李玉剛，呂建法，楊 林，張桂艷

(1.貴州裝備制造職業(yè)學院，貴州 貴陽 550014；2.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；3.濟源市農業(yè)綜合行政執(zhí)法支隊，河南 濟源 459000)

0 引言

瓦斯災害是影響動力煤安全開采的主要因素之一，瓦斯鉆孔預抽是降低瓦斯災害發(fā)生率的有效措施，PDC切削鉆頭破煤鉆進成孔質量是影響瓦斯預抽效率的關鍵因素，故研究PDC鉆頭成孔鉆進過程中煤巖破碎規(guī)律以優(yōu)化鉆頭參數(shù)及提高成孔質量對降低瓦斯災害發(fā)生率具有重要意義[1]。但由于在實驗室內開展煤巖破碎規(guī)律研究，需進行PDC鉆頭破煤鉆進成孔實驗，消耗大量試件煤塊，且大量重復實驗使得研究周期過長，而采用LS-DYNA的顯示動力學有限元分析軟件建立針對PDC切削鉆頭成孔鉆進過程的有限元分析多體模型[2]，進行模擬計算分析，實現(xiàn)瓦斯預抽鉆孔過程可視化，可節(jié)約實驗成本，縮短研究周期，且結論可靠。本文針對西南地區(qū)動力煤開采所常用的ZDY-750型礦用液壓坑道動力鉆機配套鉆機具Φ94型PDC切削鉆頭破煤鉆進過程[3]，研究確定了成孔鉆進煤巖破壞準則，并采用基于LS-DYNA的顯示動力學有限元分析方法，對鉆進過程進行了模擬仿真，通過分析PDC切削鉆頭成孔鉆進過程中所受阻力變化，得到了煤巖破碎規(guī)律，為進一步優(yōu)化PDC鉆頭參數(shù)，提高成孔質量，降低瓦斯災害發(fā)生率提供了理論依據。

1 ZDY-750型煤礦用液壓動力鉆機結構組成及技術參數(shù)

ZDY-750型煤礦用液壓動力鉆機主要適用于堅固性系數(shù)f≤8的各種煤巖鉆孔，其主要由液壓油泵、動力頭、安全標識、機座、立柱、控制臺和鉆機具等7部分組成(圖1)。破煤鉆進時，動力頭是鉆機液壓執(zhí)行機構，由立柱架和機座支撐，鉆具安裝于動力頭；在電動機的驅動下，液壓油泵將電能轉換為液壓能，再通過控制臺控制旋轉馬達，調節(jié)動力頭沿機架導軌的往復運動速度，從而實現(xiàn)鉆機具的正向或反向破煤鉆進及煤屑輸送；鉆機具有PDC切削鉆頭和螺旋輸煤鉆桿，PDC切削鉆頭常用型號為Φ85型和Φ94型，本文主要以Φ94型PDC鉆頭為研究對象。

具體ZDY-750型煤礦用液壓動力鉆機技術參數(shù)如表1。

表1 ZDY-750型鉆機主要技術參數(shù)

2 PDC切削鉆頭及煤巖材料屬性

PDC切削鉆頭結構主要由鉆翼冠部、PDC聚金剛石復合片、通風眼、基座和鉆翼等組成(圖2)，其中，鉆翼冠部、通風眼、基座和鉆翼統(tǒng)稱為鉆體，主要由鉻、鉬和鎳等硬質合金材料切削加工而成；PDC聚金剛石復合片鑲嵌焊接于鉆翼冠部，是一種由聚金剛石和硬質合金襯底構成的超硬材料復合體[4](圖3)。具體PDC聚金剛石復合片和鉆體材料屬性如表2。

表2 PDC切削鉆頭各組成結構材料屬性

由于我國動力煤可采煤層透氣性差，尤其在西南地區(qū)，93.14%的可采煤層屬于松軟煤層，根據煤炭科學研究總院重慶分院的鑒定結論，西南地區(qū)的煤巖材料屬性如表3。

