煤體中打孔，鉆頭切削煤體，與孔底、孔壁相互作用，使鉆頭、孔底、孔壁、鉆粉的溫度發(fā)生變化［4-10］。鉆孔周圍的煤體將產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，鉆孔周圍煤體所受應(yīng)力將超過(guò)煤體極限強(qiáng)度，發(fā)生塑性損傷，煤體將會(huì)破碎，擠壓鉆桿，鉆屑溫度（包括鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度）增高。因此可通過(guò)測(cè)試鉆屑溫度來(lái)判斷煤體法向應(yīng)力大小，進(jìn)而建立鉆屑溫度與煤體法向應(yīng)力之間的定量關(guān)系，以便由鉆屑溫度計(jì)算該處的應(yīng)力值，可克服鉆屑法的不足。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

鉆頭溫度測(cè)試裝置（煤電鉆、Φ42 mm空心麻花鉆桿、鉆頭、測(cè)溫探頭、旋轉(zhuǎn)滑環(huán)）、手持式紅外測(cè)溫儀、電子秤、塑料袋、200 t萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)、秒表、溫度記錄儀、電腦。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experiment device

用厚度30mm的鑄鐵板制作內(nèi)部尺寸為310mm×310mm×310mm的鐵箱。將現(xiàn)場(chǎng)采集的煤塊置于鐵箱中，周圍用水泥沙漿填充。用吊車將立方體試件放置在實(shí)驗(yàn)機(jī)的下平臺(tái)上，在試件上表面放一塊300mm×300mm×15mm的鋼板，在鋼板上放置墊塊，使鋼板均勻受力。實(shí)驗(yàn)機(jī)上頂板降下，直至接觸試件。將熱電偶置于鉆頭內(nèi)部，導(dǎo)線穿過(guò)鉆桿與導(dǎo)電滑環(huán)連接，導(dǎo)電滑環(huán)與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器與電腦連接。將紅外測(cè)溫儀使用支架固定好，將測(cè)溫探頭對(duì)準(zhǔn)鉆孔處。開啟實(shí)驗(yàn)機(jī)加載到指定壓力。打開測(cè)溫儀電源開關(guān)，調(diào)節(jié)測(cè)溫儀。

測(cè)溫儀開始采集數(shù)據(jù)20s后，開啟煤電鉆按指定推進(jìn)速度進(jìn)行鉆孔。鉆進(jìn)過(guò)程中，測(cè)溫儀每隔2s記錄一次鉆頭溫度，紅外測(cè)溫儀每隔5s記錄一次煤屑溫度。鉆孔深度達(dá)到300mm時(shí)停鉆。停鉆后10s內(nèi)將鉆頭撤出，同時(shí)用紅外測(cè)溫儀測(cè)試鉆孔溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在推進(jìn)速度為0.22m/min的條件下，分別對(duì)試件加載800kN、1000kN、1200kN，相應(yīng)的煤體法向應(yīng)力分別為8.9MPa、11.1MPa、13.3MPa。鉆進(jìn)時(shí)間為80s，鉆孔深度為293mm。

根據(jù)記錄的溫度數(shù)據(jù)，將開鉆前鉆頭溫度作為零值，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)，得到鉆孔過(guò)程中的鉆頭溫度變化曲線如圖2所示。鉆孔結(jié)束后，立即測(cè)試孔壁煤體的溫度，得到鉆孔溫度值如表1所示。自開鉆起，每5s測(cè)試一次孔口處排出的鉆粉溫度，得到鉆孔過(guò)程中鉆粉溫度數(shù)據(jù)如表2所示。鉆孔結(jié)束后，將排出的鉆屑收集、稱量，得到鉆屑量值如表3所示。

圖2 鉆頭溫度時(shí)程曲線圖Fig.2 Time-history curve of drillings temperature

表1 鉆孔溫度記錄表Table 1 Record of borehole temperature

表2 鉆粉溫度記錄表Table 2 Record of coal bit temperature

表3 鉆屑量記錄表Table 3 Record of drilling cuttingsweight

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在推進(jìn)速度為0.22m/min的條件下，煤體法向應(yīng)力為8.9MPa，鉆進(jìn)時(shí)間為80s時(shí)鉆頭上升溫度為11.13℃；煤體法向應(yīng)力為11.1MPa，鉆進(jìn)時(shí)間為80s時(shí)鉆頭上升溫度為22.39℃；煤體法向應(yīng)力為13.3MPa，鉆進(jìn)時(shí)間為80s時(shí)鉆頭上升溫度為30.53℃。從圖2可以看出，煤體法向應(yīng)力對(duì)鉆頭溫度的升高有顯著影響。在鉆進(jìn)速度相同的條件下，煤體法向應(yīng)力越大，鉆頭溫度升高越快，鉆頭溫度的最大值隨煤體應(yīng)力的增大而增大，鉆頭溫度的最大值與煤體法向應(yīng)力的關(guān)系如圖3所示，其近似呈線性關(guān)系，擬合曲線為

