張幼振，張 寧，劉 璞，居 培，何玢潔

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077 ）

0 引 言

坑道鉆探是煤炭安全高效開(kāi)采地質(zhì)保障的重要手段，隨著近年來(lái)煤礦智能化發(fā)展，鉆探技術(shù)也在不斷探求精準(zhǔn)化、智能化發(fā)展的途徑［1-3］。 鉆探過(guò)程中的鉆柱動(dòng)力學(xué)是基礎(chǔ)理論問(wèn)題，由于含煤地層的非連續(xù)性、非均質(zhì)性和鉆頭回轉(zhuǎn)切削機(jī)械破巖方式等因素，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具的縱振、橫振和扭振相互疊加耦合，給鉆具的使用壽命和鉆進(jìn)精準(zhǔn)控制帶來(lái)不利影響，但同時(shí)其動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)可有效表征鉆探過(guò)程，與鉆速、轉(zhuǎn)矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速等常規(guī)隨鉆參數(shù)［4-8］共同為地層信息預(yù)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)。 對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程動(dòng)力特性的深入研究對(duì)于煤礦井下坑道鉆探施工中的智能探查具有重要意義［9-11］。

鉆柱動(dòng)力學(xué)一直是鉆井工程力學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合鉆井實(shí)際開(kāi)展了大量卓有成效的動(dòng)力特性方面的研究。 MORADI 等［12］采用金相分析和有限元計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)鉆柱振動(dòng)特性和失效特征進(jìn)行了分析。 GUPTA 等［13］在考慮切削力和轉(zhuǎn)矩對(duì)鉆柱軸扭耦合振動(dòng)影響的基礎(chǔ)上，提出可提高鉆進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)條件。 劉清友等［14］基于鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為理論，開(kāi)展了非線性系統(tǒng)的數(shù)值求解方法研究。 朱才朝等［15］在考慮隨機(jī)載荷作用下，建立了典型工作狀態(tài)下鉆柱系統(tǒng)耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型。 劉永升等［16］建立了斜直井中鉆柱非規(guī)則運(yùn)動(dòng)的4 自由度非線性動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了斜井段和水平段的鉆柱工況。

與鉆井系統(tǒng)中的超大長(zhǎng)徑比的大柔性鉆柱系統(tǒng)不同，以巷道錨固孔為代表的小口徑（≤50 mm）短鉆深（≤15 m）的井巷工程鉆孔的動(dòng)力學(xué)規(guī)律表現(xiàn)出自身的特點(diǎn)。 由于原始沉積作用和后期構(gòu)造作用造成含煤地層特性差異較大，加之巖石鉆進(jìn)破碎過(guò)程本身的復(fù)雜非線性，導(dǎo)致雖然煤礦井下錨固孔施工相對(duì)快速簡(jiǎn)單，但仍無(wú)法依據(jù)成熟的力學(xué)理論準(zhǔn)確描述鉆進(jìn)動(dòng)力過(guò)程。 近年來(lái)一些學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)煤礦井下PDC（Polycrystalline Diamond Compact）鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。 孟傳明［17］采用彈塑性煤巖損傷模型對(duì)鉆進(jìn)破巖過(guò)程進(jìn)行仿真，獲得了鉆頭的阻力載荷及破巖特性等數(shù)據(jù)。張幼振等［18］應(yīng)用有限元仿真對(duì)孔底煤巖應(yīng)力變化和鉆頭動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了分析。 文獻(xiàn)［19-20］基于煤巷頂板錨固孔鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿振動(dòng)機(jī)理，利用數(shù)值模擬方法，分析了不同強(qiáng)度巖石條件下的振動(dòng)響應(yīng)特征。 由此可知，數(shù)值模擬中約束限制條件多，對(duì)設(shè)置的邊界和載荷條件敏感，通用性不強(qiáng)。 筆者在分析鉆柱動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用解析法對(duì)動(dòng)載響應(yīng)條件下的鉆具壓入、切削和振動(dòng)過(guò)程分別進(jìn)行分析，建立振動(dòng)數(shù)學(xué)解析模型，并以有限元仿真為計(jì)算驗(yàn)證手段，進(jìn)一步分析了鉆頭載荷鉆進(jìn)過(guò)程中的變化規(guī)律，最后在實(shí)鉆試驗(yàn)中完成了動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)提取與識(shí)別，為深入研究煤礦井下智能鉆探技術(shù)和提高鉆探質(zhì)量提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)途徑。