表3 煤巖材料屬性

3 煤巖破壞準則確定

目前，常用的煤巖準則有庫倫-納維爾準則、莫爾屈服準則和德魯克-普拉格準則。

1)庫倫-納維爾準則

庫倫-納維爾準則，即C-N準則，此準則認為煤巖所受外力超過剪切強度極限時將出現(xiàn)破碎現(xiàn)象[5]，表達式如下：

(1)

其中，σ1表示最大主應力；σ3表示最小主應力；Ψ是煤巖內摩擦角；C表示煤巖內聚力。

2)莫爾屈服準則

莫爾屈服準則認為作用在煤巖某一截面的剪切力必須超過某一值煤巖才會出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，作用在此截面的正應力決定了該值大小[6]，其表達式如下：

(2)

其中，σl1表示單軸抗拉強度；τ表示正應力；η表示τ的曲線方程與軸的夾角。

3)德魯克-普拉格準則

德魯克-普拉格準則，即D-P準則，此準則考慮了第二主應力及通風壓力或靜水壓力的影響[7]，其表達式如下：

(3)

其中，

對比式(1)、式(2)和式(3)可知，庫倫-納維爾準則及莫爾屈服準則均未考慮第二主應力的影響，對于具有動力現(xiàn)象或突出風險的松軟煤巖層，不能全面反應煤巖在外用力作用下的破壞機理。而德魯克-普拉格準則不但考慮了第一和第三主應力的影響，還考慮了第二主應力和通風壓力的作用，符合松軟煤層成孔鉆進煤巖破碎的實際工況，故本研究采用德魯克-普拉格準則作為煤巖破壞準則。

4 基于LS-DYNA的PDC切削鉆頭破煤鉆進顯示動力學有限元模型建立

4.1 幾何模型建立與導入

為提高有限元網格質量，忽略通風眼、倒角等PDC切削鉆頭小特征。利用Solidworks 三維建模軟件，建立PDC切削鉆頭三維模型(圖4)，后將模型導入LS-DYNA軟件，并在 LS-DYNA同一模型環(huán)境內創(chuàng)建一400 mm×400 mm×400 mm的長方體，以模擬破煤鉆進煤巖區(qū)域(圖5)。

4.2 定義材料屬性

針對PDC切削鉆頭模型的材料屬性，首先，選擇 LS-DYNA材料庫中剛性材料模型；然后，根據表2設定相應材料屬性參數(shù)，并限制模型沿X和Y方向的移動及轉動自由度(圖6)。

針對煤巖模型的材料屬性，首先，選擇LS-DYNA材料庫中雙線性隨動硬化材料(關鍵字：*MAT_BILINEAR_KINEMATIC)；然后，根據表3修改建模完成后，運行所生產的K文件中煤巖材料關鍵字，并添加D-P煤巖失效準則關鍵字(圖7)。

4.3 定義邊界條件

根據表1定義邊界條件，并對破煤鉆進煤巖區(qū)域模型施加無條件無限反射邊界條件，從而建立無限大煤巖區(qū)域，結果如圖8。

4.4 定義初始及結束條件

根據實際工作狀況，定義PDC切削鉆頭轉速為95 r/min，鉆進速度為1 m/min；同時定義求解結束時間為100 ms，如圖9。

4.5 修改K文件及提交計算

利用UltraEdit軟件按照步驟4.2修改*MAT_BILINEAR_KINEMATIC關鍵字，并添加D-P煤巖失效準則關鍵字，后提交到后處理器LS-REPOST進行分析計算。

