鐘 鋒，唐勝利*，王 力，邵 祎

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710054；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

淮南礦區(qū)作為我國(guó)主要煤炭生產(chǎn)基地，目前主要采用穿層鉆孔解決瓦斯或水害問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鉆孔需要穿越多層巖層，尤其遇到堅(jiān)硬巖層，采用PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法，鉆進(jìn)速度低，鉆頭磨損嚴(yán)重，施工周期長(zhǎng)，影響煤礦井下安全高效生產(chǎn)［1-2］。對(duì)于煤礦井下巖石硬度大于10 的硬巖和極硬巖，需要考慮在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)基礎(chǔ)上施加沖擊載荷，形成沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法［3-4］。目前有關(guān)學(xué)者針對(duì)沖擊破巖進(jìn)行了如下研究：李瑋等在振動(dòng)學(xué)理論基礎(chǔ)上分析了巖石在高頻沖擊下各參數(shù)的振動(dòng)關(guān)系［5］。何霞等分析了不同巖性巖石對(duì)鉆頭侵入深度的影響，認(rèn)為巖石破碎的過(guò)程分為4 個(gè)階段［6］。祝效華等建立了破巖仿真模型，分析了后傾角、側(cè)傾角、切削深度、圍壓等因素對(duì)破巖能效的影響［7］。祝效華等分析了沖擊功、沖擊末速度、鉆壓、沖擊頻率、轉(zhuǎn)速、井深及巖性對(duì)破巖能效的影響［8］。卜長(zhǎng)根等應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA 分析了球齒鑿入不同孔隙率巖石的沖擊特性，認(rèn)為巖石孔隙率越大，球齒鑿入的沖擊力越?。?］。

由于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難度大、成本高，一般對(duì)于沖擊破巖的研究?jī)H采用數(shù)值仿真分析或室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法，研究手段單一，針對(duì)不同鉆進(jìn)工藝參數(shù)對(duì)機(jī)械鉆速的影響關(guān)系研究較少。因此，本文針對(duì)淮南礦區(qū)鉆進(jìn)硬巖所遇到的問(wèn)題，采用中風(fēng)壓氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，運(yùn)用Workbench/LS-DYNA 顯示動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行不同氣體壓力和不同鉆機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)械鉆速的影響規(guī)律研究，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)選出適合硬巖鉆進(jìn)的最優(yōu)參數(shù)組合。研究結(jié)果對(duì)其他煤礦井下硬巖用氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法具有一定參考意義。

1 建立仿真模型

1.1 模型假設(shè)

氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是在一般回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆具的基礎(chǔ)上加一個(gè)氣動(dòng)沖擊器，沖擊器將壓縮空氣的能量經(jīng)過(guò)內(nèi)部活塞反復(fù)作用傳遞給鉆頭，鉆頭在沖擊載荷和回轉(zhuǎn)切削作用下進(jìn)行碎巖［10］。在鉆進(jìn)過(guò)程中直接影響機(jī)械鉆速的因素有沖擊頻率、氣體壓力、給進(jìn)壓力、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，參數(shù)之間合理搭配才能發(fā)揮沖擊器最大工作效率［11］。為了更好的用仿真軟件分析鉆頭破巖過(guò)程，對(duì)鉆頭和巖體進(jìn)行如下假設(shè)［12-14］：

1）將鉆頭視為一剛性體，只考慮鉆頭軸向方向上的位移情況，不考慮鉆頭變形、磨損。

2）將氣動(dòng)沖擊器沖擊鉆頭的沖擊能等效為一個(gè)沖擊壓力作用于鉆頭尾部端面。

3）破碎的巖屑能夠及時(shí)離開鉆孔，即破碎失效的巖體單元被即刻刪除。

4）巖石為均勻、連續(xù)的各向同性材料。

1.2 模型材料及網(wǎng)格

采用Design-Modeler 三維建模軟件進(jìn)行建模，鉆頭直徑為100mm，巖體為120mm×120mm×30mm 的方塊體，然后導(dǎo)入LS-DYNA 中進(jìn)行前處理。對(duì)鉆頭整體采用自由網(wǎng)格劃分，整體采用2mm，切削齒進(jìn)行1mm 加密處理，對(duì)巖體采用六面體網(wǎng)格劃分方法，并定義為2mm，建模及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

