鄧建明，劉志強(qiáng)，孫建榮，郝熠熠

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

21世紀(jì)可稱為地下工程世紀(jì)，人類需要建設(shè)大量的地下工程結(jié)構(gòu)，包括地鐵隧道、城市管廊、地下廢物儲存、地下石油天然氣儲存、人防工程、軍事工程等，這些工程都離不開用于提升、通風(fēng)、液體物料輸送的井筒工程，因此，也就需要高效反井施工方法[1]。由于傳統(tǒng)的鑿巖爆破法對工人身體危害極大，機(jī)械破巖是未來長期一段時間的發(fā)展方向。機(jī)械化鑿井設(shè)備主要有反井鉆機(jī)、豎井鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、TBM、盾構(gòu)機(jī)等。我國目前許多井筒工程都開始采用反井鉆機(jī)鉆井法來代替爆破法。反井鉆機(jī)已經(jīng)在山東泰安抽水蓄能電站、山西峨口鐵礦、敦格鐵路當(dāng)金山隧道等許多工程中運(yùn)用，但鉆機(jī)的破巖效率是目前困擾機(jī)械破巖技術(shù)發(fā)展的原因之一。在給定的工程中，如何提高鉆機(jī)的破巖效率是亟待解決的問題。

鉆壓、轉(zhuǎn)速是影響反井鉆機(jī)破巖速度的重要因素，選取合適的鉆進(jìn)參數(shù)可以提高反井鉆機(jī)鉆進(jìn)效率，對于反井鉆井技術(shù)和裝備的發(fā)展具有重要的意義[2，3]。國內(nèi)外許多學(xué)者對滾刀破巖機(jī)理進(jìn)行了研究，并分析了鉆壓、轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度之間的關(guān)系：蘇聯(lián)學(xué)者史萊涅爾提出隨著鉆壓增加而形成不同破碎機(jī)理的三個區(qū)域理論；Aydin[4]等研究了巖石物理力學(xué)性質(zhì)以及巖體性質(zhì)(RQD)對反井鉆機(jī)性能的影響；東北工學(xué)院巖石破碎研究室得到的鉆速和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系、扭矩和轉(zhuǎn)速無關(guān)；謝和平[5]等研究了巖石破壞與能量的變化規(guī)律；劉志強(qiáng)等[6-8]對鑲齒滾刀破巖機(jī)理進(jìn)行了研究，并通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)探究鉆進(jìn)參數(shù)對鉆進(jìn)效率的影響?，F(xiàn)有研究很少涉及實(shí)際工程中鉆壓、轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度的關(guān)系。本文分析了鉆壓、轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度的關(guān)系，利用動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)測量了相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 滾刀破巖與鉆進(jìn)參數(shù)分析

反井鉆機(jī)鉆進(jìn)時，鉆機(jī)將鉆壓和扭矩通過鉆桿傳遞給鉆頭，使鉆頭上的滾刀在壓入巖石的同時產(chǎn)生滾動，滾刀對巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和刮削作用，將巖石從巖體上分離開來，形成圓形的鉆孔[9-11]。利用MATLAB繪制豎井井筒圖，如圖1(a)所示。鑲齒滾刀的運(yùn)動可以分為繞鉆桿中心的公轉(zhuǎn)運(yùn)動和繞自身軸承的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。

假設(shè)滾刀破巖時無滑動，巖石為各項(xiàng)同性，且滾刀壓入巖石的深度為定值[12]。把滾刀看成一個質(zhì)點(diǎn)，則其運(yùn)動軌跡為圓柱螺旋線。當(dāng)鉆桿的轉(zhuǎn)速n，鉆機(jī)的鉆速v恒定，滾刀與鉆桿中心線的距離為d時，以孔底圓心為空間直角坐標(biāo)原點(diǎn)，正東方向?yàn)閤軸方向，正北方向?yàn)閥軸方向，垂直向上為z軸方向，t=0時，x=d，y=0，z=0，則滾刀t時刻的位置可以描述為：

為方便繪圖，令d=2.5m，n=3r/min，v=2mm/min，利用MATLAB繪制出1000min內(nèi)滾刀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，如圖1(b)所示。

圖1 井筒及滾刀運(yùn)動軌跡

將滾刀的運(yùn)動軌跡線按平面展開，滾刀的運(yùn)動距離為s，鉆進(jìn)高度(進(jìn)尺)為h，s在水平方向上的投影為l，如圖1(c)所示：

則l、h、s滿足下列關(guān)系：

鑲齒滾刀破巖過程中，刀齒與巖石相互接觸，鉆機(jī)通過鉆桿傳遞給滾刀一定的鉆壓、轉(zhuǎn)速和扭矩，從而沖擊、擠壓、刮削巖石，最終使巖石破碎，形成井筒。

1.1 鉆速與鉆壓

在牙輪鉆機(jī)中，鉆速和鉆壓滿足下列通式[13]：

v=α·Pm

(3)