1 鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 鉆柱系統(tǒng)動(dòng)載受力分析

在含煤地層錨固孔施工過(guò)程中，鉆桿、鉆頭等組成的鉆柱系統(tǒng)承受著自重、給進(jìn)阻力、轉(zhuǎn)矩、阻尼、鉆桿與孔壁接觸碰撞力及鉆桿與煤巖摩擦阻力等綜合作用，不僅會(huì)產(chǎn)生縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，還可能產(chǎn)生耦合振動(dòng)。 為進(jìn)行鉆柱系統(tǒng)在含煤地層施工中的動(dòng)載受力分析，可對(duì)相關(guān)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)［21-22］：①含煤地層為彈塑性體；②鉆具為絕對(duì)剛體；③鉆具振動(dòng)時(shí)僅考慮粘滯阻力；④鉆頭為兩翼弧角PDC 內(nèi)凹錨桿鉆頭，鉆頭端部始終保持與巖石接觸；⑤鉆桿與孔壁間的碰撞為彈性碰撞，鉆孔軸線與鉆具軸線重合。 鉆柱系統(tǒng)動(dòng)載受力分析如圖1 所示。

由圖1 可知，鉆柱系統(tǒng)施工過(guò)程中，轉(zhuǎn)速為n，鉆速為v，由于鉆柱系統(tǒng)承受鉆機(jī)提供的給進(jìn)力FT、轉(zhuǎn)矩MT和自身重力Fg近似為恒定值，所以鉆柱系統(tǒng)受力分析主要研究地層作用的動(dòng)載軸向力Fa、動(dòng)載切向力Fb和轉(zhuǎn)矩Md。

圖1 鉆柱系統(tǒng)動(dòng)載受力分析示意Fig.1 Schematicof dynamic load analysis of drill string system

1）地層作用的動(dòng)載軸向力Fa。 在靜力加載下，當(dāng)鉆頭壓入含煤地層深度為d時(shí)，根據(jù)斜鑲圓柱體PDC 鉆頭垂直壓入巖石的受力狀態(tài)分析［23］，可得軸向壓入面積為

式中：θ為切削前角，（°）；R為鉆頭切削齒半徑，mm。

則地層在壓入過(guò)程中作用在鉆頭上的靜載軸向力Fc為

式中，σb為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)巖石波動(dòng)力學(xué)，在動(dòng)載條件下，考慮鉆速v的影響，巖石的力學(xué)性質(zhì)隨應(yīng)變速率的變化而變化［24］。 當(dāng)應(yīng)變速率小于某一臨界值時(shí)，其動(dòng)應(yīng)力近似與鉆速v成正比，與巖石波速c成反比，動(dòng)態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量變化不大，根據(jù)動(dòng)應(yīng)力計(jì)算方法可以得出地層作用的動(dòng)載軸向力Fa表示為

式中：E為巖石彈性模量，MPa；c為巖石波速，km/s；η為壓入黏度系數(shù)。

2）地層作用的動(dòng)載切向力Fb。 根據(jù)傳統(tǒng)切削力計(jì)算方法可得巖層在鉆頭切削面上的靜切向力為

式中：σt為切削應(yīng)力，MPa；S′ 為切削面積，mm2；f為應(yīng)力分布系數(shù)，與切削前角有關(guān)；τJ為巖石抗剪強(qiáng)度，MPa；φ為剪切角，（°）。