圖1 鉆頭和巖體網(wǎng)格劃分模型Figure 1 Mesh generation model of drill bit and rock mass

本次模擬巖體材料基于淮南礦區(qū)實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中所遇到的硬質(zhì)砂巖，密度為2.7g/cm3，抗壓強(qiáng)度為110MPa，巖體本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 模型，采用線彈性材料，并定義塑性應(yīng)變失效，鉆頭采用等效密度［15］。

1.3 邊界條件、載荷和接觸設(shè)置

在Workbench/LS-DYNA 仿真設(shè)置中，將鉆頭與巖體之間面和體的接觸設(shè)置為侵蝕接觸，鉆頭切削齒設(shè)置為目標(biāo)面，巖體設(shè)置為接觸面，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.3，剛度控制均設(shè)置為1［16］，采用Lagrange 算法。將巖體底面和四個(gè)側(cè)面設(shè)置為無(wú)限無(wú)反射邊界，用以模擬巖體無(wú)限區(qū)域的情況，同時(shí)設(shè)置巖體底面為固定面［17］。仿真分析時(shí)間為0.08s，將活塞沖擊鉆頭的作用力等效轉(zhuǎn)換為三角形沖擊載荷，在0.04s時(shí)達(dá)到最大，并分別施加不同的沖擊壓力，用以模擬不同氣體壓力工況下的鉆進(jìn)效果；并搭配不同鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，用以模擬不同轉(zhuǎn)速工況下的鉆進(jìn)效果；同時(shí)對(duì)巖體施加10MPa圍壓，模擬其初始地應(yīng)力。

2 仿真結(jié)果分析

在氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)實(shí)際作業(yè)中，機(jī)械鉆速為在一定鉆進(jìn)時(shí)間內(nèi)的鉆孔進(jìn)尺，本次仿真分析用鉆頭沿鉆進(jìn)方向的位移表示機(jī)械鉆速的大小，選擇氣體壓力和鉆機(jī)轉(zhuǎn)速作為研究機(jī)械鉆速的主要影響參數(shù)。選用CIR90 型中風(fēng)壓氣動(dòng)高效沖擊器，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。對(duì)不同工況下，沖擊頻率均取17HZ、鉆壓均取3MPa。

表1 CIR90氣動(dòng)沖擊器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of CIR90 pneumatic impactor

2.1 氣體壓力對(duì)機(jī)械鉆速的影響

在分析氣體壓力對(duì)機(jī)械鉆速的影響時(shí)，需保證其它參數(shù)不變的條件下（鉆機(jī)轉(zhuǎn)速保持40r/min 不變），分別對(duì)0.7、0.9、1.1MPa三種氣體壓力工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同氣體壓力工況下的鉆頭位移曲線圖，如圖2所示。

圖2 不同氣體壓力下鉆頭沿鉆進(jìn)方向位移Figure 2 Drill bit displacement along the drilling direction under different gas pressures

由圖2 可知，在沖擊載荷未達(dá)到最大時(shí)（0.04s前），三種工況下鉆頭位移曲線出現(xiàn)大幅波動(dòng)情況，說(shuō)明黏滑振動(dòng)現(xiàn)象明顯，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到最大后，黏滑振動(dòng)現(xiàn)象均有所改善，其中1.1MPa工況下黏滑振動(dòng)現(xiàn)象得到較大改善。對(duì)比三種工況下曲線可知，鉆頭位移隨著氣體壓力的增大而增大，氣壓值分別為0.7、0.9、1.1MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的鉆頭最大位移量分別為3.5、3.9、4.2mm，1.1MPa工況下較0.7MPa工況下鉆頭位移量提高了20%。說(shuō)明當(dāng)保持轉(zhuǎn)速40r/min不變，改變氣體壓力條件時(shí)，在1.1MPa 氣體壓力作用下鉆頭對(duì)巖體的應(yīng)力值最大，鉆頭鉆進(jìn)效果最佳，機(jī)械鉆速最高。