式中，v為鉆速，mm/min；P為鉆壓，kN；α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與轉(zhuǎn)速和巖性有關(guān)；m為與巖石硬度和排渣條件有關(guān)的指數(shù)。

由于反井鉆機(jī)和牙輪鉆機(jī)兩者都采用鑲齒滾刀進(jìn)行破巖，且破巖機(jī)理一致，故將其引用到反井鉆機(jī)中，但由于反井鉆機(jī)鉆孔直徑大，鉆速較慢，且擴(kuò)孔時巖渣直接從井筒中靠自重下落，排渣條件極好，基本不會造成巖石重復(fù)破碎，故只是在反井鉆機(jī)擴(kuò)孔過程中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α和指數(shù)m取值范圍和牙輪鉆機(jī)有所區(qū)別，但都滿足該函數(shù)關(guān)系。

1.2 轉(zhuǎn)速與扭矩

東北工學(xué)院巖石破碎研究室利用牙輪鉆機(jī)在花崗巖上試驗(yàn)得到扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。扭矩大體上保持一個恒定值，基本不隨轉(zhuǎn)速變化。

1.3 鉆速與轉(zhuǎn)速

在牙輪鉆機(jī)中，理論與實(shí)驗(yàn)資料都說明鉆速與轉(zhuǎn)速有線性關(guān)系。按能量守恒原理，可得式(4)[13]：

式中，M為扭矩，kNm；n為轉(zhuǎn)速，r/min；D為鉆孔直徑，m；az為鉆機(jī)破巖比功，kJ/m3。

在M、P、D、az的參數(shù)選定條件下，v與n為線性關(guān)系。東北工學(xué)院巖石破碎研究室用牙輪鉆機(jī)在花崗巖上進(jìn)行大量的試驗(yàn)得到的v與n的曲線，在推力11960kN，扭矩為6.5kN·m，鉆頭直徑15cm下，得出v=0.32n。

將牙輪鉆機(jī)的理論公式引用到反井鉆機(jī)中，按能量守恒原理，由于存在鉆桿發(fā)生彈性變形，產(chǎn)生彈性勢能，故加入系數(shù)K，K與鉆壓、鉆桿的彈性模量有關(guān)。這時等式為：

2 反井鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 工程條件

本次試驗(yàn)在山東沂蒙抽水蓄能電站位于臨沂市費(fèi)縣薛莊鎮(zhèn)境內(nèi)，距費(fèi)縣縣城公路里程24km，距臨沂市公路里程69km，距濟(jì)南市公路里程264km。工程總裝機(jī)容量為1200MW，地下廠房內(nèi)安裝4臺單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，為大(1)型一等工程。電站建成以后，供電范圍為山東電網(wǎng)，主要供電魯南地區(qū)，承擔(dān)山東電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、負(fù)荷備用、事故備用等任務(wù)。工程于2014年9月獲得國家能源局核準(zhǔn)，電站安裝4臺30萬kW立軸單級混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量120萬kW，以500kV電壓接入山東電網(wǎng)。

試驗(yàn)井筒為高壓管道豎井，直徑為2.5m，井深為309m，巖石主要為花崗巖，其單軸抗壓強(qiáng)度在250MPa左右。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備有BMC600反井鉆機(jī)(主要參數(shù)見表1)、2.5m擴(kuò)孔鉆頭(8470kg)(如圖2所示)、6排齒錐形鑲齒滾刀(如圖3所示)、1.5m鉆桿(材料為40CrMnMo、彈性模量E為2.06×1011Pa、泊松比μ為0.254)、DT-2234B型智能數(shù)字轉(zhuǎn)速表、動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)、拉力應(yīng)變片、扭矩應(yīng)變花等。

表1 BMC600型反井鉆機(jī)及鉆桿相關(guān)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 試驗(yàn)方案

選取可控的兩個主要因素：拉力和扭矩。調(diào)節(jié)鉆機(jī)的拉力和轉(zhuǎn)速，拉力F取1400kN、1600kN、1800kN；轉(zhuǎn)速n取3r/min、4r/min、5r/min。共需要做9次試驗(yàn)，每個拉力等級和轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)時間為3min。在開始計(jì)時之前，操作人員必須使推力穩(wěn)定在每個推力和轉(zhuǎn)速上，并記錄此時的進(jìn)尺。

圖2 2.5m擴(kuò)孔鉆頭

圖3 6排齒錐形鑲齒滾刀

主要數(shù)據(jù)處理和接收裝置：①拉力應(yīng)變片→動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)→電腦；②扭矩應(yīng)變花→動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)→電腦。