與巖石直接接觸切向面是垂直面的投影面，即

對(duì)單個(gè)切削齒的首末段應(yīng)用動(dòng)量矩定理，即

式中：w為角速度，rad/s；t為切削時(shí)間，s；ρ為巖石密度，kg/m3；FM為動(dòng)載合力；dM為合力距。

可得動(dòng)載合力FM為

即地層作用的動(dòng)載切向力Fb可表示為

3）地層作用的轉(zhuǎn)矩Md。 忽略鉆柱系統(tǒng)的彎曲變形和與孔壁的摩擦作用，可以得出地層作用的扭矩Md為

式中：G為鉆具的剪切彈性模量，MPa；A為鉆具的截面積，m2；δ為扭轉(zhuǎn)角度，（°）；dx為鉆柱系統(tǒng)軸向微元端。

依據(jù)含煤地層力學(xué)測(cè)試結(jié)果［25］，以典型煤層錨固孔鉆進(jìn)為例進(jìn)行分析，巖石抗壓強(qiáng)度σb為11.5 MPa，巖石抗剪強(qiáng)度τJ為1.2 MPa，鉆頭切削齒半徑R為5.5 mm，壓入黏度系數(shù)η為0.65，切削前角θ為15°，剪切角φ為24°，轉(zhuǎn)速n為120 r/min。 得到的鉆柱系統(tǒng)在煤層的動(dòng)載受力情況如圖2 所示。

由圖2 可知，在典型煤層中，動(dòng)載軸向力和切向力均隨壓入深度的增大而增加，幅值區(qū)間為0.18 ～0.31 kN；作用力曲線與右側(cè)Y軸交點(diǎn)為靜力加載條件下的巖層作用力，動(dòng)載軸向力和切向力均隨鉆速的增大而增加，但整體變化相對(duì)較小，幅值區(qū)間為0.17～0.29 kN。

圖2 典型煤層動(dòng)載受力分析Fig.2 Dynamic load analysis of typical coal seam

1.2 振動(dòng)數(shù)學(xué)解析模型

通過(guò)分析鉆柱系統(tǒng)在地層中的動(dòng)載受力狀態(tài)，可建立鉆柱系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)振動(dòng)模型。 將整個(gè)鉆柱系統(tǒng)沿其軸線離散化成有限個(gè)空間梁?jiǎn)卧瑒?dòng)力學(xué)模型可以通過(guò)應(yīng)變、慣性、阻尼以及作用力等虛功離散單元來(lái)構(gòu)建，并將鉆柱系統(tǒng)的軸向位移、切向位移和扭轉(zhuǎn)角度離散化，建立的鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型如圖3 所示。 圖中表示鉆柱系統(tǒng)在鉆進(jìn)過(guò)程中受到地層動(dòng)載作用力，在反彈的同時(shí)還會(huì)發(fā)生可恢復(fù)的彈性形變，即產(chǎn)生橫振、縱振和扭振。k2為系統(tǒng)連接剛度，c2為系統(tǒng)阻尼，mn為第n個(gè)單元質(zhì)量，k1n為第n個(gè)單元連接剛度，c1n為第n/個(gè)單元阻尼，F(xiàn)tn為第n個(gè)單元切向力，Mdn為第n個(gè)單元轉(zhuǎn)矩。

式中：M為整體質(zhì)量矩陣；D為整體阻尼矩陣；Ke為彈性剛度矩陣；Kg為幾何剛度矩陣；x為節(jié)點(diǎn)的X向整體位移矢量；y為節(jié)點(diǎn)的Y向整體位移矢量；為節(jié)點(diǎn)的X向整體速度矢量；為節(jié)點(diǎn)的Y向整體速度矢量；x··為節(jié)點(diǎn)的X向整體加速度矢量；y··為節(jié)點(diǎn)的Y向整體加速度矢量；Ip為微元段截面極慣性矩；δ為節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角度矢量；為節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角加速度矢量。

根據(jù)邊界條件和初始條件可以對(duì)振動(dòng)數(shù)學(xué)解析方程組進(jìn)行數(shù)值求解，得出鉆柱系統(tǒng)的振動(dòng)加速度解析表達(dá)式為

圖3 鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Vibration dynamic model of drill string system