2.2 鉆機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)械鉆速的影響

在實(shí)際施工過(guò)程中，影響轉(zhuǎn)速選擇的主要因素是巖石性質(zhì)。對(duì)于硬巖或強(qiáng)研磨性巖石，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)使切削刃早期磨損。為了分析鉆機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)械鉆速的影響，在保證其它參數(shù)不變的條件下（氣體壓力保持1.1MPa 不變），分別對(duì)30、40、50r/min 三種轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行仿真計(jì)算，將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同轉(zhuǎn)速工況下鉆頭沿鉆進(jìn)方向的位移曲線圖，如圖3所示。

圖3 不同鉆機(jī)轉(zhuǎn)速下鉆頭沿鉆進(jìn)方向位移Figure 3 Drill bit displacement along drilling direction under different drill rig speed

由圖3可知，轉(zhuǎn)速達(dá)到40r/min后繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速并不能提高鉆頭的機(jī)械鉆速，且繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速的同時(shí)鉆頭的黏滑振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)有所加劇，1.1MPa-50r/min鉆進(jìn)參數(shù)組合粘滑振動(dòng)現(xiàn)象最嚴(yán)重，30r/min轉(zhuǎn)速下次之；當(dāng)轉(zhuǎn)速為30、40、50r/min條件下鉆頭沿鉆進(jìn)方向的最大位移分別為3.8、4.2、3.7mm，采用40r/min轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速明顯高于30r/min和50r/min轉(zhuǎn)速下的機(jī)械鉆速，40r/min轉(zhuǎn)速較50r/min轉(zhuǎn)速工況下鉆頭位移提高了13.5%，說(shuō)明當(dāng)保持氣體壓力1.1MPa條件不變的情況下，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速在40r/min左右時(shí)，鉆頭鉆進(jìn)效果最佳，機(jī)械鉆速最高。

綜上，將兩種因素對(duì)機(jī)械鉆速的影響程度進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明氣體壓力因素是有效提高機(jī)械鉆速的最主要因素，采用沖擊氣壓1.1MPa，轉(zhuǎn)速40r/min時(shí)，鉆頭的破巖效果最佳，機(jī)械轉(zhuǎn)速最大，且鉆頭黏滑振動(dòng)現(xiàn)象得到較大改善。1.1MPa氣體壓力搭配40r/min鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的巖體應(yīng)力及破碎效果如圖4所示。

圖4 巖體最大應(yīng)力及破碎效果圖Figure 4 Maximum stress and crushing effect diagram of rock mass

由圖4可知，當(dāng)巖體受到最大應(yīng)力時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生較大破碎，當(dāng)沖擊載荷慢慢減小后，應(yīng)力值變小，巖體發(fā)生較大破碎，說(shuō)明巖體主要在卸載階段發(fā)生破碎。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

淮南某礦構(gòu)造形態(tài)總體為一單斜構(gòu)造，地層走向?yàn)镹WW-SEE，地層傾角為5°～10°，呈淺部陡-深部緩的趨勢(shì)。試驗(yàn)地點(diǎn)位于2121（1）運(yùn)順（西）瓦斯綜合治理巷，上覆煤層為12 煤和13-1 煤，均厚分別為0.5m 和4.6m，屬于半暗型－半亮型煤。試驗(yàn)鉆場(chǎng)位于該巷道27 號(hào)鉆場(chǎng)，巷道位于均厚為16.2m砂質(zhì)泥巖底部，向上依次為均厚4.8m 的粉砂巖，23.4m 石英砂巖，8.2m 砂質(zhì)泥巖、4m 花斑泥巖、1.95m 砂質(zhì)泥巖，0.5m 的12 煤，12 煤與13-1 煤之間為3.35m 的砂質(zhì)泥巖。試驗(yàn)之前，在該巷道7 號(hào)鉆場(chǎng)進(jìn)行全孔采樣，并進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，根據(jù)測(cè)試上覆石英砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度最大，為111MPa，堅(jiān)固性系數(shù)f大于11，在最大破壞力點(diǎn)直接壓壞，未出現(xiàn)塑性變形過(guò)程，屬于脆性巖石。