5 有限元計算結果分析

根據LS-REPOST分析計算結果，現(xiàn)對PDC鉆頭切削鉆進所受阻力變化和煤巖破碎規(guī)律展開分析。

5.1 PDC鉆頭破煤鉆進所受阻力變化分析

根據 PDC鉆頭破煤鉆進反向加速度變化圖(圖10)，在0至3.34 ms時間區(qū)間內，PDC鉆頭尚未與煤巖接觸，鉆頭鉆進所受阻力為0，故加速度為零；從3.34 ms開始，鉆頭與煤巖接觸，鉆頭鉆進受到煤巖阻力，反向加速度產生；從3.34 ms至5.91 ms，即圖中AB段，PDC切削鉆頭三個鉆翼與煤巖接觸鉆進，煤巖受到鉆頭的作用力產生破碎現(xiàn)象，同時鉆頭鉆進所受煤巖阻力增大，反向加速度變化斜率最大；從5.91 ms至74.13 ms，即BC段，隨著PDC鉆頭切削鉆進的深入，鉆頭鉆進所受煤巖阻力繼續(xù)增大，反向加速度隨之波動增大；從74.13 ms至78.86 ms，即圖中CD段，PDC切削鉆頭鉆口底部與煤巖開始接觸，煤巖在鉆頭三個鉆翼底面及鉆翼間隙中的切屑擠壓作用下硬化破碎，鉆頭鉆進所受煤巖阻力迅速增大，反向加速度變化斜率隨之增大；從78.86 ms至94.43 ms，即圖中DE段，隨著三個鉆翼底面鉆進煤巖，鉆頭基座進入煤巖區(qū)域，鉆頭鉆進所受煤巖阻力逐漸減小，反向加速度相應減小，并從94.43 ms時刻開始，PDC鉆頭切削鉆進進入平穩(wěn)階段，鉆頭鉆進扭矩與煤巖阻力力矩趨于平衡狀態(tài)，反向加速度數(shù)值趨向于0。

5.2 煤巖破碎規(guī)律分析

根據5.1節(jié) PDC鉆頭破煤鉆進所受阻力變化分析可將鉆頭切削鉆進過程為三個階段：

1)鉆頭鉆翼切削煤巖階段

在3.34 ms時刻，PDC鉆頭三個鉆翼的切削齒首先與煤巖接觸，在鉆翼的剪切力、摩擦力、壓力等力的綜合作用下，煤巖出現(xiàn)彈性變形，并隨著鉆翼的逐漸侵入，綜合作用力隨之增大。當煤巖所受綜合作用力超過破碎變形強度時，煤巖出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，煤屑產生，即接觸破碎單元消失(圖11)。

2)鉆翼間隙中的煤屑及鉆口底部擠壓破煤階段

在74.13 ms時刻，鉆口底部的兩個切削齒開始切削煤巖，隨著鉆頭的侵入，鉆口底面與煤巖接觸，鉆頭鉆翼全部侵入煤巖。此時，煤巖在鉆翼間隙中的煤屑及鉆口底部的擠壓、摩擦及剪切的綜合作用下出現(xiàn)硬化破碎(圖12)。

3)平穩(wěn)切削鉆進階段

在78.86 ms時刻，鉆口底部及鉆翼已全部侵入煤巖，鉆頭基座進入煤巖區(qū)域，但由于鉆翼間隙的存在，鉆頭鉆進所受煤巖阻力力矩出現(xiàn)小幅度波動，但與鉆頭鉆進旋轉扭矩始終趨于平衡，PDC切削鉆頭破煤鉆進狀態(tài)趨于平穩(wěn)(圖13)。

6 結論

1)本文基于LS-DYNA的顯示動力學有限元分析軟件建立針對PDC切削鉆頭成孔鉆進過程的有限元分析多體模型，實現(xiàn)了瓦斯預抽鉆孔過程可視化，為解決在實驗室內進行PDC鉆頭破煤鉆進實驗周期長、成本高的問題提供了新途徑。

2)通過對PDC鉆頭切削鉆進所受阻力變化和煤巖破碎規(guī)律分析，得到了破煤鉆進過程中煤巖破碎的規(guī)律，即根據PDC鉆頭鉆進過程中所受阻力變化分析可將鉆頭切削鉆進過程中煤巖破碎分為三個階段：鉆頭鉆翼切削煤巖階段、鉆翼間隙中的煤屑及鉆口底部擠壓破煤階段和平穩(wěn)切削鉆進階段。研究結果為進一步優(yōu)化PDC鉆頭參數(shù)，提高成孔質量，降低瓦斯災害發(fā)生率提供了理論依據。