從式（15）—式（17）中可以得出，當(dāng)x，t為確定參數(shù)且鉆探設(shè)備參數(shù)及動(dòng)力條件不變時(shí)，鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)加速度主要由鉆速v、壓入深度d和地層特性決定。 結(jié)合煤礦巷道錨固孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的工程背景，鉆柱系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

利用達(dá)朗伯原理可以解決該模型中非自由質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，保證作用在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的主動(dòng)力、約束力和慣性力保持平衡，即建立的橫振、縱振和扭振數(shù)學(xué)解析方程分別見(jiàn)式（12）—式（14）。

鉆具總長(zhǎng)度l/m 15

鉆具密度ρ/（kg·m-3） 7 801

鉆具阻尼ci/（N·s） 0.001

極慣性矩IP/ m41.536×10-6

鉆具的剪切模量G/（N·m-2） 7.94×1010

由于錨固孔鉆柱系統(tǒng)施工深度通常不超過(guò)15 m，鉆柱系統(tǒng)總長(zhǎng)度相對(duì)較小，則鉆柱系統(tǒng)各質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)加速度穩(wěn)定在0.01 rad/s2，數(shù)值較小且穩(wěn)定，外界影響因素變化對(duì)其影響相對(duì)較小，在下文研究中不予考慮。

通過(guò)分析振動(dòng)數(shù)學(xué)解析模型，含煤地層錨固孔施工中橫向和縱向振動(dòng)加速度是衡量含煤地層鉆孔施工的重要信息。

當(dāng)外界條件確定時(shí)，鉆探施工參數(shù)中的鉆速、鉆壓以及鉆柱系統(tǒng)橫向和縱向振動(dòng)加速度可作為識(shí)別地層信息的指標(biāo)，鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)學(xué)解析模型為進(jìn)一步的數(shù)值仿真與實(shí)鉆試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

2 鉆柱系統(tǒng)力學(xué)特性有限元仿真

2.1 仿真模型建立

通過(guò)ABAQUS 軟件建立鉆柱系統(tǒng)有限元分析模型，研究錨桿鉆頭在鉆進(jìn)典型含煤地層時(shí)的載荷變化規(guī)律。 在數(shù)值仿真中設(shè)置4 種典型巖樣，分別為：①砂巖巖樣；②煤層巖樣；③均勻分布圓形孔洞的砂巖（以下簡(jiǎn)稱(chēng)孔洞砂巖）；④碎軟煤樣。 其中，后2 種巖樣特別考慮空穴發(fā)育地層鉆進(jìn)和碎軟煤層順層鉆進(jìn)的工程背景。

錨桿鉆頭及巖樣均采用SOLID 164 實(shí)體單元建模，以支持巖樣的非線性特征。 錨桿鉆頭選用?28 mm PDC 鉆頭，鉆頭體上焊接2 個(gè)?13.44 mm×8 mm的復(fù)合片；立方體巖樣尺寸為350 mm×350 mm×350 mm。 對(duì)PDC 鉆頭下端復(fù)合片附近以及巖樣預(yù)破碎區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。 PDC 鉆頭采用四面體網(wǎng)格離散，其下端部網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，上端部網(wǎng)格尺寸為0.5 mm；巖樣形狀規(guī)則，采用六面體網(wǎng)格離散，鉆進(jìn)區(qū)域150 mm×150 mm×350 mm 區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，其余位置網(wǎng)格尺寸為1.5 mm，數(shù)值仿真三維模型如圖4 所示。 特別考慮的孔洞砂巖模型與之后開(kāi)展的實(shí)鉆試驗(yàn)相一致，在巖石上均勻分布5×5個(gè)?28 mm×350 mm 圓柱形孔洞，方向垂直于鉆頭鉆進(jìn)方向，如圖4b 所示。