3.2 鉆進(jìn)工藝

根據(jù)硬巖沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況，在2020 年5 月至8 月進(jìn)行氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，在27號(hào)鉆場(chǎng)施工穿層鉆孔，采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法穿過(guò)硬巖層，然后采用PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)穿煤。先回轉(zhuǎn)開孔，采用“Φ113mm PDC鉆頭+Φ73mm鉆桿+水便”鉆進(jìn)0.5m。然后采用“Φ110mm 沖擊釬頭+氣動(dòng)沖擊器+變徑接手+Φ73mm 鉆桿+水便”進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至穿過(guò)硬巖層。如果采用Φ110mm 沖擊釬頭未鉆穿硬巖層，換用Φ100mm 沖擊釬頭繼續(xù)鉆進(jìn)至煤層，再換用“Φ94mmPDC 鉆頭+Φ73mm 鉆桿+水便”回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了更好的驗(yàn)證仿真分析的正確性，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用全面試驗(yàn)的方法，共設(shè)置9組試驗(yàn)，選擇27號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)頂板巖層相對(duì)穩(wěn)定的鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，采集每組試驗(yàn)方案下鉆孔的機(jī)械鉆速，所得試驗(yàn)結(jié)果見表2。在試驗(yàn)過(guò)程中還統(tǒng)計(jì)分析了CIR90 型氣動(dòng)沖擊器的壽命，試驗(yàn)過(guò)程中共使用沖擊器8臺(tái)，單個(gè)沖擊器可完成2～3個(gè)鉆孔的施工，在最優(yōu)參數(shù)組合下，最大進(jìn)尺量為190m，平均進(jìn)尺量149.38m，滿足生產(chǎn)需求，增加了沖擊器和鉆頭使用壽命。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Field test results

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，機(jī)械鉆速隨著氣體壓力的增大而增大；當(dāng)氣體壓力保持不變，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速由30r/min 增加到50r/min 時(shí)，機(jī)械鉆速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，與仿真分析結(jié)果相一致（圖5）。

圖5 影響因素與機(jī)械鉆速關(guān)系Figure 5 Relationship diagram between influencing factors and penetration rate

由圖5 對(duì)比可得，隨著氣體壓力的增大，機(jī)械鉆速基本呈現(xiàn)近似線性關(guān)系增長(zhǎng)；而鉆機(jī)轉(zhuǎn)速在40r/min左右有最大影響，在50r/min時(shí)影響降低。在氣體壓力因素下，1.1MPa下的平均機(jī)械鉆速較0.7MPa的平均機(jī)械鉆速提高了59%，在鉆機(jī)轉(zhuǎn)速因素下，40r/min下的平均機(jī)械鉆速較30r/min的平均機(jī)械鉆速僅提高了8%，說(shuō)明氣體壓力對(duì)機(jī)械鉆速的影響程度更大，氣體壓力是提高機(jī)械鉆速的最主要因素。在本次試驗(yàn)之前，根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示淮南礦區(qū)針對(duì)硬巖鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速為8.48m/h，本次9組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速為18.6m/h，是之前機(jī)械鉆速的2.2倍。

4 結(jié)論

1）當(dāng)保持鉆機(jī)轉(zhuǎn)速不變，改變氣體壓力參數(shù)時(shí)，機(jī)械鉆速隨著氣體壓力的增大而增大，呈現(xiàn)近線性關(guān)系，1.1MPa 時(shí)影響最大。當(dāng)氣體壓力不變，逐漸增大鉆機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)械鉆速先增大后減小，在40r/min時(shí)影響最大。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，9 組試驗(yàn)的機(jī)械鉆速最高可達(dá)25.58m/h，平均機(jī)械鉆速為18.6m/h，是之前機(jī)械鉆速8.48m/h的2.2倍。

3）根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果顯示，氣體壓力因素對(duì)機(jī)械鉆速的影響程度最大，因此在實(shí)際施工過(guò)程中，沖擊器的工作壓力是有效提高鉆進(jìn)效率的最主要因素，所得最優(yōu)氣體壓力值為1MPa，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為40r/min，且能夠有效改善鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的黏滑振動(dòng)現(xiàn)象。