ΔTtmax=5.1136σ-31.251

式中：ΔTtmax——鉆頭溫度最大值；

σ——煤體法向應(yīng)力。

受試件尺寸限制，鉆孔深度293mm，記錄到的鉆頭溫度最大值為停鉆后的數(shù)據(jù)，只能作為參考數(shù)據(jù)。實(shí)際上，鉆頭溫度上升速率反映了鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭溫度變化規(guī)律。

煤體法向應(yīng)力為8.9MPa時(shí)鉆頭溫度上升速率為0.14℃/s；煤體法向應(yīng)力為11.1MPa時(shí)鉆頭溫度上升速率為0.28℃/s；煤體法向應(yīng)力為13.3MPa時(shí)鉆頭溫度上升速率為0.38℃/s。鉆頭溫度上升速率與煤體法向應(yīng)力的關(guān)系見圖4所示，鉆頭溫度上升速率隨煤體法向應(yīng)力的增大而增大，近似呈線性關(guān)系，

擬合曲線為：

vtmax=0.0551σ-0.3448

式中：vtmax——鉆頭溫度上升速率；

σ——煤體法向應(yīng)力。

圖3 鉆頭溫度最大值與煤體法向應(yīng)力關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between maximum drillings bit temperature and coal stress

圖4 鉆頭溫度上升速率與煤體法向應(yīng)力關(guān)系曲圖Fig.4 Relationship between drillings bit temperature rising rate and coal stress

根據(jù)表1做出鉆孔溫度與煤體法向應(yīng)力的關(guān)系圖（圖5），從圖中可以看出煤體法向應(yīng)力對(duì)鉆孔溫度的升高有顯著影響。在鉆進(jìn)速度相同的條件下，煤體法向應(yīng)力越大，鉆孔溫度越高。鉆孔溫度隨煤體法向應(yīng)力的增大而增大，近似呈線性關(guān)系，擬合曲線為：

ΔTp=0.7795σ -2.6163

式中：ΔTp——鉆孔溫度；

σ——煤體法向應(yīng)力。

圖5 鉆孔溫度與煤體法向應(yīng)力關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship between borehole temperature and coal stress

根據(jù)表2做出煤屑溫度與煤體法向應(yīng)力的關(guān)系圖（圖6），從圖6中可以看出，煤體法向應(yīng)力對(duì)鉆粉溫度有一定影響，但不同孔深處鉆粉溫度變化不大。在鉆進(jìn)速度相同的條件下，煤體法向應(yīng)力越大，鉆粉溫度越高。在鉆進(jìn)速度相同、煤體法向應(yīng)力也相同的條件下，鉆粉溫度隨時(shí)間（孔深）的增加近似呈線性關(guān)系，擬合曲線分別為：

圖6 煤屑溫度與鉆進(jìn)時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationship between drillings temperature and drilling time

鉆進(jìn)時(shí)間t=60s（孔深l=147mm）時(shí)煤屑溫度與煤體法向應(yīng)力值如圖7所示，可得到鉆粉溫度與煤體應(yīng)力的擬合關(guān)系

圖7 鉆粉溫度與煤體法向應(yīng)力關(guān)系Fig.7 Relationship between drillings temperature and coal stress

鉆屑量隨煤體法向應(yīng)力的增加呈線性增大的趨勢(shì)，對(duì)鉆粉溫度與煤體法向應(yīng)力進(jìn)行擬合，得到擬合曲線：

G0=0.0784σ+0.2427

式中：G0——鉆屑量；

σ——煤體法向應(yīng)力。

實(shí)踐已證明鉆屑量可以反映煤體法向應(yīng)力的大小，為了得到鉆頭溫度、鉆孔溫度、鉆粉溫度與煤體法向應(yīng)力的關(guān)系，將鉆頭溫度、鉆孔溫度、鉆粉溫度的分析結(jié)果與鉆屑量進(jìn)行對(duì)比分析，鉆屑量與鉆頭溫度、鉆孔溫度、鉆粉溫度的關(guān)系如圖8所示。

圖8 鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度與鉆屑量對(duì)比圖Fig.8 com parison of drillings bit temperature，borehole temperature，drillings temperature and drilling cuttings weight

從圖8中可以看出，鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度與鉆屑量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨鉆屑量的增加，鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、鉆粉溫度均呈上升趨勢(shì)。礦井動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)實(shí)踐表明，鉆屑量的大小反映了煤體應(yīng)力的大小，煤體法向應(yīng)力增加時(shí)，沖擊/突出危險(xiǎn)性增加，鉆屑量也增加。由于鉆屑溫度與鉆屑量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以鉆屑溫度可以作為礦井動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)參考指標(biāo)。

3 結(jié)論

（1）煤體在不同應(yīng)力狀態(tài)條件下，鉆屑溫度的大小也不相同；隨著煤體法向應(yīng)力水平的增大，鉆屑溫度隨之增大；

（2）在一定范圍內(nèi)，鉆頭溫度最大值、鉆頭溫度上升速率、鉆孔溫度、煤屑溫度與煤體法向應(yīng)力水平基本呈線性關(guān)系。

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