由于錨桿鉆頭的強(qiáng)度和硬度遠(yuǎn)高于巖樣，因此鉆頭采用剛體材料模型，忽略其變形，以縮短計(jì)算時(shí)間。 彈塑性損傷劍橋本構(gòu)材料模型綜合考慮了材料硬化和軟化的特點(diǎn)，能夠很好地反映巖石在外載作用下的變形和損傷特性，因此巖樣采用彈塑性損傷劍橋本構(gòu)材料模型表示，當(dāng)巖樣體積變形達(dá)到其臨界狀態(tài)塑性常體積變形值時(shí)，巖樣單元失效。 鉆頭和巖樣的主要材料參數(shù)見(jiàn)表1。 由于碎軟煤樣失效應(yīng)變極小，仿真時(shí)通過(guò)隨機(jī)抽取若干個(gè)單元（單元數(shù)占據(jù)仿真巖體的80%），并賦予表1 中相應(yīng)的參數(shù)加以表征。

鉆進(jìn)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算中，設(shè)置巖樣固定不動(dòng)，約束其底端面及外周面的自由度，錨桿鉆頭以120 r/min的轉(zhuǎn)速繞其中心軸線回轉(zhuǎn)，并以8.3 mm/s 的速度向上鉆進(jìn)巖石。 對(duì)巖樣四周施加非反射邊界條件，已消除邊界反射波的影響，模擬無(wú)限大的地層。 鉆頭與巖樣之間設(shè)置侵蝕接觸，保證巖樣被破碎刪除后其余的單元依然能夠考慮接觸。

圖4 PDC 鉆頭與巖樣網(wǎng)格劃分模型Fig.4 Gird partition model of inner cone PDC bit and rock

表1 巖樣與鉆頭材料參數(shù)Table 1 Material parameters of rock and drillbit

2.2 仿真結(jié)果分析

仿真應(yīng)用有限元顯式求解計(jì)算，鉆進(jìn)中鉆頭所受的軸向載荷是鉆進(jìn)破碎巖層時(shí)孔底巖層的反饋，徑向載荷主要是鉆柱維持正常保直鉆進(jìn)時(shí)孔壁巖層的反饋。 采用數(shù)據(jù)后處理軟件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出錨桿鉆頭分別鉆進(jìn)上述4 種巖樣時(shí)鉆進(jìn)軸向載荷和徑向載荷隨時(shí)間變化曲線如圖5、圖6 所示。

分析圖5 和圖6 可知：①錨桿鉆頭鉆進(jìn)砂巖巖樣、煤層巖樣、孔洞砂巖和碎軟煤樣4 種典型巖樣的平均軸向載荷分別為3 920.20、262.48、1 101.96、62.74 N。 雖然鉆進(jìn)孔洞砂巖時(shí)軸向載荷跳動(dòng)較大，但平均值仍是砂巖巖樣鉆進(jìn)時(shí)最高；碎軟煤樣較煤層巖樣軸向載荷相差明顯。 ②錨桿鉆頭鉆進(jìn)砂巖巖樣、煤層巖樣、孔洞砂巖和碎軟煤樣4 種典型巖樣的平均徑向載荷分別為142.74、22.60、526.32、3.17 N，徑向載荷主要維持鉆進(jìn)平衡，鉆進(jìn)完整巖樣的數(shù)值都在軸向載荷的10%以下，但鉆進(jìn)孔洞砂巖時(shí)的數(shù)值接近50%，整體曲線變化規(guī)律與軸向載荷類(lèi)似。 ③錨桿鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)巖石，隨著巖石塊體發(fā)生剪切崩碎，軸向載荷與徑向載荷整體呈不規(guī)則跳躍變化。 ④煤層巖樣鉆進(jìn)平均軸向載荷的仿真結(jié)果為262.48 N，參考圖2 典型煤層動(dòng)載受力分析圖，在相同鉆速條件下解析計(jì)算值為271.13 N，誤差率為3.29%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 同理可對(duì)砂巖巖樣、孔洞砂巖和碎軟煤樣進(jìn)行動(dòng)載解析計(jì)算，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果基本保持一致。