扭矩應(yīng)變片采用全橋法測量鉆桿的扭矩，拉力應(yīng)變片采用1/4橋法進(jìn)行測量鉆桿的拉力。扭矩應(yīng)變片布置有2個測點(diǎn)分別為M1、M2，測得的剪應(yīng)變分別為τ1、τ2；拉力應(yīng)變片布置有4個測點(diǎn)，測得的拉應(yīng)變分別為ε1、ε2、ε3、ε4。

2.3.2 摩擦校正

在試驗(yàn)之前，用原位摩擦試驗(yàn)來測算場地摩擦性，從而測算作用在刀盤上的實(shí)際作用力、單滾刀上的作用力和刀齒上的作用力。

根據(jù)垂直方向的力平衡，下放鉆桿時方程可以列為：

F1=GK+GG-f1+P

(6)

空提鉆桿時(不進(jìn)行破巖)：

F2=GK+GG+f2

(7)

式中，F(xiàn)1、F2為提供的拉力；GK為擴(kuò)孔鉆頭重力；GG為鉆桿總重力；P為鉆壓；f1、f2為摩擦阻力。

忽略其他因素的影響，試驗(yàn)中推進(jìn)和縮回試驗(yàn)過程中摩擦力f1、f2大小相等，方向相反，故摩擦力f=(f1+f2)/2。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果記錄

通過DT-2234B型智能數(shù)字轉(zhuǎn)速表測量鉆桿的轉(zhuǎn)速，再通過游標(biāo)卡尺讀出3min內(nèi)鉆桿的進(jìn)尺，即可得到鉆機(jī)的鉆速。通過動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)測量得到的拉應(yīng)變ε1、ε2、ε3、ε4及剪應(yīng)變τ1、τ2和時間關(guān)系曲線如圖4、圖5所示。

圖4 拉應(yīng)變與均值

圖5 剪應(yīng)變與均值

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行鉆進(jìn)破巖時，通過觀察發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)變與時間的關(guān)系遵循正弦函數(shù)的規(guī)律，拉應(yīng)變ε1、ε2、ε3、ε4具有相同的周期(圖4)；剪應(yīng)變τ、τ也存在一定的周期，但不是正弦相關(guān)(圖5)。

由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在誤差，對測的值取平均，即：

由材料力學(xué)[14]相關(guān)知識可以得到鉆桿的拉力和扭矩公式：

F=E·A·ε

(10)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)過程中存在較大的摩擦力，進(jìn)行摩擦力計(jì)算，如圖6所示。計(jì)算流程為：①在下放過程中(0～90s)，拉力基本保持不變，得到的f1約為160kN；②在中間過程中(90～130s)，拉力逐漸由負(fù)轉(zhuǎn)為正；③在上提過程中，拉力基本保持不變，得到的f2約為218kN，而扭矩始終基本不變，保持在70kN·m左右。

故得到的摩擦力f=189kN，M=70kN·m。鉆桿的拉力等于鉆壓、摩擦力、鉆桿重量的矢量和，除去摩擦力和鉆桿重量之后，即為破巖的總鉆壓，鉆機(jī)在三個不同拉力下的實(shí)際鉆壓分別為793kN、898kN、947kN。通過智能數(shù)字轉(zhuǎn)速表測得的轉(zhuǎn)速與鉆機(jī)上的轉(zhuǎn)速一致即分別為3r/min、4r/min、5r/min。

圖6 摩擦力、扭矩隨時間變化關(guān)系

注：圖7 鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線

不同鉆壓下扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖8所示，在鉆壓相同，轉(zhuǎn)速不同的情況下，扭矩基本上沒有變化，基本上在一個區(qū)間內(nèi)震蕩，故可以認(rèn)為扭矩的大小與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)。比較圖8(a)、(b)、(c)，發(fā)現(xiàn)扭矩的大小跟鉆壓有關(guān)，并且隨鉆壓的增加而增加。

圖8 不同鉆壓下扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

查相關(guān)資料知，花崗巖的破碎比功為360MJ/m3[15]。在793、898、947kN三個不同的鉆壓下進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過MATLAB擬合后，得到鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖9所示，分別得到為v1=0.3936n1、v2=0.5472n2、v3=0.3936n3三個方程。引入系數(shù)K，并且當(dāng)K=0.53時，理論和試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好的吻合，即：

注：L1∶v1=0.3936n1，L2∶v2=0.5472n2，L3∶v3=0.3936n3圖9 鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

2)反井鉆機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，但扭矩受鉆壓的影響；

3)反井鉆機(jī)的鉆速與轉(zhuǎn)速滿足v=K·2M·n/(0.25·D2az-K·P)，其中K的大小與巖石類型和鉆桿彈性模量E有關(guān)，并得出在該地質(zhì)條件下的K值，其大小為0.53。