圖5 軸向載荷變化曲線Fig.5 Curve of axial load changing

圖6 徑向載荷變化曲線Fig.6 Curve of radial load changing

錨桿鉆頭鉆進(jìn)孔洞砂巖時(shí)縱向加速度隨時(shí)間變化曲線如圖7 所示。 鉆頭開(kāi)始接觸巖石并鉆進(jìn)碎巖時(shí)，加速度不斷增加并產(chǎn)生較大幅值的振動(dòng)變化；隨著鉆頭鉆入中間孔洞，加速度驟然降低，并趨于平緩。 根據(jù)加速度曲線劇烈變化能夠判斷鉆頭是否鉆進(jìn)孔洞，從而有效識(shí)別巖石特性變化。

圖7 孔洞砂巖鉆進(jìn)縱向加速度變化曲線Fig.7 Curve of acceleration of longitudinal vibration withhole sandstone drilling

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，錨桿鉆頭的工作載荷面對(duì)強(qiáng)度不同的巖樣時(shí)差別明顯，這與解析結(jié)果相一致；針對(duì)空穴發(fā)育地層和碎軟煤層順層鉆進(jìn)的特殊鉆進(jìn)工況，錨桿鉆頭的載荷與加速度變化可用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)時(shí)地層的快速辨識(shí)。

3 實(shí)鉆試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)由主機(jī)、泥漿泵、動(dòng)力泵站、控制臺(tái)以及各種附件組成，具有鉆機(jī)電液控制，鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，鉆進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8 所示。 其中，控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊與顯示屏之間采用CAN 總線通信。 為監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)，在動(dòng)力頭主動(dòng)鉆桿外部粘接了高精度陀螺儀、加速度計(jì)和地磁場(chǎng)傳感器的BWT901 型傳感模塊，根據(jù)安裝位置，鉆桿縱向振動(dòng)在z向表現(xiàn)，橫向振動(dòng)分解為橫截面x，y兩分量研究。 試驗(yàn)時(shí)鉆機(jī)動(dòng)力頭直接驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，使用清水作為沖洗液來(lái)清除孔底巖屑和冷卻鉆頭，鉆進(jìn)工藝參數(shù)可通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。 試驗(yàn)給定初始轉(zhuǎn)速120 r/min，鉆壓0.8 MPa，泵量10 L/min。

根據(jù)相似材料模擬條件要求預(yù)制4 種試驗(yàn)巖樣（圖9），巖樣材料選用復(fù)合硅酸鹽水泥、中砂和粉煤渣，按照一定的比例在自然溫度、濕度條件下養(yǎng)護(hù)澆筑成型，巖樣尺寸為350 mm×350 mm×400 mm，同時(shí)利用LAW-1000 型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖樣進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試，并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別得到標(biāo)準(zhǔn)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度，保持與仿真模型一致。 孔洞砂巖巖樣在整體砂巖巖樣上通過(guò)等距離鉆進(jìn)，翻轉(zhuǎn)90°后可預(yù)制完成。 碎軟煤樣采用圓柱狀模具，煤樣取自韓城礦區(qū)二疊系的山西組3 號(hào)煤層，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f為0.1 ～0.3，煤體結(jié)構(gòu)為碎粒煤和糜棱煤，用硅酸鹽水泥漿澆注后靜置養(yǎng)護(hù)完成。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中采集頻率為100 Hz，得出的典型巖樣鉆進(jìn)縱向振動(dòng)加速度信號(hào)如圖10 所示。 由圖10 可知：①鉆進(jìn)砂巖巖樣時(shí)，采集到振動(dòng)加速度幅值區(qū)間為-4.41～4.41 m/s2，鉆進(jìn)煤層巖樣時(shí)的振動(dòng)加速度幅值區(qū)間為-1.46～1.46 m/s2，而碎軟煤樣的振動(dòng)加速度幅值區(qū)間為-0.275 ～0.275 m/s2，且三組信號(hào)的包絡(luò)均比較平穩(wěn)；②鉆柱在碎軟煤層的試樣中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于介質(zhì)比較松軟，各方向外界力使鉆頭平穩(wěn)鉆進(jìn)，鉆柱產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)幅值明顯較?。虎坫@柱在砂巖試樣中鉆進(jìn)時(shí)，硬度較大，所造成的鉆柱振動(dòng)會(huì)增大，且會(huì)產(chǎn)生幅值較大的瞬間高頻脈沖信號(hào)。所以，利用振動(dòng)信號(hào)的加速度幅值可初步判別所處典型巖樣類(lèi)別。

圖9 4 種巖樣示意Fig.9 Schematic of four rock specimens

鉆入孔洞砂巖時(shí)縱向與橫向的響應(yīng)信號(hào)變化規(guī)律如圖11 所示。 開(kāi)始鉆進(jìn)巖樣時(shí)，產(chǎn)生幅值較大的瞬間高頻脈沖信號(hào)，之后振幅趨于平緩，如圖11a 中Ⅰ區(qū)域所示；鉆入孔洞時(shí)，可見(jiàn)幅值的包絡(luò)線有所降低，如圖11a 中Ⅱ區(qū)域所示，然后再次鉆入非空介質(zhì)，產(chǎn)生幅值較大的脈沖。 巖樣中共有5 個(gè)等距的孔洞，由圖11 可知相應(yīng)振幅較大的峰值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)剛鉆入巖樣非空層的振動(dòng)信號(hào)。 峰值點(diǎn)的時(shí)間間隔基本均勻相等，且與試驗(yàn)過(guò)程中記錄的介質(zhì)層突變的時(shí)間點(diǎn)一致，說(shuō)明實(shí)鉆中通過(guò)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)的幅值變化，可有效識(shí)別鉆入巖體空穴分布的情況。

錨固孔鉆進(jìn)中鉆柱振動(dòng)的主要震源為鉆頭破碎巖石產(chǎn)生的振動(dòng)，鉆柱與孔壁接觸的影響較小，傳遞震源振動(dòng)的過(guò)程中，鉆柱傳播效應(yīng)很強(qiáng)。 當(dāng)?shù)貙拥膸r性和構(gòu)造發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在幅值和變化規(guī)律上相應(yīng)的產(chǎn)生變化。

圖10 典型巖樣鉆進(jìn)縱向振動(dòng)加速度信號(hào)Fig.10 Acceleration of longitudinal vibration signal

4 結(jié) 論

1）針對(duì)煤礦巷道頂板錨固孔鉆進(jìn)施工情況，完成了鉆柱系統(tǒng)在含煤地層施工中的動(dòng)載受力分析，得到了地層作用的動(dòng)載軸向力和切向力的解析表達(dá)式，并分析了其變化規(guī)律。

2）基于有限單元法，利用達(dá)朗伯原理建立了非自由質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)力學(xué)模型，包括橫振、縱振和扭振的數(shù)學(xué)解析方程組，并結(jié)合巷道支護(hù)工程參數(shù)計(jì)算可知，鉆柱系統(tǒng)的橫向和縱向振動(dòng)加速度是鉆孔施工中衡量含煤地層特性的重要指標(biāo)。

圖11 孔洞砂巖鉆進(jìn)振動(dòng)加速度信號(hào)Fig.11 Acceleration of longitudinal vibration signal

3）通過(guò)建立砂巖巖樣、煤層巖樣、孔洞砂巖和碎軟煤樣等4 種典型巖樣有限元模型，仿真分析得到錨桿鉆頭分別鉆進(jìn)4 種巖樣時(shí)軸向載荷、徑向載荷和加速度變化曲線，典型煤層軸向載荷仿真結(jié)果與解析解基本一致，并與巖石特性變化之間存在必然聯(lián)系。

4）實(shí)鉆試驗(yàn)結(jié)果表明，含煤地層錨固孔施工中振動(dòng)加速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可有效識(shí)別典型含煤地層，尤其對(duì)于空穴發(fā)育地層和碎軟煤層順層鉆進(jìn)的特殊鉆進(jìn)工況時(shí)，識(shí)別效果良好。 下一步將結(jié)合高維鉆進(jìn)參數(shù)、地層圖像等信息繼續(xù)深入探索含煤地層巖性的精準(zhǔn)識(shí)別，提高實(shí)用性，以期為煤礦井下巷道地層信息智能探測(cè)提供技術(shù)支撐。